侏罗纪煤低温氧化自燃特性及其指标气体实验研究

摘要

煤层自燃对矿井安全生产构成巨大危害。我国侏罗纪煤储量大，煤自燃倾向性强，对侏罗纪煤低温氧化自燃特性、指标气体临界值及其影响因素等进行研究，研究结果对侏罗纪煤自燃预测预报和煤火灾害防治具有重要科学意义和实用价值。 首先，通过四种不同升温速率的热重实验研究了煤样低温氧化过程中的氧化反应动力学，结果发现：各煤样氧化自燃总反应历程相似；煤样特征温度随着变质程度增加而滞后，相同条件下越不易氧化自燃；低温氧化过程中煤样氧化及热解反应速率逐渐加快，煤样主要受三级化学反应方程控制。 其次，通过FTIR实验研究了煤样低温氧化过程中主要官能团在临界温度、干裂温度点的变化规律，结果发现：从常温升至干裂温度，脂肪烃和含氧官能团是氧化反应主要参与者，芳香烃则基本上不参与氧化反应；煤样变质程度越高，反映芳香核稳定情况的取代苯相对较多，连接在芳香核周围的烷基侧链越短，表明煤分子结构相对越稳定，同时容易氧化的活泼-OH越少，说明在一定程度上变质程度越高的煤样越不易氧化自燃。 最后，通过不同条件下的程序升温实验研究了煤样低温氧化过程中的生成气体浓度、耗氧速率以及CO临界值等宏观特性，结果发现：近似指数增长的CO、C2H4可以作为煤自然发火指标气体，赋存于煤中的C02、CH4、C2H6则不可以；粒径、供风量、氧浓度等能够影响煤的氧化自燃，粒径越小煤样氧化自燃性越强，供风量适宜可以促进煤样氧化，氧浓度越低则煤氧复合作用越发困难；建立CO临界值多元线性回归模型，可以对CO临界值进行判断，从而为煤自燃的防治提供科学依据。

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1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 煤自燃机理

1.2.2 煤自燃特性研究方法

1.2.3 指标气体

1.2.4 热分析动力学

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 煤样低温氧化热重实验研究

2.1 样品采集与工业分析

2.1.1 样品采集

2.1.2 煤样工业分析

2.2 热重实验仪器与方法

2.3 实验结果

2.3.1 热重曲线分析

2.3.2 特征温度点分析

2.4 煤样热分析动力学理论

2.5 热分析动力学分析

2.5.1 运用Ozawa法求解活化能

2.5.2 红庆河煤样低温氧化反应动力学分析

2.5.3 鑫源煤样低温氧化反应动力学分析

2.5.4 东荣煤样低温氧化反应动力学分析

2.5.5 不同变质程度煤样动力学参数比较

2.6 小结

3 煤样低温氧化主要官能团变化规律研究

3.1 实验原理

3.2 实验煤样

3.3 实验仪器与方法

3.4 实验结果

3.4.1 红庆河煤样特征温度点官能团变化特征

3.4.2 鑫源煤样特征温度点官能团变化特征

3.4.3 东荣煤样特征温度点官能团变化特征

3.4.4 煤样特征温度点官能团变化特征比较

3.5 小结

4 煤样低温氧化生成气体实验研究

4.1 程序升温实验

4.1.1 实验原理

4.1.2 实验煤样制备

4.1.3 实验仪器

4.1.4 实验条件

4.2 实验结果

4.2.1 CO生成规律

4.2.2 CO2生成规律

4.2.3 CH4生成规律

4.2.4 C2H4生成规律

4.2.5 C2H6生成规律

4.3 耗氧速率及指标气体临界值分析

4.3.1 耗氧速率及临界温度计算

4.3.2 CO临界值确定

4.4 指标气体临界值多元线性回归模型

4.4.1 多元线性回归理论

4.4.2 红庆河煤样多元线性回归模型

4.4.3 鑫源煤样多元线性回归模型

4.4.4 东荣煤样多元线性回归模型

4.5 小结

5 结论及展望

5.1 主要结论

5.2 展望

致谢

参考文献

附录