煤炭自然发火危险性新预测方法的研究与应用.ppt

煤炭自然发火危险性新预测方法的研究与应用,2009.10.12,理论研究 安徽理工大学矿井火灾防治研究组 项目负责人：何启林,汇报的内容,汇报的内容,理论研究概 述 煤炭自燃的理论基础 煤的微观结构与矿物成分的测定 用红外光谱技术研究煤的低温氧化规律 用分形学理论对变温条件下煤结构变化 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究 用热重红外光谱（TG-DTA-FTIR）技术对煤氧化过程中规律性进行综合研究煤炭自燃过程的绝热实验 煤的氧化热解过程的化学动力学研究,1、概述,课题的提出什么是煤炭自燃倾向性？我国现行的流态色谱吸氧法评价煤炭自燃倾向性有不合理之处,评价结果往往与实际情况差异较大.何种指标能较准确反映煤炭自燃倾向性高低呢？,?,?,?,1、概述,研究煤炭自燃倾向性方法的基础准则:,研究煤的结构:应用困难,需加载更有效的描述手段.研究煤氧化合作用的效应:广泛应用具体分类见下图:,Self Ignition Processes,2、煤炭自然理论,煤自燃发火机理的评述 黄铁矿学说、细菌作用说、吸收水份发热说、地壳运动导热说、酚基作用说、煤氧复合作用学说、自由基学说等煤炭自燃发生的根本原因是由于各种放热反应放出的热量使煤升温实验发现煤从低温氧化到燃烧是一个吸氧放热的过程，除了煤中的含碳物质氧化放热外，还有煤的硫化矿物的氧化、水对煤的湿润热、煤的有机物质和无机物质的水解热、地应力和开采应力使煤破碎产生绝热空气的压缩热等都会对煤的自然升温过程起一定作用。,2、煤炭自然理论,煤的分子结构与自燃关系 煤在氧化过程中首先是分子结构中桥键被氧化断开，尤其是次甲基键、醚键和硫醚键。掌握桥键数量变化情况可以了解煤的氧化程度，利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析技术，对暴露于空气中不同时期的氧化煤样的红外光谱进行了测试与分析，并根据煤的桥键主要特征光谱峰在氧化过程中的吸收光谱强度变化，得出煤在氧化进程中桥键数量的变化规律，从而确定出煤氧化能力的强弱。,2、煤炭自然理论,煤的氧化过程的机理 自由基连锁反应机理：常温下即进行氧化水解机理：氧化放出一定的热量后，且需要较为激烈的氧化条件才进行酚羟基氧化机理：氧化放出一定的热量后，且需要较为激烈的氧化条件才进行,3 煤的微观结构与矿物成分的测定,1)煤的微观结构对煤在低温下吸氧量大小的影响,龙口白皂矿裼煤 大屯孔庄烟煤 淮北百善无烟煤 不同煤种整体形貌对照图,Self Ignition Processes,3 煤的微观结构与矿物成分的测定,煤样全貌对照图,孔庄煤(煤镜质组致密),同煤化程度的煤发火危险性差异的致因:,(煤中多处充填结核),3)煤中矿物存在形式对煤自燃倾向性的影响,柴里煤,Self Ignition Processes,3)煤中矿物存在形式对煤自燃倾向性的影响,孔庄(孔隙多),柴里(孔隙较少),3 煤的微观结构与矿物成分的测定,煤样孔隙发育对照图,Self Ignition Processes,3 煤的微观结构与矿物成分的测定 3)煤中矿物存在形式对煤自燃倾向性的影响,孔庄(裂隙充填矿物质),柴里(裂隙中充填矿物质),Self Ignition Processes,煤样裂隙充填物对照图,3 煤的微观结构与矿物成分的测定 3)煤中矿物存在形式对煤自燃倾向性的影响,孔庄,Self Ignition Processes,孔庄与柴里煤样孔隙与裂隙充填矿物成分能谱对比图,3 煤的微观结构与矿物成分的测定,结 论 1、煤化程度决定煤中的有机组分及其空间的分布，它也是决定煤自燃倾向性大小的重要因素。从泥煤，褐煤、烟煤到无烟煤整个发展过程中，由于温度压力等因素的作用，煤经历了一个脱羧，脱羟基，脱烷基和脱氢的变化过程，使煤的碳含量不断增加，芳香烃的稠环度不断增大，煤变得更加致密，稳定性越来越高，煤的吸氧放热性能大大降低，也即是煤的自燃倾向性降低。2、煤中的无机显微组分中硫化矿物含量与其在煤中存在形式是引起同煤化程度煤种自燃倾向性差异的重要原因。煤中硫化矿物含量的高低是决定煤的吸氧放热能力的大小，硫化矿物在煤中存在形式影响煤在氧化过程中是整体均匀放热还是局部集中放热，煤中硫化矿物以松散堆积形式存在的煤更易自燃。,Self Ignition Processes,孔庄七层煤不同氧化时期煤样红外光谱图,新煤样,氧化三个月的煤样,氧化一个月的煤样,4 用红外光谱技术研究煤的低温氧化规律,孔庄八层煤不同氧化时期煤样红外光谱图,新煤样,氧化一个月的煤样,氧化三个月的煤样,4 用红外光谱技术研究煤的低温氧化规律,不同地点七层煤红外光谱比较,7338工作面七煤,7337工作面七煤,4 用红外光谱技术研究煤的低温氧化规律,5.用分形学理论对变温条件下煤结构变化与吸氧量关系的研究,分形理论在煤表面结构中的应用的原理1)空间维数连续,分形维数D=232)煤的分形维数的计算方法 孔半径描述煤的表面结构总表面面积为A(r),孔容积来描述煤的总表面结构为,Self Ignition Processes,5.用分形学理论对变温条件下煤结构变化与吸氧量关系的研究,图1 孔庄煤样的,回归曲线（30）,图2 孔庄煤样的,回归曲线（30）,Self Ignition Processes,用孔的容积表示不同温度下煤样表面积分形维数的回归结果,用孔径表示不同温度下煤样表面积分形维数的回归结果,Self Ignition Processes,5.用分形学理论对变温条件下煤结构变化与吸氧量关系的研,Self Ignition Processes,5）当煤温100，孔庄煤样的分形维数D容比柴里煤样大，说明孔庄煤的孔隙比柴里煤的孔隙更发育，孔庄煤的吸氧量比柴里高，且随煤温升高吸氧量降低;当煤温100，孔庄煤样的分形维数D容不比柴里煤样小（例如200时，D孔庄=2.8682大于D柴里=2.8498），但吸氧量却比柴里小得多，且随着煤温升高趋势越明显。这些说明，当煤温100时，煤的吸附氧量与煤的孔隙发育程度有关；当煤温100，煤吸氧量主要取决于煤氧化反应的速率，也即是取决于煤上具有进行化学反应活化能的自由基数与分子活化的速率，而煤上的孔隙结构特征对煤的吸氧量影响很小,且在实际开采中柴里煤最短发火期为1.5个月，而孔庄煤最短发火期为10个月.这说明用煤的低温条件下吸氧量大小或孔隙发育情况来评判煤的氧化性高低是不合理的。,5.用分形学理论对变温条件下煤结构变化与吸氧量关系的研究,实验仪器,煤等温吸附解析仪,计算机控制的主界面,6 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究,实验结果,6 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究,1）煤吸氧量随温度与时间的变化规律,不同温度与时间下孔庄烟煤吸氧量,不同温度与时间下柴里烟煤吸氧量,1）煤吸氧量随温度与时间的变化规律,孔庄烟煤不同温度下煤的吸氧量随时间的变化规律,实验结果,柴里烟煤不同温度下煤的吸氧量随时间的变化规律,6 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究,1）煤吸氧量随温度与时间的变化规律,实验结果,6 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究,1）煤吸氧量随温度与时间的变化规律,实验结果,6 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究,1）煤吸氧量随温度与时间的变化规律,实验结果,6 低温下煤的吸氧量的测定及吸氧规律性的研究,7 用TG-DTA-FTIR联用技术对煤氧化过程的综合研究,用热重技术测定煤在温升过程中有关参数,煤热过程中各阶段所对应的温度以及其它参数,煤的吸氧量、吸氧速率与煤自燃倾向性的关系,不同编号的煤在不同温度下的吸氧量,7 用TG-DTA-FTIR联用技术对煤氧化过程的综合研究,不同编号的煤吸氧量,与温度,的关系曲线,7 用TG-DTA-FTIR联用技术对煤氧化过程的综合研究,用红外光谱测定煤氧化过程中气体释放规律,1号煤样 3号煤样,9号煤样 10号煤样 氧化与燃烧过程中释放的气体吸收率、波数与时间三维关系图,7 用TG-DTA-FTIR联用技术对煤氧化过程的综合研究,不同煤种CO析出百分比与温度的关系(说明用CO作为指标气体注意事项）,7 用TG-DTA-FTIR联用技术对煤氧化过程的综合研究,煤的实验最短发火期定义为：新暴露于空气的煤样，在实验室粉碎成一定粒度的煤样，在给定的供氧量条件下，在绝热的环境中，从常温上升到着火点所需的时间。,8 煤炭自燃过程的绝热实验,实验仪器,煤炭低温氧化炉工作原理图,煤低温氧化炉,8 煤的自燃过程的绝热实验,实验仪器,8 煤的自燃过程的绝热实验,实验仪器,从出气口冒出烟,8 煤的自燃过程的绝热实验,实验仪器,8 煤的自燃过程的绝热实验,实验仪器,烟煤氧化温度与时间关系,氧化动力学方程的建立,9 煤的氧化热解过程的化学动力学研究,1)氧化热分析研究动力学的分类及其基本原理,1、Coast-Redfern积分法,2、Achar的微分法,2)煤热解过程中所遵循的反应机理,比较同一机理函数的微分和积分计算结果，以此推测煤热解过程中所遵循的反应机理，一般判断最适合机理函数的依据为：用微分法和积分法计算结果的线性相关系数R均要大于0.98，微分和积分计算结果应基本一致。根据此原则，对10个煤样在空气中热解动力学拟合结果作筛选分析得煤在不同氧化阶段其氧化动力学函数分别为：1）煤在水分蒸发的反应机理函数为三维扩散模型，其微分函数与积分函数分别为,2）煤在吸氧增重阶段的机理函数为n=1的化学反应，其反应机理函数的微分与积分形式分别为,3）煤在受热分解阶段的反应的机理函数为反应级数n=1.5的化学反应，其反应机理函数的微分与积分形式分别为,9 煤的氧化热解过程的化学动力学研究,3）动力学计算结果正确性分析,9 煤的氧化热解过程的化学动力学研究,求算氧化动力学参数的子程序框图,3）动力学计算结果正确性分析,9 煤的氧化热解过程的化学动力学研究,应用研究 安徽理工大学矿井火灾防治研究组 项目负责人：何启林,汇报的内容,技术路线,应用实例丁集煤矿1262（1）工作面概况,本次试验工作面1262(1)是丁集首采工作面，该采面是综采工作面，工作面东西长2148m，可采走向长1828m，工作面斜长253m，回采面积462484m2。煤层厚度0.23.37m，平均2.6m，运输顺槽标高-890-850m，轨道顺槽标高-830-840m，地表标高+22.7323.38m，煤层倾角06，平均倾角3，工作面平均深度872.4m。根据鉴定，1262（1）工作面瓦斯相对涌出量为5.68 m3/t，11-2煤层为突出煤层，其煤尘具爆炸危险性，属易自燃煤层。同时该区域属地温异常区，根据出水水温推断，该区域平均地温为4345，属二级高温区，并且地压现象明显。,煤氧化过程中有关参数测定,丁集煤矿11-2煤，80目煤样DSC-TG关系曲线,煤氧化过程中有关参数测定,丁集煤矿11-2煤，100目煤样DSC-TG关系曲线,煤氧化过程中有关参数测定,丁集煤矿11-2煤，120目煤样DSC-TG关系曲线,煤氧化过程中有关参数测定,丁集煤矿11-2煤，混合目煤样DSC-TG关系曲线,煤氧化过程中有关参数测定,煤在不同温度下放热量与吸氧总量,预报煤自燃的指标气体确定,丁集煤矿11-2煤的工业分析,预报煤自燃的指标气体确定,丁集煤矿11-2煤新鲜煤样程序升温氧化释放气体特征表,预报煤自燃的指标气体确定,11-2煤新鲜煤样氧化释放CO、CO2、CH4浓度变化图,预报煤自燃的指标气体确定,11-2煤新鲜煤样氧化释放C2H4、C2H6、C3H8浓度变化图,预报煤自燃的指标气体确定,11-2煤新鲜煤样氧化释放C2H2、C4H10、iC4H10浓度变化图,1262(1)工作面采空区遗煤氧化相关参数的测定,本次现场实验部分分别沿进、回风巷道布置3个测点，将补偿导线按照制作方法在实验室内分别做成200m2、170m2、140m2三种长度规格共计6根补偿导线，束管长度与补偿导线长度一致，本实验所用的补偿导线在安徽理工大学的实验室进行了预标定。,1262(1)工作面采空区遗煤氧化相关参数的测定,采空区束管与测温布置示意图,1262(1)工作面采空区遗煤氧化相关参数的测定,1262(1)工作面采空区遗煤氧化相关参数的测定,第一个取样点埋进10m后，开始进行测点，各取样间距20m，最长取样距离200m。在抽气站用高压抽气泵取气样，每23天（取气天数由回采速度所决定，由于丁集煤矿的回采速度为5m/d，所以定为23天取一次气样）由通风科派专人和实验研究人员一起下井取样和测温，气样送至安徽理工大学实验室进行气相色谱分析。,测定理论及结果分析,“三带”划分标准：氧浓度指标：散热带，氧气浓度大于18%；氧化带（自燃带）氧气浓度在1810%之间；窒息带氧气浓度低于10%。采空区内温度指标：通过升温速率判定采空区内漏风风速指标：散热带，漏风风速大于0.24m/min；自燃带，漏风风速在0.10.24m/min；窒息带，漏风风速小于0.1m/min的区域。,测定理论及结果分析,图2-17 各测点随开采深度的氧浓度变化图,测定理论及结果分析,结果分析1.在采空区进、回风巷进行束管与测温系统埋设，基本达到测试标准，其中进风巷道由于埋设在皮带机里帮，随着胶带机头推进及环境条件的恶劣，在开采过程中，进风巷道里的束管遭到了破坏，但我们在回风巷道里测得的数据已经满足了测定要求，故虽然进风巷里的束管遭到破坏，但对测量的准确性没有什么影响，所得数据是可靠的；2.通过对采空区有效测点的气体成份分析可知，1262（1）工作面采空区遗煤氧化“三带”分布为：散热带050m；氧化带50100m；大于100m为窒息带；所测温度均不超过60，具体测点的温度值在除了个别的由于破坏没有列出外都在上表中列出；3.经过对采空区进行测温及气体成份分析，可以得知：工作面在现有的推进速度5m/d（即145155m/月），采空区遗煤氧化的最高温度为不超过50左右，采空区遗煤一般不会发生自燃。,煤炭开采实际发火期的确定,1、最短发火期的不科学性2、开采实际发火期的确定,丁集矿1262(1)综采面开采11-2煤层，煤平均厚度为2.6m，煤层倾角平均3,采空区遗煤厚度约为0.150.26m，工作面平均气温约为29，原岩温度46，工作面倾斜宽253m,工作面风量在Q=45m3/s，回采率为90%，其它实验数据为：=1.28 kJ/(kg),=1.009 kJ/(kg),=0.1398 w/（m）,=0.0283 w/（m）,=0.522。根据实验室和现场实测数据，应用上述的模型，调用相应的解算程序，可得实际发火期为49d。由于采空区散热带与氧化带两者宽度为100m，而工作面推进速度5m/d，因此采空区遗煤处于氧化带内的时间为20天，因此，该工作面在正常回采过程中不会出现采空区遗煤自燃现象，但工作面推进速度低于2m/d时，必须采取注浆与控制漏风等措施，并要加强上隅角指标气体浓度与趋势的监测工作。另外，工作面回采完支架必须在1个半月内撤完。,煤炭开采实际发火期的确定,1262(1)工作面采空区温度场数值模拟,图2-19 1262(1)采面采空区遗煤网格划分示意图,1262(1)工作面采空区温度场数值模拟,图2-22 采空区速度矢量图,1262(1)工作面采空区温度场数值模拟,图2-23 3天后采空区温度场,图2-24 6天后采空区温度场,图2-25 14天后采空区温度场图,1262(1)工作面采空区温度场数值模拟,图2-26 采空区温度等值线,图2-27 采空区X方向速度场,结 论,丁集矿1262（1）工作面在风量Q=45m3/s、回采率为95%、推进速度5.0m/d的情况下，采空区遗煤最高氧化温度分别为：5天后约为41，10天后约为46，15天后约为51，49天后约为59；随着回采推进，采空区不断被压实，采空区的最高温度低于60，这说明，在上述条件下进行开采该区域的煤炭，采空区遗煤自燃发火的概率很小，回采较为安全。,总结,1)借助热分析仪器与化学反应动力学理论，研究了煤的低温氧化过程，测定煤低温氧化过程发热量与温度之间关系，提出判定煤炭自燃倾向性方法，并以煤的氧化动力机理函数为核心方程，建立煤炭在实际开采过程中自然发火期计算的数学模型，利用数值解算方法，通过编制可求算出煤层在实际开采条件下的发火期值，建立了煤炭自然发火危险性新的预测方法，为选择安全经济的防灭火措施提供依据；,总结,2)在国内外权威性期刊ARCHIVES OF MINING SCIENCE（波兰）、Fuel煤炭学报、中国科技大学学报、中国矿业大学学报、北京科技大学学报等刊物上发表相关研究成果，发表论文被SCI检索2篇，EI检索的有16篇，并由煤炭工业出版社出版煤炭氧化动力学过程研究与应用专著一本，初步建立了煤氧化动力学理论体系；,总结,3)阐明了用某温度点吸氧量表示煤自燃倾向性高低的不合理性。提出煤自燃倾向高低主要由煤上具有反应活化能值的分子数及分子活化速率决定的，也即是煤结构、煤变质程度与矿物含量等煤本身固有因素决定，应用煤的氧化效应积累与趋势指标，如氧化过程的放热量、吸氧速率等，而不能以点代面，用一个温度点的吸氧量来反映整个氧化过程；,总结,4)用孔容分形维数定量描述煤的孔隙发育程度与孔隙结构随温度变化情况，并将煤结构分形维数变化与煤的吸氧量联系起来，发现煤温100时，温度增加煤的分形维数增加，煤的吸氧量减小；当煤温100时，煤温增加煤的分形维数减小，吸氧量增大的规律，并从煤氧化动力学理论角度给予合理解释；,结论,5)采用IS-100型等温吸附解析仪、利用梅特勒热重/差热同步分析仪（TGA/SDTA851）型热分析仪以及红外光谱等多种先进仪器联用，实测整个氧化过程中的多种信息，尤其是煤在不同氧化温度下吸氧量的值与放热量值，掌握了煤的吸氧量随温度的变化规律性，并用物理反应与化学反应理论给予合理的解释；,结论,6)提出煤的实验最短发火期的概念，用小型绝热氧化炉+自动检测最佳供风量仪，测出煤的实验最短发火期值，并指出实验最短发火期值是反应煤氧化特性综合指标，也是评判煤炭自燃倾向性最好指标之一；,总结,7)指出利用“最短发火期”评判煤炭开采过程发火危险程度的不合理性，提出了采用“煤炭开采过程实际发火期”预测采空区遗煤炭发火危险程度的科学性，并建立相应数学模型与求解方法，为多个矿井选择经济合理的防灭火措施提供了科学依据，具有较高理论价值与实用价值；,结论,8)推导出了煤在不同氧化阶段的动力学机理函数，为人们从化学反应角度认识煤的自燃过程提供了理论指导；9）煤炭低温氧化研究部分成果，已成为新的煤炭自燃倾向性鉴定标准（煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法,AQ/T 1068-2008）的内容；另外，一部研究成果已写入安徽省放顶煤开采标准与要求防火条款；,结论,10)煤氧化动力学过程研究的成果，目前已在上海大屯能源股份有限公司的4对矿井与淮南矿业集团大部分矿井中得到应用，已完成研究项目30多项，准确预测了采空区遗煤自燃情况，研究成果应用的矿井都取得成功，取得了良好的安全效益与经济效益。,存在的问题,1)应尽快将该研究成果在全国范围内的煤矿，尤其是发火严重的煤矿进行推广应用；2)进一步研究“煤炭自然发火危险性新预测方法”中实验参数测定的规范化操作，尽可能形成相应操作规范标准；3)煤炭开采过程实际发火期计算软件友好界面需进一步开发，使操作更加简单与规范。,谢 谢！,