侏罗纪煤层井工开采自燃机理及火区探测技术基础

Through a series experiments of coal spontaneous combustion simulation, TG/DSC-FTIR-MS and programmed temperature oxidation, with solid products analyzed with FTIR and XRD, gas products analyzed with GC, FTIR and GC-MS, together with DFT B3LYP method to model typical reaction process, to have a deep understanding of the mechanism, and obtain the law of gas products of coal spontaneous combustion. Combined with study of air leakage and fire gas transportation in real underground coal mine, a reversion algorism is set up to determine coal spontaneous combustion position with the monitored gas data. By studying radon desorption and diffusion law in the Jurassic coal and rocks at different temperature, to deduce a mathematic model to depict radioactive radon transportation in underground coal mine. Distribution law of radon in the mine is obtained by means of numeric simulation. By studying coal and rock heat conductivity, residual magnetism, magnetic susptibility, dielectric constant and electric resistivity in the coal fire zone, applicability of the relative geophysical method is evaluated. Possible geophysical exploration results of magnetism and electric resistivity methods are obtained by means of numeric simulation. The study will set important foundation for exploring spontaneous combustion with gas monitor, radon detection, and electric and magnetic exploration.

通过侏罗纪煤样自然发火实验、TG/DSC-FTIR-MS 联用实验、程序升温氧化实验结合气体产物GC、FTIR、GC-MS分析，固体产物的FTIR、XRD等分析，以及密度泛函B3LYP方法对自燃过程典型化学反应的模拟计算，深入认识煤自燃机理及自燃气体生成规律。结合井工矿漏风及指标气体运移规律的研究，建立据煤自燃气体监测结果判断高温位置的反演算法。实验研究典型侏罗纪煤（岩）层在不同温度下放射性氡的析出率和在地层不同方向上扩散规律，建立侏罗纪煤层井工开采环境下放射性氡在地层中运移的数学模型，模拟计算矿井火灾引氡分布规律。实验测定典型侏罗纪煤田井工开采煤自燃影响区导热系数、剩磁、磁化率、介电常数、电阻率等参数的变化规律，据此提出相关物探方法探测煤自燃的适用性，模拟计算磁法和电阻率法探测火源的探测结果。本项目研究为气体监测法、测氡法和电、磁法探测自燃火源奠定基础

侏罗纪煤层是最重要煤炭资源，但煤变质程度相对较低，更容易自燃。煤层自燃高温位置比较隐蔽，火源探测是灾害防治的关键，但隐蔽火源探测还没有成熟的方法。本项目研究通过气体监测、放射性测氡和磁法探测自燃火源的基础问题。.1．煤自燃机理及基于气体与表面温度测定判定隐蔽火源研究.通过典型侏罗纪煤样自然发火实验，测定了煤自燃过程中温度及气体的变化规律，计算出煤在不同温度的耗氧速度、气体产生规律。通过煤自燃性程序升温实验研究了粒度对自燃的影响。.建立了煤自燃绝热实验装置，提出据实验结果计算煤氧化动力学参数的方法。通过TG/DSC-FTIR 联用实验加深了煤自燃机理的认识。采用全自动物理/化学气体吸附仪测定了煤体对气体吸附特性。解决了通过气体监测结果量化识别煤层隐蔽火源温度的问题，得出了煤的氧化放热强度、耗氧速度和自然发火期等特性参数。在此基础上，通过煤自燃数值实验，得出不同条件下煤自燃发展规律，从而根据煤表面温度与气浓度分布，可确定其内部温度分布，实现了自燃火源位置的判断。.2．测氡法探测隐蔽火源基础研究.研制出松散煤岩介质中放射性氡多角度扩散实验装置。典型侏罗纪煤/岩层放射性氡的析出和扩散规律研究表明，煤氧化升温过程中，煤/岩石中氡浓度呈线性上升趋势；但随着扩散距离增大，氡浓度呈非线性减小趋势，距离氡源越远氡浓度衰减率越低，温度对衰减的影响越弱，据此建立了氡扩散规律模型。.3．煤自燃隐蔽火源磁法探测基础研究.建立了古埃磁天平极化率测定系统。分别采用侏罗纪煤层及围岩的未经破坏的原样、压裂样品、松散堆积样品实验，研究其磁性与长时间受热的关系。研究发现，当样品加热到400℃以上时，样品明显表现出铁磁性。并且升温后无论样品温度是否下降，其剩磁均可明显保持。通过对经过不同温度加热处理样品的X衍射研究，分析了高温后磁性变化的机理。.本项目研究为表面温度监测法、地表测氡法及磁法探测判断地下隐蔽火源位置奠定了基础。