甲烷氛围煤尘自然发火突变动力学机理研究

The oxidation and pyrolysis reaction mechanism, ignition characteristics, and catastrophic mutation mechanism of pulverized coal under the methane atmosphere are important contents for understanding the formation of thermodynamic hazard disaster in mines. This project mainly studies that: using the TGA/DSC to study the Arrhenius parameters in the coal pyrolysis process, as well as dynamics models and law of gas product distribution; using coal spontaneous combustion kinetics experimental system to measure the critical characteristic parameters of coal spontaneous combustion, such as priority ignition point, minimum ignition temperature of layer (MITL), and the self-ignition behavior of pulverized coal under different experimental conditions; Based on the FireFOAM platform, a theoretical model for depicting ignition generation, development, and evolution of pulverized coal layer were established. The oxidation and pyrolysis kinetic and mutation process of methane atmosphere pulverized coal were revealed. While, this project can also provide theoretical support and calculation tools for the effective prediction and prevention of thermodynamic hazard in coal mines.

甲烷氛围煤尘氧化热解反应机理、煤尘自燃点火特征和动力学突变机制对于认识和控制矿井热动力灾害科学问题至关重要。本项目采用TGA、DSC技术和煤尘高温自燃程序升温实验技术，基于联合的等转化率和非等转化率方法，研究甲烷氛围煤尘氧化热解过程的动力学参数和模型，揭示甲烷氛围煤尘氧化热解动力学机理；采用堆积煤尘自燃动力学实验平台，研究甲烷氛围堆积煤尘内部温度时空分布、特征气体产生和裂隙演化规律，获取优先着火位置、最小点火温度、着火延迟时间、裂隙发育量度参数等自燃临界指标，揭示甲烷氛围煤尘点火动力学行为和优先着火点突变特征；基于FireFOAM火灾蔓延模拟平台，研究建立甲烷氛围下煤尘自燃孕育、发展和突变的数值计算模型，揭示甲烷氛围煤尘氧化热解动力学过程和突变机制，为矿井热动力灾害有效预测及防控提供理论支撑和计算工具。

甲烷氛围煤尘氧化热解反应机理、点火自燃特征和动力学突变机制是认识和控制矿井热动力灾害科学问题的重要基础。本研究通过引入热分析（TG-FTIR-GC/MS）、TPS激光闪光法等开展煤热自燃点火特征及反应机理研究，测试了不同升温速率条件下煤失重规律和温度特征参数，掌握了煤样低温条件下的导热系数、比热容和热扩散系数等热物性关键参数和经验系数，基于Starink、KAS和Vyazovkin等联合的等转化率和非等转化率方法求解煤尘热解过程中的阿累尼乌斯参数、反应级数n等动力学基础数据，联合构建了基于多模型优化策略的煤自燃反应动力学模型，掌握煤尘不同阶段自燃动力学转变模式。基于自行设计的气/粉两相混合爆炸火焰传播实验系统，开展甲烷/煤尘复合爆炸点火实验研究，研究了煤尘质量浓度、甲烷体积分数以及复合火焰流场结构对复合火焰传播特性的影响。基于甲烷氛围堆积煤尘点火突变机制实验研究平台，开展了受限空间内堆积煤粉自燃点火特性试验和不同热载条件下的煤尘点火突变过程研究，研究了不同因素对煤尘自燃过程动力学特征的影响，揭示煤尘内部温度时空分布规律和气体产物生成规律，定量获取了堆积煤粉层的最低点火温度、点火延迟时间、最优点火位置等指标参数，建立了基于热动力学参数和最低点火温度指标的自燃点火风险评价矩阵，揭示了煤尘点火动力学行为和优先着火点突变特征。在此基础上引入氯盐阻化剂，分析其与煤尘自燃的耦合反应特性，评估氯盐阻化剂影响煤尘氧化自燃点火特性作用机制；引入热棒移热降温方法，研究了不同条件下的热棒移热性能及效果，为煤自燃防控有效理论支持。