氧化煤自燃性增强的微观特征及构效关系研究

In the process of coal natural oxidation and heating, oxidized coal forms once the heat storage condition is destructed leading to the dropping of coal temperature. Compared with raw coal, the spontaneous combustibility of oxidized coal turns into stronger or weaker, and the risk of that is difficult to be distinguished. Focus on the key scientific problems of oxidized coal micro structure and spontaneous combustibility, aim at oxidized coals with different oxidation degrees in this study, the main contents would be researched as follows: ①Using experiments of the physical and chemical adsorption, XPS analysis and infrared spectrum, the surface microscopic structure, element morphological characteristics and functional groups distribution of oxidized coal would be studied, to reveal the influence rule of raw coal oxidation degree on the micro structure of oxidized coal; ②By gas adsorption, TG-GC/MS technique and micro calorimeter experiments, the oxygen consumption, gas generation and heat release effect would be studied to determine the dynamic characteristics during the process of oxidized coal spontaneous combustion, and to build the influence model of raw coal oxidation degrees on oxidized coal spontaneous combustibility; ③Using the method of contribution analysis, the contribution of microstructure change to oxidized coal spontaneous combustion would be studied, to establish the structure-function relationship between microstructure and spontaneous combustibility of oxidized coal, and to determine the critical conditions of raw coal oxidation enhancing the oxidized coal spontaneous combustibility. The results of this study will contribute to reveal the micro mechanism of oxidized coal spontaneous combustion and be very important significance to prevent oxidized coal spontaneous combustion disaster.

煤自然氧化升温过程中，因蓄热条件破坏导致降温形成氧化煤，与原煤相比，氧化煤的自燃性呈现出增强或减弱效应，其自燃危险性难以确定。本课题围绕氧化煤微观结构特征及其自燃性的关键科学问题，针对不同氧化程度的氧化煤，主要开展以下研究：①采用物理化学吸附、XPS分析与红外光谱实验，研究氧化煤的表面微观结构、元素形态及官能团分布特征，揭示原煤氧化程度对氧化煤微观结构的影响规律；②采用气体吸附、TG-GC/MS联用技术与微量热分析实验，研究氧化煤自燃过程中耗氧特性、气体生成及放热效应的变化规律，确定表征氧化煤自燃性的动力学特征参数，构建原煤氧化程度对氧化煤自燃性的影响模型；③采用贡献分析法，研究微观结构变化对氧化煤自燃性的贡献率，建立氧化煤微观结构与宏观自燃性的构效关系，确定促进氧化煤自燃性增强的原煤氧化临界条件。研究结果对揭示氧化煤自燃的微观机理及其自燃灾害防治具有重要科学指导意义。

煤体揭露后一旦与氧气接触就会发生氧化反应放热，热量如不能及时散失，会造成煤体温度的不断升高甚至发生自燃，此过程中如果自热条件被破坏，使得煤体降温则形成“氧化煤”，受初次氧化影响，氧化煤的自燃性与原煤相比发生改变，其自燃危险性难以确定。本项目以氧化煤自燃性发生改变的微观机理为关键科学问题，重点针对不同预氧化温度和氧浓度等初次氧化影响条件，采用理论分析与实验研究方法，分析了氧化煤自燃动力学特性及其微观特征，主要研究成果如下：①采用程序升温实验手段，掌握了预氧化温度与氧浓度对氧化煤自燃特性参数的影响规律，发现实验煤样在预氧化过程中升温速率随温度升高呈递减至稳定的趋势，预氧化温度对氧化煤自燃过程耗氧速率及气体产生量的影响均呈先抑制后促进的总体效应，由抑制转向促进作用的转折点为初次氧化临界温度和干裂温度，预氧化氧浓度对氧化煤自燃性主要表现为抑制效应；②利用热分析等实验方法，建立了预氧化程度影响氧化煤自燃性的动力学模型，阐明了预氧化温度与氧浓度对氧化煤自燃影响的动力学特征，研究发现原煤与氧化煤升温过程阶段性特征总体相同，划分阶段的特征温度发生偏移。③通过原位红外实验与理论分析，揭示了预氧化程度影响氧化煤自燃性的微观机理，确定了预氧化温度与氧浓度对氧化煤微观结构的影响规律，提出了基于Pearson相关系数与灰色关联分析确定关键活性基团的数学方法，确定了影响氧化煤自燃性的关键活性基团为游离羟基、羰基。研究成果为煤矿开采过程中面临的二次氧化自燃防控问题提供了理论依据，经中国煤炭工业协会鉴定达到国际先进水平，在解决我国陕西、宁夏等大型煤炭基地及孟加拉国巴拉普库里亚煤矿等自燃灾害防控问题方面发挥了重要作用，同时对我国煤炭资源的安全复采具有重要的科学价值。