新矿集团某矿煤层自燃特性研究

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1、新矿集团某矿煤层自燃特性研究第一章绪论1.1煤层自然发火研究的意义在我国矿产资源中，煤炭资源相当丰富，煤炭的总产量和消费量都排在世界前列。与此同时，我国由于煤炭自燃引起的火灾也十分严重[1]，数据显示，在我国的能源工业之中，存在煤自然发火隐患的煤矿大约占一半左右，而且发生次数频繁，影响重大[2]。众所周知，煤炭自然发火是矿井火灾发生的主要诱因，煤炭自燃一旦发生，火势将很快蔓延，并引发更大范围的火灾，不仅严重影响着矿井的生产安全，同时也往往会造成巨大的经济损失。据统计，在我国，约50%的矿井面临煤层自然发火的风险，国有重点矿井中约20%的矿井面临自然发火风险，火灾总数中自燃原因

2、引起的矿井火灾达90%以上[3-4]。近年来，随着放顶煤开采技术与瓦斯抽取技术的广泛采用，采空区遗留残煤、漏风等问题进一步加重，加剧了煤炭自燃火灾事故的发生频率，严重威胁着矿井的生产安全。另外，煤炭自燃也将造成巨大的资源浪费与经济损失，据统计，在我国北方七省，仅煤炭火灾造成的煤炭损失达40亿吨以上[5]。因此，研究煤的自然发火过程，有效预测煤炭自燃火灾事故的发生已经迫在眉睫。根据火灾现场观测，煤自燃火灾发生的地点难以准确定位，由经验可知，煤柱、采空区或是冒顶处[6]的位置是火灾易发地带，主要这些地方不易于通风。由于煤自燃过程相当缓慢，而且不会有火焰出现，所以矿井工人很难发现火

3、源，这就给煤自燃火灾的预测工作带来了难处，火灾一旦被发觉，就可能已经造成严重的后果。由于矿井下巷道狭窄，再加上工作人员密集，万一发生火灾，人员不易于疏散，火灾持续的时间会很长，这便加重火灾造成的损失。矿井下发生的火灾同时伴有大量的CO，这样很容易造成井下的工作人员中毒，甚至死亡。此外，煤自燃火灾会对我们的生存环境造成极大的影响，例如土地、水、植物、大气都会因此受到污染。煤矿自燃火灾能够引发瓦斯和煤尘等爆炸灾害，极大地威胁到人的生命和财产安全，同时，不利于煤炭行业的快速发展，影响了社会稳定。.1.2煤自燃研究的国内外现状我们知道煤的自燃影响因素众多，可以从内部和外部因素看，其中

4、，煤所处在的环境蓄热条件和散热的条件是影响煤自燃的外界因素；而煤的自身分子结构单元中活性基团的数量、种类和分子的空间结构特性是影响煤自燃的内部的因素[14-17]。内部和外部因素是影响煤自燃缺一不可的条件。徐精彩和葛岭梅教授[18]在《易自燃煤层火灾隐患识别及研究报告》中，通过分析煤的分子结构，以及经过对比煤的相似有机结构的氧化特征，总结了7种有利于煤发生氧化反应的煤分子表面结构，这些分子结构具有很强的活性；并据此推断出不同种类的表面活性结构在煤处于低温条件下的三步氧化反应及其反应机理。余明高等在乌达烟煤的微观结构与自燃的关联性分析中借助于傅里叶变换红外光谱仪分析，确认了乌达

5、烟煤微观结构中所含的各类官能团[19]，煤中主要含三类含氧官能团，它们是羟基、羧基和醚键，他指出：其一，煤的变质程度比较低，其二，煤中存在含氧官能团可以增强煤的氧化反应活性，当这些官能团与空气接触时，就会很容易地发生氧化反应，生成了一些不是很稳定的过氧化物等，这些过氧化物是官能团的中介产物，它们会进一步发生分解并放出大量的热，从而能够增加煤体内的温度，加大了煤自燃发生的可能性。陆伟等在煤低温氧化结构变化规律与煤自燃过程之间的关系研究一文中[20]，利用红外光谱对煤处于不同氧化温度条件下的分子结构的变化进行了大量的测试，陆伟在这篇文中得出的结论：煤自燃的过程是一个由于煤结构中所

6、含有不同的官能团，他们因为活化时所需求的温度与能量各不一样，最开始被活化后发生了氧化反应的那些官能团所释放出的能量能够促使其它那些只有在更高的活化温度和能量条件下的官能团活化，从而让他们能够发生氧化反应同时释放出大量的热量，即不同官能团依次逐步渐进地活化后与氧气发生氧化反应放出热量的自加速升温的过程[20]。..第二章煤体自热阶段孔洞热平衡机理分析2.1煤自热阶段的热点及其热平衡分析煤自然发火自热阶段的热点学说认为，当环境热作用于煤体时，环境热转化为热能，而这种热能不是均匀分布而是集中在煤内部某些局部的孔隙上，这主要是因为，在煤体的孔隙内储存了充足的可燃气体，一定温度下，这些

7、气体与周尺寸足够大时，这些孔洞就会成为煤自然发火反应的中心热点，并促使局部孔洞首先发生自燃反应，然后迅速传播至全部。一般研究认为，热点扩展为煤自然发火点的临界条件为∶热点温度为300～600℃，半径为100～300nm。.2.2热点学说的验证本实验所采用模拟煤自燃的实验仪器主要有恒温箱和扫描电子显微镜。实验所采用的是电热式恒温箱，并装有电热器和温度调节器，其中关键的控制部分主要有温度探头、制冷压缩机和热风机（直接用电阻丝加热），如图2.2所示。其工作原理是：温度探头的测量端伸在恒温箱内部的空气中，不能与