煤自燃特性宏观表征参数及测试方法研究

摘要

煤炭自燃严重威着矿井的安全生产，近年来，煤自燃特性的定量表征及危险程度的准确判定是煤矿安全领域研究的热点和难点。
　　论文围绕煤自燃性表征参数获取方法进行研究，在煤氧吸附与自燃特性理论研究基础上，确定了煤自燃的主要宏观表征参数，自行设计建立了公斤级煤量自然发火实验装置，提出了煤自燃倾向性和自然发火期实验测试的新方法，通过对黄陵2号煤的实验测试分析，得出煤自燃宏观表征参数，确定了规范的实验条件，并与大型煤自然发火实验和程序升温实验的对比分析表明，该实验装置综合了上述两类实验系统的优点，具有快速、准确测定煤自燃宏观表征参数的特点，为煤自燃特性和自然发火期实验测定标准制定提供了理论和实验基础。取得主要创新性成果如下：
　　（1）基于煤的孔隙结构及煤对氧的吸附类型和热量关系，分析煤低温氧化时不同类型吸附在煤氧化自热过程中的作用，结合煤发火规律及其影响因素，运用多孔介质渗流力学和传热传质学理论及相关的数学模型，确定了煤氧化自热过程中数值计算的关键参数：煤的耗氧速度、放热强度，为煤自燃性表征参数测试方法提供了理论支持。
　　（2）结合破碎煤体的放热和散热特性，从煤量、绝热条件、控制精度及相应软硬件等方面分析了实验要求。研究创建了公斤级煤量自然发火实验装置，装置的热量散失值能够满足煤氧化升温的条件，实现了7.1kg煤量煤自然氧化升温过程实验模拟，解决了大煤量自然发火实验工作量大，小煤量实验需外部加热且不能真实模拟煤氧化自热过程的问题。
　　（3）利用公斤级煤量自然发火实验台对黄陵2号煤进行了测试，得到了自然发火过程中气体和温度变化关系，结合指标气体浓度及其变化率、气体浓度比值等表征参数与煤温的对应关系，确定了煤低温氧化自然发火过程中的三个特征温度，及其量化判定依据，解决了应用指标气体量化识别煤层自燃隐蔽火源温度的问题。
　　（4）在公斤级煤量自然发火实验测试基础上，计算得出了黄陵2号煤样的放热强度、耗氧速度和实验自然发火期等自燃特性参数，拟合出煤氧复合作用过程中自燃宏观表征参数与温度的函数关系，确定了常数项，为煤自然发火的数值模拟和发火期计算提供了关键参数。
　　（5）通过与大型（西安科技大学XK-III）和程序升温实验台进行实验对比分析表明，公斤级煤量自然发火实验可以用于煤自然发火过程测试、煤自燃表征参数的准确测定以及煤的自燃倾向性确定，对现场自然发火预测预报及自燃危险性判定有重要意义。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 煤自然发火期研究现状

1.5 研究内容及技术路线

2 煤自然发火过程基础理论及宏观表征参数

2.1 煤与氧的作用过程

2.2 煤自然发火规律和热学理论

2.3 煤自燃性宏观表征参数的理论分析

2.4 本章小结

3 公斤级煤量自然氧化绝热升温实验系统

3.1 煤量选择

3.2 绝热氧化装煤装置设计

3.3 供风量控制系统

3.4 温度检测与控制

3.5 煤样氧化气体产物分析系统

3.6 煤样在升温过程中的质量变化检测

3.7 控制软件设计

3.8对绝热氧化装置热量散失分析

3.9 本章小结

4 基于公斤级煤量实验的自燃特性宏观参数测试方法

4.1 实验与理论分析

4.2 煤自燃特性参数理论分析

4.3 自燃特性参数结果分析

4.4 本章小结

5 煤自燃宏观表征参数实验对比分析

5.1 大型煤自然发火实验

5.2大型与公斤级煤自然发火实验对比分析

5.3程序升温煤自燃性测试

5.4 程序升温与公斤级煤量实验对比分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

附录