新礦集團(tuán)某礦煤層自燃特性研究

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1、新礦集團(tuán)某礦煤層自燃特性研究第一章緒論1.1煤層自然發(fā)火研究的意義在我國礦產(chǎn)資源中，煤炭資源相當(dāng)豐富，煤炭的總產(chǎn)量和消費(fèi)量都排在世界前列。與此同時(shí)，我國由于煤炭自燃引起的火災(zāi)也十分嚴(yán)重[1]，數(shù)據(jù)顯示，在我國的能源工業(yè)之中，存在煤自然發(fā)火隱患的煤礦大約占一半左右，而且發(fā)生次數(shù)頻繁，影響重大[2]。眾所周知，煤炭自然發(fā)火是礦井火災(zāi)發(fā)生的主要誘因，煤炭自燃一旦發(fā)生，火勢(shì)將很快蔓延，并引發(fā)更大范圍的火災(zāi)，不僅嚴(yán)重影響著礦井的生產(chǎn)安全，同時(shí)也往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國，約50%的礦井面臨煤層自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，國有重點(diǎn)礦井中約20%的礦井面臨自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)總數(shù)中自燃原因

2、引起的礦井火災(zāi)達(dá)90%以上[3-4]。近年來，隨著放頂煤開采技術(shù)與瓦斯抽取技術(shù)的廣泛采用，采空區(qū)遺留殘煤、漏風(fēng)等問題進(jìn)一步加重，加劇了煤炭自燃火災(zāi)事故的發(fā)生頻率，嚴(yán)重威脅著礦井的生產(chǎn)安全。另外，煤炭自燃也將造成巨大的資源浪費(fèi)與經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國北方七省，僅煤炭火災(zāi)造成的煤炭損失達(dá)40億噸以上[5]。因此，研究煤的自然發(fā)火過程，有效預(yù)測(cè)煤炭自燃火災(zāi)事故的發(fā)生已經(jīng)迫在眉睫。根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，煤自燃火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)難以準(zhǔn)確定位，由經(jīng)驗(yàn)可知，煤柱、采空區(qū)或是冒頂處[6]的位置是火災(zāi)易發(fā)地帶，主要這些地方不易于通風(fēng)。由于煤自燃過程相當(dāng)緩慢，而且不會(huì)有火焰出現(xiàn)，所以礦井工人很難發(fā)現(xiàn)火

3、源，這就給煤自燃火災(zāi)的預(yù)測(cè)工作帶來了難處，火災(zāi)一旦被發(fā)覺，就可能已經(jīng)造成嚴(yán)重的后果。由于礦井下巷道狹窄，再加上工作人員密集，萬一發(fā)生火災(zāi)，人員不易于疏散，火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，這便加重火災(zāi)造成的損失。礦井下發(fā)生的火災(zāi)同時(shí)伴有大量的CO，這樣很容易造成井下的工作人員中毒，甚至死亡。此外，煤自燃火災(zāi)會(huì)對(duì)我們的生存環(huán)境造成極大的影響，例如土地、水、植物、大氣都會(huì)因此受到污染。煤礦自燃火災(zāi)能夠引發(fā)瓦斯和煤塵等爆炸災(zāi)害，極大地威脅到人的生命和財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)，不利于煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，影響了社會(huì)穩(wěn)定。.1.2煤自燃研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀我們知道煤的自燃影響因素眾多，可以從內(nèi)部和外部因素看，其中

4、，煤所處在的環(huán)境蓄熱條件和散熱的條件是影響煤自燃的外界因素；而煤的自身分子結(jié)構(gòu)單元中活性基團(tuán)的數(shù)量、種類和分子的空間結(jié)構(gòu)特性是影響煤自燃的內(nèi)部的因素[14-17]。內(nèi)部和外部因素是影響煤自燃缺一不可的條件。徐精彩和葛嶺梅教授[18]在《易自燃煤層火災(zāi)隱患識(shí)別及研究報(bào)告》中，通過分析煤的分子結(jié)構(gòu)，以及經(jīng)過對(duì)比煤的相似有機(jī)結(jié)構(gòu)的氧化特征，總結(jié)了7種有利于煤發(fā)生氧化反應(yīng)的煤分子表面結(jié)構(gòu)，這些分子結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的活性；并據(jù)此推斷出不同種類的表面活性結(jié)構(gòu)在煤處于低溫條件下的三步氧化反應(yīng)及其反應(yīng)機(jī)理。余明高等在烏達(dá)煙煤的微觀結(jié)構(gòu)與自燃的關(guān)聯(lián)性分析中借助于傅里葉變換紅外光譜儀分析，確認(rèn)了烏達(dá)

5、煙煤微觀結(jié)構(gòu)中所含的各類官能團(tuán)[19]，煤中主要含三類含氧官能團(tuán)，它們是羥基、羧基和醚鍵，他指出：其一，煤的變質(zhì)程度比較低，其二，煤中存在含氧官能團(tuán)可以增強(qiáng)煤的氧化反應(yīng)活性，當(dāng)這些官能團(tuán)與空氣接觸時(shí)，就會(huì)很容易地發(fā)生氧化反應(yīng)，生成了一些不是很穩(wěn)定的過氧化物等，這些過氧化物是官能團(tuán)的中介產(chǎn)物，它們會(huì)進(jìn)一步發(fā)生分解并放出大量的熱，從而能夠增加煤體內(nèi)的溫度，加大了煤自燃發(fā)生的可能性。陸偉等在煤低溫氧化結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與煤自燃過程之間的關(guān)系研究一文中[20]，利用紅外光譜對(duì)煤處于不同氧化溫度條件下的分子結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了大量的測(cè)試，陸偉在這篇文中得出的結(jié)論：煤自燃的過程是一個(gè)由于煤結(jié)構(gòu)中所

6、含有不同的官能團(tuán)，他們因?yàn)榛罨瘯r(shí)所需求的溫度與能量各不一樣，最開始被活化后發(fā)生了氧化反應(yīng)的那些官能團(tuán)所釋放出的能量能夠促使其它那些只有在更高的活化溫度和能量條件下的官能團(tuán)活化，從而讓他們能夠發(fā)生氧化反應(yīng)同時(shí)釋放出大量的熱量，即不同官能團(tuán)依次逐步漸進(jìn)地活化后與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)放出熱量的自加速升溫的過程[20]。..第二章煤體自熱階段孔洞熱平衡機(jī)理分析2.1煤自熱階段的熱點(diǎn)及其熱平衡分析煤自然發(fā)火自熱階段的熱點(diǎn)學(xué)說認(rèn)為，當(dāng)環(huán)境熱作用于煤體時(shí)，環(huán)境熱轉(zhuǎn)化為熱能，而這種熱能不是均勻分布而是集中在煤內(nèi)部某些局部的孔隙上，這主要是因?yàn)?，在煤體的孔隙內(nèi)儲(chǔ)存了充足的可燃?xì)怏w，一定溫度下，這些

7、氣體與周尺寸足夠大時(shí)，這些孔洞就會(huì)成為煤自然發(fā)火反應(yīng)的中心熱點(diǎn)，并促使局部孔洞首先發(fā)生自燃反應(yīng)，然后迅速傳播至全部。一般研究認(rèn)為，熱點(diǎn)擴(kuò)展為煤自然發(fā)火點(diǎn)的臨界條件為∶熱點(diǎn)溫度為300～600℃，半徑為100～300nm。.2.2熱點(diǎn)學(xué)說的驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)所采用模擬煤自燃的實(shí)驗(yàn)儀器主要有恒溫箱和掃描電子顯微鏡。實(shí)驗(yàn)所采用的是電熱式恒溫箱，并裝有電熱器和溫度調(diào)節(jié)器，其中關(guān)鍵的控制部分主要有溫度探頭、制冷壓縮機(jī)和熱風(fēng)機(jī)（直接用電阻絲加熱），如圖2.2所示。其工作原理是：溫度探頭的測(cè)量端伸在恒溫箱內(nèi)部的空氣中，不能與