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贫氧环境浸水长焰煤氧化-复燃特性及影响机制

贫氧环境浸水长焰煤氧化-复燃特性及影响机制

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作者：步允川河南理工大学

学位级别：硕士

煤自燃是威胁我国煤矿安全开采的主要灾害之一。我国西北部大型煤田浅埋藏近距离煤层群,上覆煤层采空区易形成因含水层渗漏造成的积水现象,在对下煤层开采时需对上部采空区疏放水,其遗煤经浸水风干后表面结构性质发生改变,在一定的漏风... 详细信息

煤自燃是威胁我国煤矿安全开采的主要灾害之一。我国西北部大型煤田浅埋藏近距离煤层群,上覆煤层采空区易形成因含水层渗漏造成的积水现象,在对下煤层开采时需对上部采空区疏放水,其遗煤经浸水风干后表面结构性质发生改变,在一定的漏风条件下加剧煤体氧化-复燃进程。然而,目前针对预氧化浸水煤体贫氧环境氧化-复燃特性的研究较少,且对预氧化浸水风干煤体物化性质及微观反应机制研究不明朗。因此,开展预氧化浸水煤体在贫氧环境下的氧化-复燃特性及其影响机制的系统研究,对于浅埋藏近距离煤层群浸水煤体自燃防治提供关键理论依据及技术支撑。发现了高温预氧化作用对浸水煤体孔隙结构的影响规律。采用SEM电镜扫描法和低温氮气吸附法,对浸水、预氧化、预氧化浸水煤样表面及孔隙结构分别测试,分析了预氧化浸水处理煤样的表面形态、比表面积、总微孔体积、平均孔径等参数及孔径分布规律。结果表明:浸水会增加煤体表面粗糙度,小微孔隙破裂增多,初步演化为溶胀孔,比表面积增大,锁水能力增加;随预氧化温度升高,原生孔隙演化为氧化孔,浸水后其微小孔隙逐渐转为中大孔,水在氧化溶胀孔隙内能自由流动,锁水能力降低;其中预氧化200℃浸水煤样平均孔径最大,比表面积最小,大孔比例较300℃氧化煤样增加37.4%。研究了预氧化浸水煤体的贫氧-复燃特性。采用程序升温及TG-DSC实验,分析了不同处理煤样指标气体释放特征、耗氧量变化规律、低温氧化升温特性、特征温度点阶段演化特性和贫氧-复燃热效应等。结果表明:相同温度时,浸水煤体耗氧量相对较大,同时在较高氧浓度(>15%)下氧化生成气体(CH、CH、CO和CO)量较大;浸水与预氧化浸水煤体在10%以上氧环境存在交叉点温度,两种处理增加了煤体氧化升温能力,预氧化200浸水煤体交叉点温度最低(分别为174.0℃,181.1℃,194.6℃);氧浓度越高,着火点温度越低,预氧化200浸水煤体着火点温度最低(分别为404.8℃,413.4℃,416.0℃),活化能降低,煤体更易氧化复燃;氧浓度越高,各煤样最大放热温度越小,最大放热量达7.72 J/g;5%氧浓度时预氧化300浸水煤总放热量最小(3367J/g),而3%氧浓度时预氧化200浸水煤总放热量最小(93.75 J/g)。阐释了预氧化浸水煤活性位点与官能团转化微反应机制。采用FTIR测试了预氧化浸水煤体各官能团变化,分析了不同处理煤样官能团变迁规律。结果表明:浸水与预氧化处理可以增加官能团(-OH、C=O、COOH、-CH、-CH)的含量,预氧化温度越高,增加越明显,而预氧化煤样经浸水后官能团减少,预氧化200浸水会使-CH/-CH值增加;预氧化激活了煤内部活性位点,氧化浸水后会导致煤样活性基团预激活和流失,随着预氧化温度升高,浸水后官能团急剧减少,预氧化300浸水后煤体官能团含量最低。全文共有图37幅,表10个,参考文献115篇。

关键词：浸水煤体孔隙结构贫氧环境氧化复燃反应机制

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