煤自燃过程非线性动力学特性及其“滞后”效应机理研究

During the process of coal spontaneous combustion, temperature, oxidation products and active functional groups show obvious dynamically nonlinear characteristics. The whole process of spontaneous combustion was studied to reveal the mechanism of nonlinear characteristics for coal spontaneous combustion. From the nonlinear catastrophe theory and the chemical reaction dynamics, coupled with TG analysis, programmed temperature rise experiment and large-scale coal spontaneous combustion experiment, the nonlinear kinetics theory of coal spontaneous combustion was built. In order to reveal the mechanism of the nonlinear kinetics characteristics, TG-FTIR-GC/MS will be employed to analyze the evolutions of temperature, mass loss rate, the oxidation products and active functional groups. FTIR, XRD and Gaussian09 software was used to specially and deeply study the evolution of active functional groups at the key-temperature points. Additionally, theoretical analysis, experimental tests and numerical simulation were combined to study the mechanism of hysteresis effect during spontaneous combustion. The study of this topic provides further understanding of the mechanism of spontaneous combustion and guidelines for effective prevention of spontaneous combustion in the field.

煤自燃过程中温度、氧化产物和活性官能团等参数都表现出明显的动态非线性特征。本课题以煤自燃发展升、降温全过程为研究对象，以揭示煤自燃过程非线性动力学特征的产生机理为研究目标，基于非线性突变理论和化学反应动力学理论，建立煤自燃发展过程的非线性动力学模型。采用热重分析、大型煤自然发火和程序升温等实验手段，研究煤自燃宏观参数的非线性动力学演变特性。采用红外光谱、X射线衍射，结合Gaussian09软件模拟，对关键温度点处起主导作用的关键活性官能团及其演变规律进行重点深入分析；并采用热重-红外-色谱/质谱联用技术对煤自燃过程中温度、失重速率、氧化产物和活性官能团等煤自燃参数的非线性演变规律进行动态、同步分析。另外，采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法对煤自燃非线性动力学过程“滞后”效应的影响因素和产生机制进行探索。本课题的研究有利于揭示煤自燃的机理，为煤矿高效、安全防治自燃火灾提供理论指导。

煤炭自燃是影响煤矿安全生产的重要影响因素之一，实验测试和现场经验均表明，煤自燃过程中温度、氧化产物和活性官能团等参数都表现出明显的动态非线性特征。本课题以煤自燃发展升、降温全过程为研究对象，以揭示煤自燃过程非线性动力学特征的产生机理为研究目标，基于非线性突变理论和化学反应动力学理论，建立了煤自燃发展过程的非线性动力学模型，提出了以“突变温度”为指标的煤自燃倾向性评价体系，并通过绝热氧化实验对评价结果进行了验证；发现了煤自燃升、降温过程的不可逆性，即“滞后现象”，并通过程序升温氧化实验对该现象进行了验证。采用热重分析、大型煤自然发火和程序升温等实验手段，模拟了煤体“常温-自燃-降温”的演变过程，研究煤自燃宏观参数的非线性动力学演变特性。采用红外光谱、X射线衍射，结合Gaussian09软件模拟，对关键温度点处起主导作用的关键活性官能团及其演变规律进行了深入分析；并采用热重-红外-色谱/质谱联用技术对煤自燃过程中温度、失重速率、氧化产物和活性官能团等煤自燃参数的非线性演变规律进行了动态、同步分析。此外，在本课题的资助下，团队成功开发了一种煤自燃绿色高效防灭火阻化材料及其配套装备，目前已广泛应用于煤矿现场。本课题的研究有利于揭示煤自燃的机理，为煤矿高效、安全防治自燃火灾提供理论指导。