硫含量对煤自燃特性的影响实验与模拟研究

为了探究硫含量对煤炭自燃特性的影响,寻找防治高硫煤自燃灾害的高效途径;使用程序升温实验系统、综合热分析仪(TG/DSC)对典型高硫煤和典型低硫煤的氧化过程进行分析;使用量子化学模拟软件对高硫煤常用阻化剂Ca(OH)_(2)、Na_(2)CO_(3)、MgCl_(2)和2种煤中典型有机硫结构二苯硫醚(C_(12)H_(10)S)、苯硫醇(C6H5SH)的络合作用进行计算。结果表明:高硫煤氧化过程中质量下降更快,放热量更大;热解失重和燃烧阶段中高硫煤的活化能相比低硫煤分别小9.16%和15.07%,高硫煤发生煤自燃的倾向更高;煤矿常用阻化剂中的Ca^(2+)、Na^(+)、Mg^(2+)可以与二苯硫醚和苯硫醇络合形成络合物,形成络合物后2种有机硫结构的化学反应活性降低,能够对煤自燃起到抑制作用。

金属离子(Na^(+)、Ba^(2+)、Ca^(2+))抑制煤中含氧官能团活性的量子化学研究

为探究煤矿阻化剂抑制煤自燃的机理,以煤分子侧链活性基团醛基(-CHO)、甲氧基(-OCH3)为研究对象,使用高斯量子化学模拟软件(Gaussian 16W),对-CHO、-OCH3活性基团及其与Na^(+)、Ba^(2+)、Ca^(2+)结合所形成配合物的几何构型、静电势、前线轨道、自然键轨道与电荷转移进行深入研究。计算结果表明:Na^(+)、Ba^(2+)、Ca^(2+)与活性基团结合形成配合物后削弱了-CHO活性基团与-OCH3活性基团的亲电反应能力并使二者失去了亲核反应能力,降低了基团的化学活性;金属离子的加入使活性基团的能级差(ELOMO-EHOMO)和活性基团的最高占据分子轨道(HOMO)能量绝对值增大,增加了活性基团结构的稳定性;自然键轨道理论分析(NBO)结果说明-CHO与-OCH32种活性基团能够与Na^(+)、Ca^(2+)、Ba^(2+)3种金属离子发生较强的配位作用,活性基团中O上的电子转移到Na^(+)、Ca^(2+)和Ba^(2+)上形成了配位键;活性基团与金属离子的结合减少了基团与氧接触的机会,对煤炭自燃过程起到了抑制作用。

长期水浸对不同烟煤自燃参数与微观特性影响的实验研究

为了更好地防治水浸采空区的自燃火灾,利用DSC,FTIR,XRD等手段研究长期水浸前后补连塔烟煤与西曲烟煤的微观结构及自燃特性变化。发现经过30~90 d的水浸后,煤样在低温氧化过程中的活化能降低1.73~7.94 k J/mol,且放热量增大,煤中—CH_2—,—OH,C—O等活性结构吸收峰变化显著。此外,水浸后煤中Si O2含量大幅降低,煤表面Si,Na,Ca,Fe,S等元素富集,矿物质的析出致使煤体膨胀、破碎,大于10 nm的孔隙增加4.61%~17.35%,提高了煤中氧扩散速率;同时,由于水浸后煤的抗拉强度最低降至0.192~0.495 MPa,完整的块煤更容易破碎,加剧了采空区自燃风险。煤中矿物组分与含量的差异导致水浸后补连塔与西曲煤自燃特性变化的幅度也有所不同。

密闭火区内惰性环境下烟煤自燃特性变化

在注惰后的井下密闭火区中,氧浓度较低,高温与惰性气体共存,高温与CO_2或N_2等惰性气体的共同作用会在一定程度上影响煤的自燃特性。以安徽淮北青东8号煤为例,在200℃下的惰性或低氧环境(CO_2,N2,10%O2)内对煤样预处理12 h。通过红外光谱、孔隙分析、热重测试研究煤样处理后的物理化学变化,并通过程序升温氧化实验对比煤的氧化产物浓度。结果表明,处理后煤样的活化能降低,临界温度降低,自燃特性增强,中孔及大孔的比例增加,渗透率和孔隙率明显增高;煤中C—O,C=O等活性基团增多,而—OH和杂原子官能团含量减少。煤表面形成各类裂隙孔隙相互沟通,增强了气体在煤中的流动性。

煤自燃模型化合物苯甲醚和苯甲醇的低温氧化

根据煤自燃理论及煤分子化学结构,选用苯甲醚和苯甲醇为煤自燃模型化合物,分别研究其中的甲氧基和羟甲基在20-130℃的氧化反应。程序升温测试其不同温度下的氧化产物,通过色谱分析对不同温度下模型化合物的氧化特性进行研究。结果表明,苯甲醚及苯甲醇低温氧化均产生一氧化碳、二氧化碳、苯和苯酚。在50℃之前,苯甲醚中的甲氧基氧化活性较弱,之后随着温度的升高而不断增加,但增加的幅度较为缓慢;苯甲醇中的羟甲基在70℃之前氧化活性较弱,当反应温度上升到70℃时,其氧化活性迅速增强;尤其是当温度达到120℃时,苯甲醇中的活性基团的氧化活性急剧增强。

气溶胶灭火技术防治采空区自燃火灾的应用潜力研究

为给采空区遗煤自燃防治提供新途径,介绍了冷热气溶胶灭火技术的机理与研究进展,分析了各类气溶胶灭火技术的原理、优缺点及适用条件。结果表明:溶胶灭火具有物理吸热、隔氧及化学抑制等多重效果,气溶胶粒子扩散迅速且能够在煤表面沉积,可以有效抑制采空区遗煤氧化。为分析气溶胶灭火技术抑制煤自燃的效果,利用超声波雾化发生含Mg、Al、Zn氯化盐气溶胶与Na OH气溶胶同时流经煤颗粒表面,协同处理煤样,经过气溶胶处理,生成金属氢氧化物沉淀后,表面官能团活性受到了不同程度的抑制,其中Al和Mg气溶胶对—OH结构的抑制较为显著,Zn气溶胶对C—O结构的抑制较为明显。

煤中可溶有机质对瓦斯吸附与解吸特性的影响

为了研究煤中可溶有机质对瓦斯吸附与解吸特性的影响,在常温、常压下,用四氢呋喃抽提了淮北矿区的青东8煤、许疃3煤和孙疃8煤中的有机质,对比分析了原煤和残煤的瓦斯吸附量,常压真空解吸量和放散初速度Δp的变化规律。结果表明:抽提后,青东8煤和许疃3煤瓦斯吸附量减少,抽提前后瓦斯吸附增量随压力增加先增大后减小,Δp减小;孙疃8煤瓦斯吸附量无明显变化,Δp增大;3种煤样的常压真空瓦斯解吸量均增大。分析认为:突出煤层中,瓦斯溶解于煤中可溶有机质,形成固溶体,增加了煤层瓦斯含量,提高了瓦斯放散速度,煤层突出危险性增大;非突出煤层中可溶有机质占据了部分孔隙,可减缓瓦斯释放,降低瓦斯释放速度。

面向安全工程专业的文献检索教学改革研究

文献检索的开设对提高高校学生的创新与应用能力培养具有重要意义。而传统的教学针对性不强,往往不能有效地结合学生的专业背景,满足学生的远景职业规划,促进学生综合素养的提升。本文以安全工程专业为背景,通过分析现状,改革教学方法与手段,发现加强专业课程学习,尤其是专业英语的学习,可提高文献检索课程的学习效率,使用案例教学,分组互动,并以毕业论文与就业为导向,有利于安全工程专业本科生文献检索技能与综合能力的提升。

近距离突出煤层群上保护层开采瓦斯治理技术

结合青东煤矿上保护层开采条件,采用FLAC3D软件模拟了上保护层开采底板卸压规律。研究结果表明:被保护煤层卸压瓦斯涌出率为30.0%～36.5%;上保护层开采后被保护煤层原始地应力由10.5～10.8 MPa降低为1.0～1.5 MPa;被保护煤层初始卸压位置为工作面回采至40～50m。根据研究结果制定了顶板岩巷穿层钻孔、顺层预抽、顶板高抽巷、上隅角埋管及上保护层回风巷下向穿层增裂钻孔的立体瓦斯治理技术。工程应用表明,卸压瓦斯占工作面瓦斯涌出总量的86.8%,被保护煤层瓦斯涌出率为30.4%,被保护煤层初始卸压位置为工作面回采至40 m位置。

煤氧化过程中CO生成机理的原位红外实验研究

为了明确煤氧化过程中CO的生成机理与生成途径,利用红外光谱仪与原位反应池,研究了煤低温氧化过程中,醛基、酮基与醌基3种官能团与CO产生规律的关联性,并对3种CO前驱体的表观活化能进行了推导计算。结果表明:煤在不同氧化阶段的CO是由不同的前驱体生成;3种CO前驱体生成的表观活化能值均小于CO释放活化能,CO前驱体生成反应速率大于CO前驱体分解反应速率;在煤低温初始氧化阶段,对于变质程度较低的褐煤,酮类化合物为生成CO的主要前驱体,而在变质程度较高的无烟煤中,CO释放的主要前驱体为醌类化合物。当煤体温度升高至80℃,醛基、酮基与醌基3种官能团的化合物共同作为煤氧化生成CO的前驱体,当煤体温度高于150℃,醛类化合物为生成CO的前驱体,与煤种无关。

黄白茨矿采空区自燃危险区域“三位一体”预测应用

运用采空区束管监测,得出采空区自燃危险区域指标气体分布情况及流场气体运移规律。在此基础上对工作面采空区气体流场进行三维稳态数学建模,确定了采空区氧体积分数分布及自燃危险区域范围,同时应用同位素测氡技术探测地表氡异常区域进行验证,形成井下监测-计算机模拟-地表验证"三位一体"的采空区自燃危险区域预测的理论体系。将此方法成功应用于黄白茨矿1293工作面采空区,结果表明在当前工作面通风和回采进度条件下,采空区氧气带呈不规则"O"型分布,采空区煤自燃危险区域(氧气体积分数10%~15%)呈"U"型分布在距离工作面进风巷100~450 m,回风巷70~250 m,中部距离工作面50~140 m处。研究成果为采空区煤自燃区域精准探测提供了借鉴。

临涣煤矿7煤层瓦斯赋存主控因素分析

为了减少瓦斯对煤层开采的影响,在7煤层矿井基本资料、瓦斯涌出量、瓦斯参数测试统计的基础上,对该煤层褶曲、断裂、煤层埋深、煤体变质程度进行分析考察。结果表明,7煤层瓦斯赋存影响的主要因素是断裂构造、煤层埋深,正断层附近瓦斯含量和同标高煤层瓦斯含量相比明显偏低,瓦斯含量整体上随煤层埋深增大而升高。褶曲、煤体变质程度等局部区域地质构造对瓦斯赋存的影响具有不均衡性,造成了东部区域瓦斯含量和西部相比偏高。

基于激波理论的新兴煤矿煤与瓦斯突出事故研究

通过分析新兴煤矿煤与瓦斯突出事故,发现在事故中由于煤与瓦斯突出事故诱发了激波的生成,瞬间产生的巨大超压,引起风流逆向,大量瓦斯随逆向风流从突出地点扩散传播至二水平,接触卸载巷电机车架空线所产生的电火花,从而引发瓦斯爆炸事故。提出了突出激波对事故的影响并分析了突出激波的形成及其破坏作用,研究了影响突出激波破坏作用的影响因素,得出参与突出的瓦斯量和瓦斯压力是影响激波强度的关键因素。有助于了解突出后的气流动力演化规律,并为煤与瓦斯突出事故的防灾、救灾措施的制定以及提高矿井的抗灾能力提供了参考。

亚烟煤低温氧化元素迁移规律及原位红外实验

基于动力学与热力学理论,研究了煤升温过程中C,H,O,N,S五种基本元素的迁移转化规律,同时根据红外实验分析了煤中主要官能团变化趋势。结果表明,煤样在物理吸附和化学吸附阶段,碳氧化合物变化占主导地位,在化学反应阶段,碳氢化合物和含氮化合物变化频率超过碳氧化物。低温氧化过程中,H元素的表观活化能最小,N元素表观活化能最大,而O,S元素的表观活化能为负值,C,H,N元素迁移过程为吸热反应,O,S元素转化过程是放热反应。煤中脂肪族C—H在煤温上升的过程含量逐渐降低。煤中COOH含量与总体的C=O含量变化趋势一致,当温度超过120℃以后,两者含量逐渐增加,此外对煤低温氧化过程涉及到的化学反应步骤也进行了研究推导。

突出煤层保护层开采及瓦斯抽采效果考察

国投新集二矿为了实现突出煤层6-1煤的安全高效开采,根据矿井煤层群赋存及突出危险性情况,采取了开采保护层措施,由于不具备测定残余瓦斯压力和含量的条件,被保护层也没有进行瓦斯抽放,因此主要从效果指标预测和瓦斯涌出考察两方面对W1607工作面保护效果和消除突出危险性进行了考察。对指导工作面瓦斯抽放、顶板高抽巷及高位钻孔设计,确保安全回采具有重要意义。

低位放顶煤采空区自燃区域划分与注氮口位置确定

为了提高煤矿注氮防灭火技术的惰化效果,以塔山矿8202综放工作面为背景,通过布置束管和温度监测系统,连续监测采空区内各测点CO、O_2浓度和温度数据,绘制O_2浓度分布等值线图,拟合升温速率,判定划分采空区自然发火危险区域。结果表明:采空区进风侧距工作面30~170 m,回风侧距工作面30~220 m的区域为自燃危险区域,通过对比注氮流量为2 500 m^3/h时,注氮口位置(工作面后方50、100、150、200 m)对惰化效果的影响,发现对于低位放顶煤采空区,延伸注氮口位置于工作面后方150 m处时,自然发火危险区域缩短约60 m,采空区深部CO体积分数显著降低,并稳定为19×10^(-6)左右,稀释氧气惰化效果最佳。

聚乙酸乙烯酯乳液复合阻化剂阻燃煤的试验研究

为探究高分子材料复合阻化剂的阻化性能,制备聚乙酸乙烯酯乳液,分别与氯化镁(MgCl2)、抗坏血酸、镁铝层状双氢氧化物(Mg/Al-LDHs)复配,制成3种乳液复合阻化剂,并以清水和MgCl2水溶液作为对比阻化剂,分别处理煤样;采用程序升温氧化试验装置对煤样完成程序升温氧化试验,对比分析乳液复合阻化剂与对比阻化剂的阻化效果。结果表明:MgCl2乳液复合阻化剂的阻化效果优于MgCl2水溶液阻化剂;乳液复合阻化剂处理后的煤样,阻化率和活化能都有所提高;Mg/Al-LDHs乳液阻化效果最优。

低阶煤自燃指标气体与氧化特征温度实验研究

以4种低阶煤为研究对象,通过程序升温氧化实验和热重分析实验,研究煤升温氧化过程中各指标气体浓度及煤样质-热与温度的关联性。对比同一温度下不同煤样产生指标气体浓度,发现煤变质程度越低,氧化越剧烈,得出以CO为主,H_2、C_2H_4和C_2H_2为辅来进行预测预报的自然指标气体体系;同时确定各煤样特征温度,对煤自燃过程进行阶段划分,提高现有煤层自然发火宏观特性的认识。

用粉煤灰防治煤矸石自燃灾害的试验研究

为研究粉煤灰与煤矸石混合后的阻燃机理,选取山西晋城成庄矿和官地矿的新鲜煤矸石样,通过加入不同量的粉煤灰,并增加黏土添加剂,测试其在程序升温条件下,即30-180℃范围内的指标性气体CO体积分数的变化趋势,并计算临界温度。结果表明,加入不同量的粉煤灰后,CO的产生量减小,临界温度也发生不同程度的变化;且随着粉煤灰加入量的增加,CO产生量和变化率越来越小,临界温度越来越高;而加入黏土对煤矸石CO产生量和临界温度的影响较小。说明粉煤灰对煤矸石的氧化有阻化作用。

煤层压裂支撑剂的制备及性能研究

以二级乙等铝矾土和工业废料粉煤灰、煤矸石为原料,采用常压高温烧结技术,在温度为1 250~1 450℃烧结制备出了适用于煤层压裂的陶粒支撑剂,并对其进行树脂覆膜预固化处理。探索了不同原料配比、覆膜对陶粒支撑剂的性能影响;利用SEM、XRD和破碎率等分析手段,研究了烧结温度对陶粒的晶相结构、显微形貌、密度和强度的影响。研究结果表明:当铝矾土加入量为40%、粉煤灰20%、煤矸石40%,烧结温度在1 350℃时,制备出的陶粒支撑剂体积密度为1.37 g/cm^3,视密度为2.63 g/cm^3,35 MPa闭合压力下的破碎率为6.98%,通过树脂包覆陶粒后,其强度进一步提升,破碎率低至2.23%。