水浸烟煤微观结构及其氧化动力学特征研究

The bituminous coal of lower metamorphic grade is widely mined in west of China, where the thickness of coal seam is huge, the depth is shallow, and the spontaneous combustion pried is short. The residual coal immersed by water in goaf has led to spontaneous combustion hazards which threatened the safety of mining and became an urgent problem of the coal mines. On the basis of the compound theory of coal and oxygen, the water immersion-bituminous coal is researched in this paper, adopting the methods of experiment and theory. And the followings will be researched: 1） The pore structure and surface molecular activated structure will be analyzed through the experiments of FTIR, XPS and XRD.2） The adsorption kinetics of water immersion-bituminous coal with oxygen will be characterized by the means of physical and chemical adsorption experiment. The microcosmic mechanism will be analyzed as well. 3） The thermodynamic parameters of oxidation and pyrolysis process will be analyzed and the oxidation kinetics will be characterized through the TG- DSC-FTIR-MS combination analysis system. 4）Through the programmed temperature oil-bath experiment, the oxidation rate and some other parameters of water immersion- bituminous coal will be analyzed. The correlation of oxidation process and spontaneous combustion characteristics and microstructure will be expounded. The results have a scientific value and actual guiding significance for the forecasting, prevention and controlling of the water immersion- bituminous coal spontaneous combustion in goaf.

我国西部主要开采低变质程度的烟煤，煤层（群）厚度大、埋藏浅、自然发火期短，在开采过程中，采空区遗煤受积水浸润后，多次引起采空水浸烟煤自燃火灾，严重威胁矿井安全生产，成为现场亟待解决的难题。本课题以水浸烟煤为研究对象，基于煤氧复合综合作用理论，采用理论与实验的方法，主要研究：1）采用FTIR、XPS及XRD等实验手段，探明水浸烟煤的孔隙结构及表面分子活性结构；2）通过水浸烟煤与氧的物理化学吸附实验，分析水浸烟煤与氧的吸附动力学特征，揭示水浸烟煤与氧的物理化学吸附微观作用机理；3）利用TG- DSC-FTIR-MS联用分析系统，分析得出水浸烟煤氧化、热解过程的热动力学参数，掌握水浸烟煤的氧化动力学特征及过程；4）采用油浴程序升温实验装置，分析水浸烟煤的耗氧速度等特征参数，阐明水浸烟煤微观结构与氧化动力学特征的对应关系。研究结果对采空区水浸煤自然发火预测和防控，具有重要科学价值和实际指导意义。

本课题以水浸烟煤为研究对象，基于煤氧复合综合作用理论，采用理论与实验的方法，对原始烟煤煤样与浸水干燥烟煤煤样在低温氧化过程中微观物理结构、化学结构及氧化动力学方面进行了综合实验研究。. 通过扫描电镜实验及比表面积测定实验等，得出水浸干燥后的烟煤其表面的孔隙和裂隙结构增大且数量明显增多，总孔容与比表面积相似较原始烟煤煤样均有减小，平均孔径增大。通过XRD衍射实验，得出煤的变质程度、不同氧化温度和煤样本身粒度对水浸烟煤芳香微观晶体结构变化的影响规律。. 通过FTIR红外光谱实验，得出在低温氧化过程的前期，水浸煤煤分子中的芳香核结构相对比较稳定，基本不参与复合反应，而脂肪烃和含氧官能团的反应活性较强，其中的甲基、亚甲基、羧基、醚键和芳香醚氧键容易与氧发生复合反应。. 通过TG-DSC实验，分析得出水浸烟煤氧化、热解过程的热动力学参数，同一种煤样，在同一氧浓度条件下，活化能大小随着升温速率的增加而增加；对于同一种煤样，同一升温速率条件下，不同氧浓度在煤自燃的吸氧增重阶段活化能变化不大。. 通过高温程序升温实验，分析得出的原煤与水浸烟煤的耗氧速度等特征参数，得出了经过水浸后的煤样所产生各种气体的浓度均高于原煤。此外，得出了粒径为0.9~3mm、5~7mm及7~10mm的煤样水浸后煤样活化能低于原煤，说明水浸过程对这三种粒径的煤样影响最大，在此粒径时水分对煤样自燃表现出了促进作用。而对于其他粒径，水浸后煤样活化能高于原煤，水浸后煤样氧化能力低于原煤，此时水分对煤样氧化体现出了抑制作用。. 研究结果对采空区水浸煤自然发火预测和防治，具有重要科学价值和实际指导意义。