水浸煤自燃宏观特征及防治技术研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文水浸煤自燃宏观特征及防治技术研究学院：资源与安全工程学院学号：TBP110102051作者：徐长富学科专业：安全技术及工程导师：赵学社研究员傅贵教授2015年6月中图分类号：TD75密级：公开单位代码：11413博士学位论文中文题目：水浸煤自燃宏观特征及防治技术研究英文题目：ResearchonMacroCharacteristicsandControlTechnologyofSpontaneousCombustionofWaterishlogge

2、dCoal作者：徐长富学号：TBP110102051学科专业：安全技术及工程研究方向：矿井火灾防治导师：赵学社职称：研究员傅贵教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月5日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要煤自燃是我国矿井的主要灾害之一。水浸煤是指那些被水长时间浸泡，物理化学性质发生改变了的煤体。近年来，煤炭资源开采逐步向西部发展，而西部大部分煤层埋藏浅、间距近、易自燃。在开采过程中，受采动的影响，易产生裂隙，形成渗水通道，使煤长期被水浸泡，导致煤的物理化学性质发生变化；另外，在采空区探放水过程

3、中，常出现“水气置换”现象，增加了漏风量，增大了煤自燃的危险性。目前，国内外就煤自燃机理与防治技术的研究已形成了较为完备的研究体系，但关于水分对煤自燃影响的研究并不多，尚无法解释煤被水浸后，其自然发火次数大大增加的现象；另外，在研究中，大多数学者只是针对单一的煤自燃参数进行研究，没有把煤自燃各个参数综合起来考虑；虽然有些学者提出了存在一个最佳湿度水平使煤易发生低温氧化的概念，但大多研究都只是定性的，没有给出具体的判定指标与方法。因此，研究水分对煤自然发火的影响显得尤为重要。本文依托“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAB13B02）：蒙

4、陕深部矿区亿吨级煤炭基地建设关键技术和中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目（2012MS001）：蒙西矿区高效开采安全保障技术等课题，以葫芦素2-1煤为研究对象，采用实验室测试、理论分析、数值模拟和现场监测的研究方法，开展了水浸煤自燃宏观特征及防治技术研究。论文主要内容及结论如下：（1）采用实验室实验，研究了不同含水率煤样的吸氧特性，揭示了临界水分煤样比其它含水率煤样更易低温氧化。理论分析了煤的吸水特性，指出煤中水分可分为外在水分、内在水分和化合水，并且外在水分对煤低温氧化有重要影响。葫芦素2-1煤的自然含水率为5.86%，饱和含水率为14.

5、19%，含水率设计梯度约为2%，实验煤样含水率依次为5.86%、8.04%、10.08%、12.01%、14.19%。水分改善了煤体孔隙结构，不同含水率煤样的真密度随含水率的增大而减小，而孔隙率随含水率的增大而增大。随着含水率的增大，煤空隙率逐渐增大，但导热系数逐渐减小，表明水分不利于煤体导热，但有助于煤体局部聚热。煤吸氧量是物理吸附与化学吸附共同作用的结果，随着煤温的升高，吸氧量先减小后增大，70℃是转折点；水分是影响煤吸氧量的重要因素，随着含水率的增加，煤吸氧量先增大后减小，在含水率12.01%处，煤吸氧量有极大值。（2）采用TG-DSC

6、联合法，研究了水浸煤的热行为，提出了煤自燃临界水分的热分析判定指标与方法。I根据曲线上的吸附温度（T1）、失水温度（T2）、吸氧温度（T3）、着火温度（T4）、燃尽温度（T5）等特征温度将煤自燃过程分为吸附增重阶段（T0-T1）、失水失重阶段（T1-T2）、吸氧增重阶段（T2-T3）、氧化分解阶段（T3-T4）、氧化燃烧阶段（T4-T5）5个不同反应阶段，建立了煤自燃的反应动力学方程；将不同2反应阶段的热重数据，依次代入9种不同动力学机制模型函数中进行ln[g(α)/T]对1/T的相关性分析，依据相关系数最大原则，确定了煤的吸氧增重阶段是1级

7、反应；基于Coats-Redfern积分法求解了相应区间的表观活化能，将煤样在水浸前后吸氧阶段的活化能差值与原煤样活化能的百分比定义为抑制率，提出用抑制率来评价水分对煤自燃的影响程度；根据抑制率最小准则，确定了2-1煤自燃临界水分约为12.01%。基于活化能指标建立了煤自然发火期模型，得到了不同含水率煤样的自然发火期分别为：36.5d、41.2d、32d、43.6d。（3）采用煤自然发火模拟系统，研究了不同含水率煤样的气体产物特性，建立了水浸煤自燃预测预报指标体系。水分对煤低温氧化的影响是双重的，既有阻化作用，又有催化作用，这主要取决于煤中水

8、分的多少。存在一个含水率，使煤自燃氧化过程中的CO与C2H4生成量大于其它含水率煤样。水分对煤自燃耗氧速率的影响分为3个阶段：在70℃以前，煤自燃耗氧速率与水分含量