氧化煤自燃特性实验研究.pdf

Vo l . 16 No . 6 Ju n e. 2020 第16卷第6期 2020年6月 中国安全生产科学技术 Jo u r n a l o f S a f et y S c ien c e a n d Tec h n o l o g y doS 10. 11731/j. issn . 1673-193x . 2020. 06. 009 氧化煤自燃特性实验研究* * 收稿日期收稿日期2020 -02 - 18 *基金项目基金项目国家自然科学基金项目51574009 作者简介作者简介赵兴国，硕士研究生，主要研究方向为火灾防治理论与技术 通信作者通信作者戴广龙，博士，教授，主要研究方向为火灾防治理论与技术 2安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室，安徽 淮南232001 摘 要为解决大柳塔煤矿活鸡兔井12下208综放工作面采空区存在大量氧化煤的遗煤自燃预测问题，对原煤及不同程度的氧 化煤进行程序升温实验，分析研究低温氧化特性的变化规律，根据灰色理论对自燃标志气体进行优选。结果表明原煤与氧化煤 的临界温度与干裂温度相差不明显，分别在4050 C与110 120 C之间；根据临界温度、干裂温度及其指数增长点将煤低温氧 化过程分为缓慢自热50 90 C 、加速自热90 120 C 、热解裂变 120 160 C 和热解加速 160 200 C 4个阶 段灰色关联 中图分类号 X936 文献标志码A 文章编号 1673 - 193X 2020 06 -0055 -06 Exper iment a l st hdy on spont a neous combust ion cha r a ct er ist ics of oxiSiz ed coa l ZHAO Xin g yu o1 , DAI Gu a n g l o n y1 ” 1. S c h o o l o f En er yy Reso u r c es a n d S a f et y, An h u i Un iv er sit y o f S c ien c e a n d Tec h n o l o g y, Hu a in a n An h u i 232001 , Ch in a ； 2. Keg La bo r a t o r y o f Co a l Min e S a f et y a n d Hig h Ef f ic ien t Min in g Jo in t l y Bu il t by Pr o v in c e a n d t h e Min ist o o f Ed u c a t io n , An h u i Un iv er sit y o f S c ien c e a n d Tec h n o l o g y, Hu a in a n An h u i 232001 , Ch in a Abst r a ct In o r d er t o so l v e t h e pr o bl em o f pr ed ic t in g t h e spo n t a n eo u s c o mbu st io n o f r esid u a l c o a l f o r a l a r ye a mo u n t o f o x i d ized c o a l ex ist in g in t h s yo a f a t 12 u n d er yr o u n d 208 f u lly mec h a n ized c a v in y f a c e o f Hu o jit u w ell in Da l iu t a c o a l min s, t h s t emper a t u r e pr o g r a mmed ex per imen t s w er e c a r r ied o u t o n t h e r a w c o a l a n d t h e o x id ized c o a l w it h d Cf er en t d eg r ees. Th e c h a n ye l a w s o f l o w -t emper a t u r e o x id a t io n c h a r a c t er ist ic s w er e a n a l yzed, a n d t h e in d ex ya ses o f spo n t a n eo u s c o mbu st io n w er e o pt ima l l y sel ec t ed a c c o r d in y t o t h s yr ey t h eo r y. Th s r esu l t s sh o w ed t h a t t h s c r it ic a l t emper a t u r es a n d d r y c r a c k in y t emper a t u r es o f r a w c o a l a n d o x id ized c o a l w er e n o t sia n if ic a n t l y d Cf er en t f r o m ea c h o t h er, w h ic h w a s bet w een 40 50 C a n d 110 120 C , r e spec t iv el y. Ac c o r d in y t o t h e c r it ic a l t emper a t u r e, d o c r a c k in y t emper a t u r e a n d it s ex po n en t ia l g r o w t h po in t, t h e l o w -t emper a t u r e o x id a t io n pr o c ess o f c o a l w a s d iv id ed in t o f o u r st a yes, n a mel y t h e sl o w sel f -h ea t in y 50 90 C , a c c el er a t ed sel f -h ea t in y 90 120 C , pyr o l yt ic f issio n 120 160 C a n d pyr o l ysis a c c el er a t io n 160 200 C . In t h e sl o w sel f -h ea t in y st a ye, G 0.01 0.039 a n d R] 0.001 5 0.007 7 w er e u sed a s t h e in d ex es. In t h e a c c el er a t ed sel f -h ea t in y st a ye, R1 0. 007 7 0.019 5 a n d G3 0. 000 9 0. 003 7 were u sed a s t e Cd ex es. R tte pyrol ysis fission Pa g e , tte 厂 a t o of t a Ta n ee 0 0.484 a n d G3 0. 003 7 0. 037 4 w e; u sed a e t e in d eee. R t e accel erated sel f-heating stage , R1 0. 046 8 0. 072 6 a n d the ratio f a f en es t a f a n ee 0. 484 0. 992 w e; u sed a e t e in d eee. 5h e experimentaf eesu l f h a w a certain g u f d f n g rol e ff the prevention a n d cofttl o n eo n t n eo u e eombu stios of -esidu al eosl f n t e g l a -. Key wor ds o x id ized c o a l； c o a l spo n t a n eo u s c o mbu st io n ； in d ex ya ses o f spo n t a n eo u s c o mbu st io n c h a r a c t er ist ic s ； yr ey c er r e- o a t o o n -56 -中国安全生产科学技术第16卷 0引言 煤炭自然发火是矿井的主要灾害之一（。其中， 火区启封，分层开采和放顶煤开采中火灾危险程度更 大（3「4），这类问题都存在煤的二次或多次氧化问题沈云鸽等［10］对不同自燃倾向性煤的指标气 体进行程序升温试验研究，但每一种煤样指标过于粗 略；费金彪［11］提出煤自燃基团突变理沦，确立阶段划分 方法，找到了不同氧气浓度区间的CO浓度表达式 ;邓军等［13］证明二次氧化 煤样氧化性强于原始煤样，更容易自然发火第2阶段原煤大 化煤主要原因是 氧化煤因为 化消 易生 活性基 团并且生成大量中间产物 到 温度， 生 活性基团 下降，速率降低；第3阶段由于温度 升 后 化 中 生 中 产 物 化 中 活性基团大于原煤, 率大于原煤［5 160 180 200 160 180 200 原煤 。40 C氧化煤 * 70 C氧化煤 〜100 C氧化煤 o 120 C氧化煤 〜150 C氧化煤 4 170 C氧化煤 40 60 80 100 120 140 160 180 200 温度厂C 图5 120 140 160 180 200 温度/C e烯烷比 , ， ,和烯烷比随温度变化 Fig. 5 Cha nge cur ves of , 2 ,3,a nd r a t io of a ldenes t o a lda nes wit h t emper a t er e 第6期中国安全生产科学技术-59 - 3.3自燃指标灰色关联计算、优选 主成分分析法的本质是利用新的综合指标代替原 有的复杂指标，但同时也可以用成分得分系数矩阵表示 反应本体的程度，一定程度上也反映了指标间的内在关 系。根据文献18理论公式,在全温度下利用S PS S软 件采用主成分分析法对原始数据进行计算灰色综合关联度p的基础上提出针对于多种煤样的 不可靠性系数w与综合灰色关联可靠度p myXat与minat为温度 n 皿下所有指标的最大值与最小值;1为修正系数, 取5 p为阶段灰色综合关联度；w为各阶段 的不可靠性系数;2为修正系数，取2 由式3计算得出，各阶段预测指标综合灰色关联 可靠度如表3所示 表3各阶段预测指标综合灰色关联可靠度 Ta bl 3 Compr hnssvgr y cor r la esonr lsa bslsey of pr dscesonsndxssna chsea g 指标 缓慢自热 阶段 加速自热 阶段 热解裂变 阶段 热解加速 阶段 CO0.5320.5690.5660.667 110.5470.5610.5410.684 120.6630.6070.6340.606 130.5860.6130.5890.561 R10.6410.6960.5920.726 C2H40.5250.539 C3 H8 0.5720.631 烯烷比 0.7090.681 1 缓慢自热阶段50 90 C 根据表3按照综 合灰色关联可靠度大小，该阶段第1,2指标为G与R1 如图5 b所示，对于原煤与不同程度的氧化煤,G曲线 规律一致,90 C之前随温度缓慢增长后快速增大,140 170 C之间随温度增大轻微下降后再缓慢增高因此 G在第3阶段不适合做预测指标，灰色关联分析并不能 区分递增或递减趋势同温度下以指标的最低值作为 阶段划分指标，该阶段值域为0.01 -0.039如图5 d 所示原煤及氧化煤的R1曲线趋势相同，在140 C前均 随温度增大而增大,140 170 C出现数值稳定及轻微 下降趋势后快速增长，因此除第3阶段外均可作为预测 指标,该阶段值域为0.001 5 0.007 7 2 加速自热阶段90 120 C 按照综合灰色关 联可靠度大小该阶段第1,2指标为R1与13该阶段的 预测值域分别为0. 007 7 0. 019 5和0. 0009 0.0037 3 热解裂变阶段120 160 C 该阶段第1,2 指标为烯烷比与12，但由于R1与G不适用该阶段，因此 第2指标为13如图5 e所示原煤与氧化煤的烯烷 -60 -中国安全生产科学技术第16卷 比从120 C开始随温度增长，增长速率变化不大，各煤 样增长速率接近 170 C氧化煤烯烷比最小，因此可用 来划分本阶段的预测值域，区间为0 0.484第2指 标预测值域区间为0.003 7 0.037 4 4热解加速阶段160 200 C 该阶段第1,2 指标为与G1 但由于2种指标都监测CO,所以选择 烯烷比关联可靠度接近1,预测值域分别为0.046 8 0.072 6 和 0.484 0.992 4结论 1 在原本灰色关联度的基础上，提出了针对多煤样 的不可靠性系数利用主成分分析法计算全温度下的 系数矩阵与分段下的灰色关联度相结合，得到综合灰色 关联可靠度P,提高了计算结果的准确性，减少了预测过 程中的误报现象 2 通过对大柳塔煤矿活鸡兔井12下208综放工作 面原煤及不同程度的氧化煤进行低温氧化实验，研究得 到该煤的临界温度与干裂温度分别在40 50 C与110 120 C 间 3 根据临界温度、干裂温度及其指数增长点将煤低 温氧化过程分为4个阶段并分别给出指标和对应值域， 在缓慢自热阶段以G2 0.01 0.039和 0.001 5 0.007 7为指标，在加速自热阶段以 0.007 7 0.019 5和 1 0.000 9 0.003 7为指标，在热解裂 变以烯烷比0 0.484和 G3 0.003 7 0.037 4为 指标，在热解加速阶段以 0.046 8 0.072 6和烯 烷比0.484 0.992为指标 参考文献参考文献 [1王省身，张国枢.矿井火灾防治M].徐州中国矿业大学出版 1990. 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