低共熔溶剂抑制煤自燃的机理

化学阻化是防治煤自燃的重要手段之一,提出了一种基于低共熔溶剂(DES)的类离子液体阻化方法。首先,采用加热法制备并筛选了7种室温低共熔溶剂,分析了不同DES处理后煤样的官能团及热力学特性变化规律,在此基础上采用密度泛函理论分析了DES中氢键强度对煤理化性质的改性差异,推导了低共熔溶剂的阻化机制及其最佳氢键强度。研究结果表明:DES处理后煤中氢键网络被破坏重排,脂肪烃与芳香烃相对丰度增加了10%~37%,脂肪族支链结构参数降低了9.38%~20.65%,含氧官能团(C=O和C—O)相对丰度下降了22.88%~56.94%,游离的小分子化合物和矿物质被溶出。DES处理后煤的蒸发脱附阶段质量损失和吸氧增重阶段的吸氧量减小,低温氧化阶段和热分解阶段放热量降低,减小幅度分别为8.94%~77.51%和5.40%~26.20%。氢键受体(HBD)作用点位电负性越强,与氢键供体(HBA)形成的DES团簇氢键强度越大。DES中氢键强度与煤中氢键网络破坏程度呈正相关关系,与吸氧增重阶段的吸氧量和低温氧化放热量及矿物质脱除率呈局部相关性。DES通过溶解煤中活性成分削弱煤的低温氧化强度。并通过促进氢键重排,将低热稳定性氢键转换为热稳定性更高的环状氢键四聚体和OH—N氢键,以此提高煤的断键吸热量。但过高的氢键强度将会抑制活性侧链的脱除和溶解,因此抑制煤自燃的低共熔溶剂的最佳氢键强度应控制在69.45~160.00 kJ/mol。

地面直井大液量水砂压裂增透技术研究与应用

新元煤矿现主采3号煤层,整体呈北高南低的单斜构造,北边布置有四、五采区为区域预测无突出危险区,南边布置有二、十采区为突出危险区。针对3号突出煤层瓦斯含量高、渗透率低、瓦斯突出危险性高等问题,在3号煤层二采区、十采区工作面对应的地面上方设计施工了36口压裂井开展地面井大液量水砂压裂增透工程,综合考察压裂前后煤层瓦斯含量、突出危险性指数等变化情况,评价地面井水砂压裂技术在瓦斯治理中的作用。结果表明,通过采取地面井水砂压裂措施,提高了煤层透气性,有效降低了煤层瓦斯含量和井下瓦斯突出风险,保障了煤矿安全开采,并且缩减了井下瓦斯治理周期,提高了煤矿采掘效率。

煤田火区氧化煤分阶催化气化及作用机理

煤田火区热量较大,火区高温会对周围煤体造成影响,在火区受到有效控制或蔓延至其他区域后,往往在火区边缘或邻近煤层形成数量较大的氧化煤。与原始煤炭相比,氧化煤热值低、灰分高,难以作为常规燃煤利用,目前多与优质煤混合利用,导致混煤整体燃烧热值降低且炉渣量增加,严重影响电厂锅炉运行效率。为了更好地利用氧化煤,实现资源利用最大化,提出了氧化煤的分阶催化气化思路,并提出使用价格低廉的膨润土作为高温阶段的催化芯材,通过分阶式催化剂分别实现氧化煤气化过程的初期快速活化和后期催化气化,从而实现氧化煤高效气化利用。采用X射线衍射、扫描电子显微镜和孔隙分析表征氧化煤催化气化过程中关键结构演变特征,并利用热重质谱联用开展气化实验,通过特征参数分析气化前期和后期反应特点。结果表明:分阶式催化剂由外层K_(2)CO_(3)和内层膨润土构成,其表层K_(2)CO_(3)能明显促进氧化煤初期热解过程中孔隙结构的形成,在气化初期产生大量微孔结构,增加氧化煤与气化剂CO_(2)的接触面积,提高氧化煤反应活性;含Na+阳离子的膨润土可以在高温阶段发挥稳定催化作用,弥补了K_(2)CO_(3)在高温阶段易挥发和失活的缺陷。在分阶式催化剂作用下,碳晶格单元的生长速度减小。这表明分阶式催化剂可以插入碳芳环的边缘,导致内部晶格出现缺陷,从而有效抑制氧化煤焦的石墨化进程,保证连续催化气化反应。当K_(2)CO_(3)和钠基膨润土的质量比达到1∶1,整体催化气化效果最佳。分阶式催化剂在热解阶段也起到一定的催化作用,能促进氧化煤热解脱挥发分释放出氢气。在气化反应阶段,分阶式催化剂能有效降低氧化煤气化反应温度以及合成气产率峰值温度,提高气化反应速率。CO和H_(2)体积分数峰值对应温度的降低幅度分别达到97.4、129.1℃,具有明显的催化效果。氧化煤的分阶式催化气化高效制取合成气为火区氧化煤高效利用提供了新思路,可避免大量火区滞留煤炭资源的浪费。

煤低温阶段吸氧特性的研究

为了深入了解煤氧复合机理,对煤低温阶段的吸氧过程进行了理论分析,并利用色谱吸氧法对煤低温阶段的吸氧量进行了测定。结合测试结果,分析了煤吸氧量随煤变质程度、温度的变化趋势,阐述了煤物理吸氧和化学吸氧之间的关系及其在煤自燃过程中的作用,并对现行色谱吸氧鉴定法进行了分析。

煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律

大规模高强度回采和深部开采常导致顶部裂隙煤岩体失稳、漏风及其次生灾害。钻孔注浆是封堵裂隙和加固煤岩体的主要手段之一。由于煤岩裂隙高位注浆研究相对滞后,井下高位注浆施工设计缺少足够的依据。为探究煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律,以任意倾斜有限边界的光滑平板裂隙和宾汉流体为研究对象,建立裂隙高位注浆扩散数学模型并进行数值模拟求解,分析不同裂隙倾角和注浆速率下浆液在裂隙流动过程中的扩散锋面、流量分配及压力场变化规律;在此基础上,建立浆液高位流动数学模型,并推导恒定注浆速率工况下的解析解。研究结果表明:根据扩散锋面的演变规律,浆液流动过程可分为自由扩散阶段、过渡阶段和受限堆积阶段3个阶段。裂隙倾角对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐减小,注浆流速对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐增大。过大的裂隙倾角加大了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变,而过大的注浆速率减缓了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变。注浆速率和裂隙倾角的增大均会导致注浆压力增加,且在浆液进入受限堆积阶段后注浆压力发生突变。以高位流动扩散形态的等效圆半径临界状态为界,高位流动可划分为扩散阶段与堆积阶段,不同阶段内反演得出的等效圆心角与注浆速率、裂隙倾角和注浆时间具有较好的相关性。根据对比分析结果,浆液高位流动数学模型中相对误差低于20%的样本占97%,相对误差低于10%的样本占78.4%,表明浆液高位流动数学模型具有一定的合理性。浆液在不同时间段内向高位裂隙深部扩散的范围受到裂隙边界影响,只有当底部裂隙空间被填充完毕后浆液才会在裂隙边界的支撑下向深部堆积,因此在现场高位注浆设计时应先探明裂隙区域的边界范围。针对上覆煤岩表层区域范围的裂隙封堵时可采用较低的注浆速率以延长自由扩散阶段时长,实现底部裂隙空间的快速封堵。对煤岩裂隙深部区域进行注浆充填时可先使用较高的注浆速率进行注浆,当压力表发生突变后表明浆液已进入受限堆积阶段,此时可降低注浆速率,使注浆压力控制在安全可控范围内。

煤中活性基团的氧化及自反应过程

现有的煤自燃反应模式中,煤直接氧化和煤氧吸附分解两个序列已得到证实,但其能否全面反映煤自燃过程仍存在质疑。基于这一现状,对煤中活性基团的氧化与自反应过程进行了研究。采用傅里叶变换红外光谱技术分析了不同变质程度原始煤样中基团的基本情况,从含氧基团、烷基侧链、含硫基团等类别分别对煤中原生和次生活性基团进行了分析,明确了煤中基团的分布情况。系统测试了活性基团在不同条件下的实时变化情况,从微观上论证了活性基团的自反应。采用红外光谱原位测试技术,以内置反应池为煤样载体,通过外置供气系统和控温装置模拟不同的反应条件,实时测试了供氧、无氧和无氧反应后供氧等条件下煤反应升温过程30～220℃范围内的红外光谱。研究表明:供氧反应过程中,低阶煤中活性基团在初始阶段存在先减后增现象,不同基团的拐点温度差别较大,其中,较低者40～50℃,较高者130～140℃;无氧反应过程的变化趋势与供氧反应类似,但基团数量减小25%～80%,拐点温度约降低10℃;无氧反应后煤样的供氧反应过程中,活性基团的初期减小现象基本消失。上述变化规律表明部分活性基团可在无氧条件下自发反应。供氧和无氧反应过程初期,煤中原生活性基团因反应被消耗,而次生活性基团的生成又存在滞后性,导致活性基团总量的暂时性减小;而在无氧反应后的供氧反应过程中,大部分原生活性基团已在无氧反应中被消耗,后续供氧反应过程的原生活性基团自反应较弱,基团总量随次生基团产生而逐渐增多,初期减小现象消失。为了进一步证实煤中活性基团的自反应,采用色谱分析技术对供氧、无氧、无氧反应后供氧等3种条件下活性基团反应过程的产物进行了研究。结果表明:3种条件下煤中活性基团的反应过程均能产生不同种类的产物;供氧条件下的产量和增速最大,无氧条件下的产量和增速最小,无氧反应后供氧条件下的产量和增速与直接供氧相比均有不同程度的减小;煤中活性基团的自反应能够生成各类产物,但其反应强度明显小于供氧反应。在证实煤中活性基团自反应的基础上,提出了煤自燃过程的三序列反应模型,认为除已被验证的煤直接氧化和煤氧复合分解反应外,煤自燃过程还存在活性基团的自反应,并推导出了CO、CO2、H2O等主要产物的形成过程,指出煤中原生和次生的羰基、羧基和羟基分别是其形成的主要物质基础,阐明了煤自燃过程的反应模式。煤自燃实质上是活性基团氧化反应与自反应共同作用的结果,两者之间共生互存、相互促进;但活性基团的自反应无法孤立存在,它需要氧化反应放出的热量作为原始促动力。采用活性基团的氧化与自反应理论阐释了煤自燃过程的部分宏观特性。由于煤自热初期只有原生活性基团和少量次生活性基团参与反应,反应强度小,而后期大量次生活性基团生成并迅速发生链式反应,反应强度迅速增加,导致煤自热过程的分段性;高阶煤中原生活性基团较少,且次生活性基团较难生成,低温反应初期(30～50℃)的基团总量呈减小趋势,导致高阶煤在该阶段的耗氧速率相应减小;水分抑制了活性基团的运移和热量传递,降低了活性基团接触反应的几率,导致高水分煤的反应升温过程存在延滞效应;低温干燥条件下,难反应的含硫结构覆盖在煤粒表面,阻碍了活性基团的接触反应和热量传递,一定程度上抑制了活性基团反应。

“矿井通风与安全”研讨式教学法设计与实践

"矿井通风与安全"是采矿工程和安全工程的核心课程之一。该课程的前期教学过程中,一般采用传统式的教学方法开展课堂教学,缺乏与学生之间的充分研讨、交流,缺乏启发式、互动式的教学效果。基于这一现状,我们近年来开展了该课程的研讨式教学方法设计与实践。教学效果表明,研讨式教学法为学生提供了更多的互动和研讨环节,提高了学生在教学过程中的参与度,显著提高了教学效果和学生对知识的把握程度,效果十分明显。本教学实践能够为同类课程和其他相关课程的教学过程提供借鉴。

“地下工程火灾防护”课程思政教学方式设计

为了给新时代社会主义建设提供合格的建设者和接班人,在专业课程教学过程中实施课程教育,是新时代高校教育教学改革的新命题。“地下工程火灾防护”是中国矿业大学(以下简称我校)消防工程的核心课程之一。基于这一指导思想,此教改活动充分利用“地下工程火灾防护”专业课程的教学过程,实施隐形思政教育。通过有意识地设定教学环节,将新时代社会主义核心价值观巧妙地融入专业知识讲授过程中,实现了“润物细无声”的思政教学效果,师生共同努力,同做新时代中国特色社会主义核心价值观的坚定信仰者、积极传播者、模范实践者,效果十分明显。本课程思政探索与实践能够为同类课程和其他相关课程的教学过程提供借鉴。

煤自燃中的各种基元反应及相互关系:煤氧化动力学理论及应用

针对煤结构及其反应的复杂性,在综合分析煤中活性基团种类、结构形式及其在反应中转化特性的基础上,构建了煤自燃中的活性结构单元,采用前线轨道理论和量子化学计算分析了活性位点上的电子转移及其完整反应路径、活化能及放热量,建立了煤自燃过程中的13个基元反应及其反应顺序和继发性关系,揭示了以氧气引发的持续将煤中原生结构转化为碳自由基并释放气体产物的低活化能链式循环的煤氧化动力学过程,提出了煤氧化动力学理论,阐明了煤自燃产热产物的反应机理,该理论在煤自燃倾向性鉴定和煤自燃高效化学阻化技术研究中得到了成功应用。

煤实验最短自然发火期的快速测试

基于煤实验最短自然发火期确定煤的自燃倾向性是一种科学、可靠的鉴定方法。但由于在实验室测试煤在绝热条件下的实验最短自然发火期周期长,难以实现测试的标准化,此方法的应用受到限制。因此研究煤实验最短自然发火期的快速测试方法具有重要意义。通过理论分析与实验研究,确定70℃时煤样罐出气口的氧气体积分数(C70)与交叉点温度(Tcpt)是分别能体现出煤在低温缓慢氧化阶段及快速氧化阶段氧化升温特性的特征参数。通过程序升温测试煤低温氧化过程的特征参数C70指标和Tcpt指标,实现了煤实验最短自然发火期的快速测试。基于程序升温测试得到的实验最短自然发火期与绝热测试结果的一致性表明了此方法的准确性、可靠性及基于实验最短自然发火期确定煤的自燃倾向性的可行性。

浸水过程对长焰煤自燃特性的影响

为揭示长期浸水长焰煤的自燃特性及影响机制,实验研究了长焰煤原始煤样和长期浸水风干煤样的低温氧化特性,分析了长期浸水对煤微观结构、氧化升温过程及活化能等方面的影响规律。研究结果表明:长期被水浸泡煤样的表面孔隙结构更发达,平均孔径、介孔孔容和微孔孔容都有不同程度的增大;同时,浸水煤样表面的部分有机物和无机物会溶解在水中,煤中自由基浓度增加,基团分布与原煤相比存在明显变化;与原煤样相比,经过90,180 d浸水过程后的煤体,低温氧化过程的气体产生量和产生速率更高,交叉点温度由原煤的160.9℃降低至157,151.5℃,活化能分别降低了3.84,4.18 k J/mol,表现出更高的自燃倾向性。研究结果可为西部浅埋藏近距离煤层群开采上覆采空区长期浸水煤的自燃防治提供借鉴。

1950—2016年我国煤矿特大事故统计分析

收集整理了1950—2016年我国煤矿发生的特大事故,从时间、地域、经济类型、事故类别角度进行分类统计,并以特大事故发生的影响因素为基础展开分析和讨论。统计得,1950—2016年我国共发生煤矿特大事故294起、死亡16 223人。1958—1962、1973—1981、1985—2010年,5、11、12月是特大事故多发的历史时期和月份。1950—2016年,山西、河南、黑龙江3省特大事故共计发生108起最为严重,国有矿井的特大事故起数和死亡人数显著高于其他所有制矿井占比约65%。瓦斯(煤尘)爆炸事故起数达其它类型事故起数的7倍以上,是特大事故的绝对主体。此外,产量、安全投入分别与特大事故发生率呈正、负相关,危险源特性对煤矿特大事故的发生起决定作用。

基于CO浓度的煤低温氧化动力学试验研究

为了研究煤低温氧化过程的分阶段特性以及不同阶段所表现出的动力学特征,采用气相色谱仪测定在程序升温条件下煤样在不同温度时氧化产生CO的浓度,研究发现CO浓度与温度呈多项式的关系,并以此作为煤氧反应函数模型;按照动力学分析积分法分段进行拟合发现,测试煤样在30～80℃不具有线性关系,拟合效果很差;在80～200℃的相关系数达到0.99以上,拟合效果很好。研究结果表明:煤低温氧化过程中,在临界温度点前后不仅其动力学参数有差异,且只用一个反应函数模型可能不能充分解释其反应机理。

干燥条件下高硫煤低温氧化特性研究

为进一步揭示不同环境条件下高硫煤的低温氧化特性,选取含硫量较低、自燃倾向性较高的褐煤,向其添加不同比例的FeS2,配制成含量分别为3%,5%,7%的混合高硫煤样,利用中国矿业大学自行研制的煤氧化模拟试验系统,测试分析干燥混合煤样在低温氧化过程中,交叉温度和指标气体CO产生量体积的变化。试验结果表明,在低温干燥的条件下,随着FeS2含量的增加,煤样的氧化特性受到抑制:交叉点温度升高;指标气体CO产生量在相同温度时体积降低。因此,在高硫煤层自燃火灾防治过程中,应尽量控制煤层周围环境的干燥度。

煤低温恒温氧化过程反应特性的试验研究

为进一步揭示煤低温氧化机理、指导煤矿安全开采过程中的煤自燃火灾防治工作,根据CO,CO2是煤低温氧化的主要气体产物这一反应特性,同时CO是判断煤自燃程度的重要指标性气体这一工程实际,采用恒温试验方法研究某烟煤在30℃,50℃和70℃解吸附和解吸附后再氧化过程中的CO,CO2气体产物的产生特性。研究结果表明,新鲜煤中就存大量活泼的络合物,并且这种络合物在高于常温的情况下就可以自身发生分解,产生的主要气体产物为CO2,在较高的温度下,CO的生成量才逐渐增加;在煤的低温氧化阶段,煤与氧气发生的化学反应并不强烈,气体产物CO和CO2主要由络合物分解产生。因此,在煤自燃火灾防治时要及时控制煤在低温情况下,由于络合物分解放热而使煤温逐渐升高从而导致自燃发生。

煤自燃倾向性鉴定方法不合理性分析

总结和评价了目前主要采煤国家采用的煤自燃倾向性测试方法。从煤自燃机理、物理吸附氧本质以及表面的不均一性方面论证了我国现行煤自燃倾向性测试方法原理的不合理性;从试验方法、仪器管理等方面提出了其操作的不适宜性;将试验测试数据与实际自燃情况进行对比,验证了该方法与实际情况的不吻合性。然后通过对5种不同矿区的煤样进行试验,得出了吸氧量随粒径、温度变化的规律。最后在分析和试验的基础上提出了一种体现煤自燃全过程的自燃倾向性鉴定方法的新设想,对于补充和完善我国煤自燃倾向性测试方法有借鉴意义。

煤物理吸氧量随温度及粒径变化规律的试验研究

通过试验测定了30℃时5个煤样于不同粒度下的物理吸氧量及其自燃倾向性、4种0.096~0.15 mm范围的煤样于不同温度下的物理吸氧量,并总结出煤样的物理吸氧量随粒径及温度的变化规律:为避免物理吸氧量会因煤样粒度分布的不同而改变现象的出现,粒度跨度不大于0.25mm;煤的物理吸氧量随温度的升高而减小,且初始吸氧量大的煤样减小得也快;30℃时的物理吸氧量不能代表整个温度范围内煤的物理吸氧量,且不能体现动力学性质。

《矿井火灾防治》研究生课程教学效果分析与思考

《矿井火灾防治》是安全科学与工程专业研究生的主要课程之一。本文系统分析了该课程的设置及发展现状,指出了现有教学过程的两个不足,在此基础上提出了相应的研讨式教学改革思路,并在实际教学过程中进行了探索和实践。教学实践结果表明,该教学方式能够切实提高研究生学习的积极性和主动性,更好地培养学生在解决实际矿井火灾问题的能力。本文研究成果能够为其他安全学科研究生核心课程的教学改革提供有益的借鉴。

安全科学与工程专业研究生创新能力培养研究

在安全科学与工程专业的研究生教学过程中,传统教学方法无法取得启发式、互动式的教学效果,学生难以获取对知识更深层次的理解。本文以“矿井火灾防治”研究生课程为例,提出安全科学与工程研究生创新能力培养思路,并进行相应教学方法的设计与实践。实践效果表明:该方法能够促使研究生更深层次地思考相关知识点,帮助学生形成基于课本知识发现并解决工程实践问题的能力,同时明显提高他们的学术思考能力和创新创造意识,使教学效果得到提升。

2000—2016年我国煤矿重特大事故统计分析

为遏制重特大安全事故,于公开发表或出版的文献资料中对2000—2016年我国煤矿重特大事故进行了收集整理,从时间、地域、经济类型、事故类别等角度进行分类统计,并结合煤矿重特大事故预防的困难性给予研究解释。2000年以来,我国煤矿重特大事故起数和死亡人数呈波动下降趋势; 3、4、5、11、12月是我国重特大事故的高发时期,是加强煤矿安全监管的重要时期;山西、黑龙江、河南、贵州、湖南5省重特大事故数量和死亡人数最多,是煤矿安全监管的重点区域;非国有煤矿重特大事故发生概率极高,是煤矿安全监管的重要对象;热动力灾害事故是煤矿重特大事故的主体,是科学研究、安全监管和投入的关键所在。煤矿危险源广布、无法彻底消除,现有技术无法长期有效治理;煤炭产量大,开采与安全保障技术、管理水平发展不平衡,是重特大事故预防困难的根本原因和直接原因。