煤自然发火指标气体的关联性实验研究

摘要

在中国领域内除上海以外，其它各个省区或多或少均分布着煤炭资源，煤炭作为中国的基础能源，其在不可再生能源中占70％左右。然而煤矿开采和存储的过程中往往伴随着煤自燃，煤自燃已经是我国煤矿自然灾害较严重的灾害之一，不单会导致煤炭成本的浪费，并且更为严重的是给矿井工作职员带来致命性的事变，因此关于煤自燃的防治工作显得尤为重要。而长久实践看来，做好早期的预测预告是防治煤自燃的关键一步，煤自燃氧化过程中会产生一系列的气体，可以根据这些生成气体的浓度变化规律来反映出煤自燃的所处阶段，以便进行预测预报。可见煤自燃早期预测预告的核心就是确定合适的指标气体。
　　本文选取了3类变质程度不同的煤作为实验研究对象，分别是褐煤、长焰煤和气煤，均为变质程度偏低的低阶煤，因为中国的低阶煤储量还是居多的，研究低阶煤的自燃特性更有实际意义。所选实验煤样具体为锡盟（XM）褐煤、神东（SD）长焰煤、白芦（BL）长焰煤、潞宁（LN）气煤。实验环节首先是对4种煤样分别进行程序升温氧化实验，通过实验数据的分析，同种煤的横向比较及同一气体的纵向比较得出单一相关指标气体随温度的变化规律，再加之对数据适当处理引入复合指标气体浓度与温度的相关性，通过曲线变化情况得出各煤样的指标气体种类。实验部分其次是对各煤样采用热重-差热分析技术来研究其自燃过程中的质热变化，进而确定出煤自燃的阶段。最后采用灰色斜率关联理论的方法结合热重-差热分析确定的阶段来进行加速氧化阶段指标气体的优选。本文得出的主要结论如下：
　　（1）单一指标气体中，CO、H2、C2H4、C2H2在等气体在升温过程中随温度的变化均表现出有规律的指数增长，故均可作为实验煤样早期预测预报的指标气体；特殊地C2H6可以作为褐煤和长焰煤的自燃指标气体来进行相关预测预报，不可以作为气煤的自燃指标气体来进行相关预测预报。
　　（2）第一、二火灾系数随煤温的上升均呈现出规律性，一定程度上能反映煤自燃的程度，故可作为煤样的自燃指标气体来进行相关预测预报；而第三火灾系数R3在煤低温氧化期间出现有两次突变，具有较大的波动，故不宜作为煤样的自燃指标气体来进行相关预测预报。
　　（3）对于褐煤和长焰煤而言，链烷比比值值超过0.15时应及时作出预警，故链烷比可以作为褐煤和长焰煤的指标气体，而不能作为气煤的指标气体；烯烷比及稀缺比可适当作为低阶煤的辅助指标来进行预测预报。
　　（4）煤样在整个氧化过程中，煤样质量均呈现出如下变化趋势：先减小后增大，然后急剧下降最后趋于稳定；热量变化呈现出先升高再降低最后又升高的趋势。在挥发分蒸发阶段，4种煤样对应的 T1=99.6~101.6℃；在吸氧阶段，4种煤样对应的T2=294.4~320.6℃，在煤受热分解阶段，4种煤样对应的T3为300.8~342.8℃，在燃烧阶段，除 LN煤样在700℃时还未燃尽，其余3种煤样对应的 T4为578.5~623.4℃。
　　（5）通过综合对比，本文选取了灰色斜率关联模型进行定量分析，得出在煤自燃的加速氧化阶段，锡盟褐煤的综合指标预测体系如下：以H2、CO及24C H为主要指标气体，以4C2H4 CH、第一火灾系数 R1为辅助指标气体；神东长焰煤综合指标预测体系如下：以 C2H6、4C2H4 CH及H2为主要指标气体，以R2、C2H6/CH4为辅助指标气体；白芦长焰煤综合指标预测体系如下：以C2H6/CH4、R2及H2为主要指标气体，以4C2H4 CH、C2H6为辅助指标气体；潞宁气煤综合指标预测体系如下：以4C2H4 CH、R2及H2为主要指标气体，以 CO、24C H为辅助指标气体。
　　（6）煤的热解产物与煤的种类密切相关，选择指标气体时务必在实验的基础上进行，尽可能采用多种指标气体配合预报为宜。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容及技术路线

第二章 实验环节介绍

2.1煤样选取与煤质分析

2.2实验仪器及实验原理与系统

2.3实验操作流程

第三章 煤自燃指标气体与温度的相关性

3.1程序升温氧化实验

3.2单一指标气体浓度与温度的相关性

3.3复合指标气体与温度的相关性

3.4本章小结

第四章 煤自燃过程质热与温度的相关性

4.1热重-差热分析实验

4.2煤自燃质热与温度的相关性

4.3本章小结

第五章 灰色斜率关联之指标气体的优选性

5.1指标气体的优选原则

5.2灰色斜率关联度模型

5.3基于灰色斜率关联分析的指标气体优选

5.4本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2研究工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要科研成果