基于氧化动力学的煤自燃倾向性测定方法与装置

煤自燃倾向性表示煤自然发火的难易程度,是矿井防灭火工作的重要基础。国内外现有的煤自燃倾向性鉴定方法多采用局部、静态和单一的测试手段,所得到的指标参数也只能反映煤自燃的局部阶段特性,而煤自燃是一个复杂的非线性动态发展过程,因而现有方法无法实现煤自燃倾向性的准确鉴定。针对这一现状,本作品首次提出了以煤自燃全过程为研究对象,以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础,以多参数综合测试方法为手段的煤自燃氧化动力学研究新思路。针对不同阶段的反应机制,研究选取了程序升温条件下煤温达70℃时煤样罐出口氧气浓度和交叉点温度作为煤低温氧化阶段和快速氧化阶段的特征参数,提出了能反映煤自燃全过程的氧化动力学综合判定指数I,并给出了计算公式。采用自行构建的测试系统对国内24个主要矿区200多个煤样测试分析的基础上,提出了I作为划分依据的煤自燃倾向性分类标准。该法已被批准为国家安全生产行业标准(编号:AQ/T 1068-2008),并于2009年1月1日起开始在全国正式实施。

煤炭是我国的主要能源,但我国煤炭开采面临十分严重的自然灾害,煤自然发火是其中的主要自然灾害之一。据统计,我国开采的煤层有自燃倾向性的占开采煤层总数的79.93%,国有重点煤矿开采厚煤层的矿井基本上都存在自然发火问题。煤自燃会产生大量有毒有害气体,严重危及井下人员的生命安全;煤自燃还常诱发瓦斯、煤尘爆炸,造成重特大恶性事故,给矿井带来巨大的灾难。在我国新疆、宁夏、内蒙还存在大面积的煤田火灾,每年烧损的煤量达1300万吨,经济损失超过200亿,并造成对地下水的污染和地表植被、大气环境的严重破坏。此外,在煤炭运输和储存过程中,煤自燃灾害也十分严重。煤的自燃倾向性表示煤自然发火的难易程度,是矿井防灭火工作的重要基础。

国内外现有的煤自燃倾向性测试方法主要有绝热氧化法、高温活化能法、交叉点温度法等。这些方法主要通过采用实验炉对煤自燃过程进行模拟,测试其中的某一特征参数来对煤自燃倾向性做出判定。但由于相应指标参数仅能反映煤自燃过程的局部阶段,如煤在30℃时的吸氧量、绝热升温速率等参数只反映了煤低温阶段的特性;交叉点温度、高温活化能等参数又只反映了煤在较高温度阶段的特性。而煤自燃过程是一个复杂的非线性动态发展过程,仅靠单一的或局部阶段的特征参数无法反映煤自燃全过程的整体特性,也无法实现煤自燃倾向性的科学判断。研究提出一种科学的煤自燃倾向性测定方法,对于煤自燃灾害的防治具有十分重要的理论和现实意义。针对煤自燃是一个复杂的动态非线性反应过程和明显的分段特征,为准确全面反映煤的自燃特性,本作品提出了以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础、以煤自燃动态发展全过程为研究对象、以多参数综合测试方法为手段的煤自燃倾向性的氧化动力学研究方法。

通过大量的实验,提出了基于氧化动力学的煤自燃倾向性测定方法。该方法分别选取程序升温条件下煤温达70℃时煤样罐出口氧气浓度和交叉点温度作为煤低温氧化阶段和快速氧化阶段的特征参数。考虑到煤低温氧化阶段对于煤自燃过程的发展更为重要,根据试验结果与经验,低温氧化阶段的权数取0.6,快速氧化阶段的权数取0.4,在此基础上采用加法合成法提出了能反映煤自燃全过程的氧化动力学综合判定指数I,并给出了计算公式。依据《煤矿安全规程》第228条的规定和对24个国内主要矿区二百多个煤样的测试结果,提出了以煤自燃倾向性判定指数值I的大小为标准的分类指标,即:I

1200时为不易自燃。利用该方法对不同矿区煤自燃倾向性的鉴定结果与现场实际发火情况吻合。该法已于2008年11月被批准为国家安全生产行业标准(标准编号:AQ/T 1068-2008),并于2009年1月1日起开始在全国正式推广实施。对于该方法的具体测试条件见附件的作品论文文档,在此不再详细阐述。依据提出的煤自燃倾向性测试方法,本作品还研制了相应的煤自燃倾向性氧化动力学测定装置,其由干空气瓶、气体预热铜管、煤样罐、控温箱、气体自动采集系统、气体分析系统和数据采集系统等部分组成。上述各组成单元均有严格的技术要求,具体参数可参见上传的作品文档,此处不再详细阐述。该系统能够在线采集控温箱和测试煤样的温度,并实现了在测试样达到指定温度(70℃)时对煤样罐出气口气体进行自动定量采集、分析的功能,整个设备自动化程度高,操作简单。