促进高变质煤氧化自燃的热动力学导因基础研究

Due to low heat release and accumulation rates, high-ranked coal should not be inclined to spontaneous combustion. In recent years, the combustion of high-ranked coal has become a hot and difficult task.Nevertheless, the spontaneous combustion of high-ranked coal is very prominent during mining. To better understand this contradiction, “Coal-oxygen-complex of coal spontaneous combustion caused by multiple factors” is proposed in this study. Based on the proposed hypothesis, effects of the moisture and pyrite on the active functional groups of the anthracite coal are investigated using the Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy; TG-FTIR-GC/MS is employed to study the mechanism of oxidation kinetics reaction induced by moisture and pyrite. Oxidation experiments at a constant temperature and adiabatic oxidation experiments are conducted to explore the promotion effects of the moisture and pyrite on the exothermic oxidation of anthracite coal. On the basis of the experimental results, a thermodynamic model is constructed to reveal the promotion mechanism of the moisture and pyrite on spontaneous combustion of the anthracite coal. This study carries practical recommendations for prevention and control of the spontaneous combustion of high-ranked coal.

高变质煤一般为不易自燃煤层，但在实际矿井开采过程中，自燃现象也十分突出，近年来，研究高变质煤的自燃机理已成为一个热点和难点。前人研究表明，水分与黄铁矿是影响煤自燃的两个重要因素，因此，本课题根据“基于多因素综合作用的煤氧复合自然发火导因假说”，以高变质无烟煤为研究对象，采用原位漫反射红外光谱实验等，分析水分与黄铁矿对煤表面活性结构的理化作用机理；采用TG-IR-GC/MS联用实验，研究水分与黄铁矿影响煤初期氧化反应动力学过程的诱导作用机制；利用C80恒温量热及VSP2绝热量热实验，研究水分与黄铁矿对煤氧化微放热量及热效应的促进作用机制。最后通过理论分析，构建水分与黄铁矿作用诱导煤氧化自燃的热动力学模型，揭示水分与黄铁矿综合作用对煤氧化自燃的促进机制，阐明高变质无烟煤自然发火机理。研究结果对高变质煤自然发火预测与防控技术开发，具有重要的科学价值和实际指导意义。

水分与黄铁矿对高变质程度煤自燃放热有一定影响，高变质程度煤氧化自燃的机理需要更加清楚的揭示和研究。因此，本课题以水分与黄铁矿为诱导因素，研究诱导因素对高变质无烟煤的促进放热自燃机理。利用FTIR、真密度仪和XRD仪器，分析煤的微晶结构、表面分子活性结构的异同，研究水分与黄铁矿对常态下煤表面活性结构的影响本质；采用原位漫反射FTIR分析煤表面活性分子种类、数量和空间结构特性在氧化过程中的异同；采用TG-FTIR联用实验，研究水分与黄铁矿对煤氧化动力学过程的影响规律，确定煤样氧化初期的特征温度及其对应的动力学特征参数；另外，采用C80测试煤样氧化过程的微放热量，分析煤样的氧化放热特性，计算煤氧复合反应的速率常数和活化能等热动力学参数；采用Pearson相关系数和灰色关联度，定量表征不同活性基团对水分与黄铁矿作用下煤氧化动力学过程的影响程度。主要结论是：水分和黄铁矿对煤微晶结构影响很小，但对真密度有一定的影响，黄铁矿含量为4%是影响煤真密度增加的临界点；水分与黄铁矿能够促进煤分子中的羟基、芳香烃的生成，对煤的氧化过程起到促进作用，对脂肪烃、含氧官能团影响较小；在水分与黄铁矿含量分别为15%和4%时，水分与黄铁矿对煤样活性基团的促进作用达到最大，随后减弱，变为抑制作用；较低的水分与黄铁矿，都能够促进煤样的氧化，临界点为水分15%和黄铁矿4%时，在临界点之后开始抑制煤样的氧化。水分与黄铁矿互相作用下，煤样氧化需要的能量先升高后降低。在水分与黄铁矿诱导煤的氧化过程中，煤氧化的反应机制是7号n=4 Avrami-Erofeev方程；在水分与黄铁矿相互作用影响煤样的氧化，煤样的放热量出现波动性的变化，当黄铁矿含量较低时，存在水分含量为15%的临界点；7类活性基团对氧化过程的贡献度：芳核上Ⅳ类氢原子＞芳核上Ⅲ类氢原子＞芳核上Ⅰ类氢原子＞芳香环C=C＞游离羟基＞亚甲基＞分子间缔合氢键。本课题的研究有利于揭示高变质煤的自燃机理，为预防高变质煤自燃提供理论依据及参考价值。