基于指标气体增长率分析法测定煤自燃特征温度_邓军
利用指标气体预测预报煤自燃火灾
利用指标气体预测预报煤自燃火灾
马银戌;申张勇;严忠
【期刊名称】《能源技术与管理》
【年(卷),期】2007(000)006
【摘要】煤炭在低温氧化过程中,产生多种成分复杂的化学气体,当煤炭的温度继续升高时,生成的化学气体成分含量会发生变化,研究表明煤炭在氧化过程中,煤温和各化学气体的含量有一定的关系,因此通过分析气体含量可推测出煤的温度,从而达到预测预防煤炭自燃的目的.
【总页数】3页(P34-35,39)
【作者】马银戌;申张勇;严忠
【作者单位】华北电力大学,机械系,河北,保定,071003;华北电力大学,机械系,河北,保定,071003;华北电力大学,机械系,河北,保定,071003
【正文语种】中文
【中图分类】TQ531.8
【相关文献】
1.利用指标气体预测预报煤矿自燃火灾 [J], 王永湘
2.煤自燃火灾指标气体预测预报的几个关键问题探讨 [J], 许延辉;许满贵;徐精彩
3.利用煤自燃的气体指标监测矿井自燃火灾 [J], 彭伯平
4.水浸长焰煤自燃预测预报指标气体试验研究 [J], 朱建国; 戴广龙; 唐明云; 叶庆树; 李鹏
5.黄陵二矿煤自燃预测预报指标气体分析试验 [J], 黄兴利
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气体分析法预测预报煤炭自燃
气体分析法预测预报煤炭自燃煤炭氧化自燃不仅会引发矿井火灾，破坏井下绿色开采环境，甚至还将导致瓦斯爆炸，严重威胁工作人员的生命健康，造成煤炭资源的浪费。
在实践中，检测煤层或煤堆排出的气体浓度是公认的一种跟踪与预测煤炭自燃与自热的有效方法。
大量的研究表明：煤炭低温氧化过程中释放的CO2和CH4气体有些是氧化产生的，有些是煤炭中本身就存在的，同时它们的浓度变化规律不强，因此，CO2和CH4不能作为预测预报煤炭自燃的指标气体。
但是，一些研究表明：可以通过煤炭氧化过程中释放的CH4、C2H6、C3H8、C4H10等烷烃气体的浓度比值对煤炭自燃发展阶段进行判断，这一指标通常被称为链烷比。
链烷比主要分为两类：一类为C2H6、C3H8、C4H10与CH4的浓度比值；一类为C3H8、C4H10与C2H6的浓度比值。
实际应用中应该选择哪个比值作为判定指标需根据不同矿区的实际情况决定。
生产实践中采用最多的预测预报煤炭自燃的指标气体是CO，有两方面的原因：一是煤炭氧化时在较低温度（30～40℃）下即可产生CO；二是CO生成量和温度之间呈指数变化关系，具有一定的规律性和可测性。
通过气体分析法，一旦发现煤炭有自燃征兆，可以采用徐州吉安研发的普瑞特防灭火技术，该技术集凝胶、黄泥灌浆、三相泡沫、氮气和阻化剂的防灭火优点于一体，特别是继承了泡沫的扩散性能和凝胶良好的固水特性。
一方面，水浆生成泡沫之后，缓慢形成凝胶，能把大量的水固结在凝胶体内，避免了浆液中大量水流失或者溃浆的缺点，大幅度提高了浆水在采空区里的滞留率；另一方面，形成的凝胶能以泡沫为载体对采空区的高、中、低位火源或浮煤大范围全方位的覆盖，且能固结90%以上水分并形成凝胶层，防火时能持久保持煤体湿润并隔绝氧气，灭火时能长久地吸热降温，防止火区复燃。
松散煤体中氧气扩散系数的实验研究_邓军
t′ D O2 = D 0 t 0
p0 . p
( 10)
因此 , 不同温度和压力条件下氧气在松散煤体 中的等效扩散系数 D e = 0. 7407nD 0 t′ 1. 5 p 0 . t0 p ( 11)
5 结 论
1) 根据实验测定结果 , 氧气在松散煤体中的 等效扩散系数与空隙率的关系为 De = 0. 7407 nDO2 . 2) 煤自燃过程中 , 不同温度和压力条件下氧 气在松散煤体中的等效扩散系数与空隙率的关系 为 D e = 0. 7407nD 0 参考文献:
[ 3, 4]
式中 : D e 为氧气在松 散煤体中的等 效扩散系 数 , m /s; DO2 为氧气在松散煤体中的分子扩散系数 , 一 般取 D O2 = 2 × 10
- 5
m / s; W 为松散煤体的扩散率 ; k l
2
为修正系数 , 一般取 kl = 1. 2 ～ 2. 5; n 为松散煤体
[2, 3 ] [1 ]
的空隙率 .
. 按空隙空径大小 , 扩散可分
: 一类是在较大空径的空隙中 , 氧气由于
气体分子间碰撞引起的扩散 (称为正常扩散或分子 扩散 ) ; 另一类是在空径小于气体分子平均自由程 的空隙中 , 由于氧气分子与壁 面碰撞引起的扩散 ( 称之为努森 ( Kundsen)扩散 ) . 对于松 散煤体 , 由 于空隙直径较大 , 氧气在煤体中的努森扩散和分子 扩散同时发生 , 其扩散性通常 用等效扩散系数表 示 . 据文献 [ 2 ] ,氧气在松散煤体中的等效扩散系数 主要与空隙尺寸和空隙类型有关 (一般漏风流速较 小 , 在此不考虑因速度波动引起的机械弥散影响 ) . 如图 1, 氧分子由 1 向2 扩散 , 在扩散过程中必须通过 曲折路径 , 虽然该路径的长度不知道 , 但一定比 x 2
采空区煤自燃高温点识别与探测技术研究与展望
采空区煤自燃高温点识别与探测技术研究与展望邓军;王津睿;任帅京;王彩萍;屈高阳;马砺【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2024(49)2【摘要】我国因采煤活动造成的采空区总量大、范围广,针对采空区煤自燃高温点的有效识别与探测是煤矿安全生产的重要保障。
从采空区煤自燃发生过程、高温点的形成运移特点概述了采空区高温点的生成演化特性,为采空区煤自燃高温点的有效识别与探测提供基础理论支撑。
围绕地下直探技术、地表及空天探测技术的基本原理、研究进展以及现场实际应用效果,从可靠性、稳定性等方面进行多元比较,剖析现有煤自燃高温点识别探测技术的适用性。
针对探测中存在的实际难点,拓展分析了矿井声波温度信息探测、基于量子技术的热源探测、毫米雷达波探测技术等新兴技术的研究现状和应用潜力,进一步推动采空区隐蔽火源精细化探测技术发展创新。
通过对现有技术的综合性研判及新兴技术的前瞻性思考,展望了煤自燃隐蔽火源探测技术的未来发展趋势,结合当前物探技术和多元信息融合理论的发展趋势,提出了采空区高温点动态运移智能可视化系统构想,从“空-天-地-孔”的综合化分时分区多维探测模式应用、“特征获取-场景仿真规划-动态决策”逐级时空演化数字孪生模型两方面阐述了矿井开采全生命周期平台建设的现实意义。
通过该构想的逐步实施,为实现采空区隐蔽火源的高效识别预测和矿井智能化建设提供新的决策思路。
【总页数】17页(P885-901)【作者】邓军;王津睿;任帅京;王彩萍;屈高阳;马砺【作者单位】西安科技大学安全科学与工程学院;陕西省煤火灾害防治重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TD75【相关文献】1.高瓦斯大采高工作面采空区煤自燃防治技术研究2.高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃相互影响研究3.大采高综采工作面撤架期间采空区浮煤自燃防治技术研究4.高瓦斯易自燃采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟研究5.大采高采空区遗煤自燃氧化规律及防灭火技术研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
煤自燃火灾指标气体预测预报的几个关键问题探讨
煤自燃火灾指标气体猜测预报的几个关键问题探讨煤在氧化升温过程中，会释放出CO、CO2、烷烃、烯烃以及炔烃等指性气体。
这些气体的产生率随煤温上升而发生规律性的变化，能猜测和反映煤自然发火状态。
CO贯穿于整个煤自然发火过程中，一般在50℃以上就可测定出来，出现时浓度较高；烷烃〔乙烷、丙烷〕出现的时间几乎与CO同步，贯穿于全过程，但其浓度低于CO，而且在不同煤种中有不同的显现规律；烯烃较CO和烷烃出现得晚，乙烯在110℃左右能被测出，是煤自然发火进程加速氧化阶段的标志气体，在开始产生时，浓度略高于炔烃气体；炔烃出现的时间最晚，只有在较高温度段才出现，与前两者之间有一个显然的温度差和时间差，是煤自然发火步入激烈氧化阶段〔也即燃烧阶段〕的产物。
因此，在这一系列气体中，选择一些气体作为指标气体，以及准确检测，就能可靠判断自然发火的征兆和状态。
C2H6浓度C3H8浓度预报结果处理措施＜50×10-6无无正常〔50～500〕×10-6无无采空自燃隐患查明原因，注胶防火〔500～1 000〕×10-6 无有有无有采空区已自燃采空区已自燃采空区已自燃马上注胶灭火马上注胶灭火停止生产，马上注胶灭火〔1 000～3 000〕×10-6 有有采空区有明火停止生产，马上注胶灭火 C2H6浓度C3H8浓度预报结果处理措施〔0～24〕×10-6〔24～100〕×10-6＞100×10-6无无无无无无正常有自燃隐患有明火查明原因，尽快采用注胶防灭火马上停止生产，查明原因，迅速采用有效防灭火措施5 结论指标气体在煤自然发火状态的猜测预报和该类火灾的早期预防方面有积极的意义，早就被世界各主要采煤国家采纳。
但由于指标选择及现有的检测技术问题，往往不能正常发挥指标气体的作用。
结合现场使用状况系统地总结了“七·五〞及其以后我国关于指标气体研究的重要成果，对指标气体的选择有指导性意义。
利用指标气体预测预报煤自燃火灾
中 ， 、 、 为 火 灾 系 数 ；５Ｃ ２＋ Ｃ 一 ０ 为 ２ ３ ＋ Ｏห้องสมุดไป่ตู้、 ５ Ｏ、 ５ ２
预测地 点 的 Ｃ Ｃ Ｏ 、 Ｏ浓度 增加 量 ， Ｏ 浓度 减少 量 。 应 用上 述预 测方 法 ， 取得较 好 的预 报效 果 ， 该
乙烷 的发 生量 高于 乙烯 的发 生量 ，乙烷 与 乙稀 之 比与温 度 的升 高 ， 烷烯 比” 逐渐 减少 。 “ 值 根 据 上 述 确 定 的 乙烷 与 乙稀 的 比值关 系 ， 就
此 ，一氧 化碳 的生 产量 成 了预测 煤 炭 自燃 的重要
或 进行 一定 的组合 运算 ， 分析 某地 点 的气体 ， 即可
预 测某地 点 区域 的煤所 处 的温度 范 围［。 ２ ］
这种通 过 气体 分析来 判 断煤温 进而 进行 自然 发火 预报 的方 法 ， 称 为间接 温度法 ， 最适 用和 可 是
Ｃ Ｈ 、 ２ 微 量气 体 依 次 出现 。尽 管 因煤 种 不 ２ ＣＨ 等 同 ， 度范 围有所 不 同 ， 某一 煤种 总有 固定 的范 温 但 围和 规律 可循 ， 根据 上 述气 体 的有 或无 、 多或 少 ．
实 验结果 表 明 ， 炭 从 常温 升到 １０℃时 ， 煤 ６ 一 氧化碳 的生成 量 随煤炭 温 度升 高而 成倍 增 加 。因
体 ， 因为从 煤炭 的 自热到 着火燃 烧 阶段 ， 不 断 是 都
地放出 Ｃ Ｏ。 因此 ， 只要在 空气 中稳 定地 出现 微量
够完善之处 ： ①预报过早 ， 若在风流 中检测出乙烯
（ 温 １０ ｑ ～ ３ Ｃ）就 进 行 预 报 ，对 燃 点 为 煤 Ｃ １０ ｑ １ ３ ０ｑ～ ６ Ｃ ４ ３ ０ｑ 的气 煤 来说 ．距 燃 点还 相差 ２ ０ｑ Ｃ ０ Ｃ
我国煤火灾害防治技术研究现状及展望_邓军
Deng Jun， Li Bei， Wang Kai， et al．Ｒesearch status and outlook on prevention and control technology of coal fire disaster in China［ J］ ．Coal Science and Technology， 2016， 44（ 10） ： 1－7， 101．
0
引
言
矿井火灾总数的 85% ～ 90% ， 其中采空区自燃火灾 ［3 ］ 占煤矿内因火灾的 60% 以上 ， 全国 25 个主要产 煤省区的 130 余个大中型矿区均不同程度地受到煤 ［4 ］ 层自然发火威胁， 如宁夏宁东矿区 、 陕北神东矿 区 象
［5 ］ ［6 ］
“十二五” 是我国煤炭工业从波澜壮阔高速发 展到断崖式下跌的转折点， 煤火灾害领域科技发展 与煤炭工业兴衰休戚与共。根据国家统计局发布的 《2015 年国民经济和社会发展统计公报 》 2015 显示， 年全国煤炭产量达到 37. 5 亿 t。 以 2011 年生产煤 2012—2015 年煤炭产量年均增长 炭 35. 2 亿 t 计算， 0. 46 亿 t。在煤炭产量持续增长的情况下， 煤矿百 万吨发火率持续下降， 煤矿重特大火灾事故明显减 少， 自燃火灾得到了极大遏制。 煤火防治科技发展 不仅对保障煤炭安全生产、 预防事故发生有直接贡 ， ， 献 而且对节能减排 促进安全生产形势好转具有重 要的意义。 在总结“十二五 ” 期间我国煤火灾害防 治科技发展特点、 成绩和进展的基础上， 结合当前煤 火灾害现状和煤炭工业发展形势， 提出煤火灾害防 治科技发展的重点研究方向， 以期为煤火灾害防治 及科技发展布局提供决策参考。 煤火灾害不同于其他类型的固体火灾， 具有自 燃、 阴燃和复燃的特点， 火源隐蔽、 贫氧氧化、 易复燃， ［1 ］ 防控难度极大 。根据煤火成因和形成条件， 其类型 可划分为 2 类： 一类是煤自燃火灾， 主要有矿井煤自 燃火灾、 地面储煤堆自燃火灾和煤矸石山自燃火灾； 另一类是煤田火灾， 属于典型的非控燃烧， 其波及面 ［2 ］ 积广、 深度大 。煤火灾害研究涉及煤火成因及煤自 燃机理、 自燃倾向性鉴定、 煤田火灾燃烧蔓延机制、 煤 、 。 火探测 煤自燃预测预报和煤火治理技术工艺等
专题之一讲基于指标气体的煤自燃的预测预报技术
H CO 306.45kJ / m ol
H CO2 450.14kJ / m ol H H 2O 349.0kJ / m ol
2.2 煤自燃指标气体产生机理
煤氧复合及CO、CO2产生机理 煤氧复合 煤氧复合过程主要分三大部分： 一)煤表面分子对氧的物理吸附； 二)煤表面分子的活性结构对氧的化学吸附； 三)在产生化学吸附的部分活性结构中发生化 学反应。这里主要推断煤与氧的化学吸附、化学反 应及其热效应 CO、CO2产生机理 以-O-CH3活性基团为例，反应过程分为三步进行， 即化学吸附过程、脱水反应和气体生成反应
常温下易于氧化的煤分子表面活性结构 桥键：
① 次甲基醚键-CH2-O-； OH OH ② 带羟基的次甲基键 CH 、 CH ③ 与 碳原子相联的次甲基键 ④ 两边都与芳环相连的次甲基键
CH2
R
CH CH2
CH2
等； ； 。
OH C CH3 等；
侧链： ⑤ 碳原子带羟基的烷基侧链
⑥ 甲氧基侧链CH3-O-； H ⑦ 羰基侧链 C=O ； OH ⑧ 羧基侧链 C=O 。
③发展到着火所需要的时间/发火期。
1.1 问题的提出
项目主要针对煤层自燃隐蔽火源点的温度，
即煤自燃的程度进行研究。期望通过本课题的 研究，寻找出能够反映实际情况下煤自燃程度 的实用性判定指标，为矿井煤层自燃预报提供 量化的理论依据，提高煤层自燃火灾预报的准 确率，并以此指导现场防灭火工作。
1.1 问题的提出
究能够反映煤自燃过程的特征温度，寻求能够
反映出这些特征温度点特性的表征参数，建立
基于指标气体的煤自燃程度判定技术，寻找预
报指标与特征温度的对应关系，以此对煤自燃 程度进行定量的判定。
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1
指标气体增长率分析法计算方法
通过程序升温试验可得出随着温度的升高， 煤 。 氧化产生的各种气体的浓度变化 常用的指标气体 指在试验产生的气体中选择可作为指标 气体的气体， 然后绘制其与温度的关系曲线。 在此 基础上， 笔者提出指标气体增长率分析法来进一步 优化指标气体分析， 以更加直观直接地得出特征温 度。由于在程序升温试验过程中， 需要人为控制升 温箱升温， 并且煤温的升高并不均匀， 使用气体分析 法所测得的气体浓度并无法准确均匀到每个温度 段， 所测得的实际气体浓度变化并不均匀 ， 所得的特 征温度点也是经验所得。并且， 在现场生产环境下， 受到风流大小、 检查仪器的误差、 取样地点的变化等 因素的影响， 很难找出指标气体浓度所对应的温度 。 因此， 建立以下公式： B = （ c i +1 － c i ） / （ t i +1 － t i ） （1） B 为温度每增长一度的气体浓度变化率 ； 其中， ci 、 c i + 1 分别为 i 时刻和 i + 1 时刻的气体浓度； t i 、 ti + 1 分别为 i 时刻和 i + 1 时刻的温度。计算气体浓度变 化率相对于浓度整体的增长率 Z ， 即： Z = B / ci （2） ci （ ti + 1 － 由式 （ 1 ） 、 式 （ 2 ） 得： Z = （ c i + 1 － c i ） /［ ti ） ］ 。该公式可研究温度每增长 1 ℃ 所对应的气体 浓度变化情况， 同时分析随着温度的变化， 煤样的氧 化程度及特征温度点， 该方法称为指标气体增长率 分析法。笔者通过程序升温试验， 选取指标气体， 对 指标气体及 φ（ CO2 ） / φ（ CO ） 、 链烷比进行浓度分析 和指标气体增长率分析， 对比指标气体分析法和指 50 分析法
Study on Determination of Coal Spontaneous Combustion Characteristic Temperature Based on Analysis Method of Index Gas Growth － Ｒate
2 2 2 DENG Jun1， ， ZHAO Jingyu1， ， ZHANG Yanni1，
0
引
言
［1 － 2 ］
［4 ］ 方法多样， 主要以指标气体分析法 为主。 在对指 标气体的浓度分析过程中， 通用的方法是绘出指标
我国煤炭自燃火灾十分严重
， 程序升温试
验可以得出煤自燃的临界温度和干裂温度等特征温 ［3 ］ 度 ， 并得知煤自燃程度的变化。 测定特征温度的
收稿日期：2014 － 02 － 24 ；责任编辑：王晓珍 作者简介：邓 引用格式：邓
第 42 卷第 7 期
2014 年 7月
煤炭科学技术
Coal Science and Technology
Vol. 42 July
No. 7 2014
基于指标气体增长率分析法测定煤自燃特征温度
1， 2 1， 2 1， 2 邓 军 ， 赵婧昱 ， 张嬿妮
（ 1． 西部矿山开采与灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安 710054 ；2． 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054 ）
（ 1 ． MOE Key Lab of Mining and Disaster Prevention in China Western Mine， Xian 710054 ， China； 2 ． School of Energy， Xian University of Science and Technology， Xian 710054 ， China）
49
2014 年第 7 期
［6 ］
煤炭科学技术
标气体增长率分析法得出特征温度点 。
第 42 卷
氧速率与煤温关系测试特征温度； 邓凯 通过氧气 CO 产生速率和放热强度等来 浓度与温度变化曲线、 确定特征温度； 邓军
［7 ］
链烷 利用 φ （ CO2 ） / φ （ CO ） 、
［8 ］
2
试验装置与试验条件
Abstract ：In order to determine the characteristic temperature for coal spontaneous combustion， a programmed temperature experiment system was applied，and an analysis method of index gas growth － rate was established on analysis method of index gas． The analysis was conducted on the CO and C2 H4 index gas， alkane ratio and the growth － rate． The characteristic temperatures of coal spontaφ（ CO） / φ（ CO2 ） ， neous combustion for the different metamorphic grade coal samples were obtained． The critical temperature of non － caking coal from Fucheng Mine was 70 ～ 80 ℃ and the dry cracking temperature was 110 ～ 120 ℃ ． The critical temperature of weak caking coal from Shuiliandong Mine was 70 ～ 80 ℃ and the dry cracking temperature was 115 ～ 125 ℃ ． The critical temperature of long flame coal from Yuhua Mine was 60 ～ 70 ℃ and the dry cracking temperature was 100 ～ 110 ℃ ． The critical temperature of gas － fat coal from Zhaolou Mine was 80 ～ 90 ℃ and the dry cracking temperature was 110 ～ 120 ℃ ． The analysis results showed that the spontaneous combustion characteristic temperature of the different metamorphic grade coal samples obtained with the analysis method of index gas growth － rate was the same of the characteristic temperature obtained with the analysis method of index gas． The coal samples with higher metamorphic grade would not be easily oxidized． Key words：coal spontaneous combustion；programmed temperature；analysis method of index gas growth － rate；1
程序升温试验装置
设定空气流量为 120 mL / min， 升温速度为 0. 3 ℃ / min。试验条件见表 1 。
表1 程序升温箱煤样加热升温试验条件
煤样 试管煤高 / cm 平均粒径 / mm 煤体积 / cm3 密度 / （ g·cm － 3 ） 不黏煤 弱黏煤 长焰煤 气肥煤 16. 2 16. 3 16. 0 16. 0 4. 18 4. 18 4. 18 4. 18 1 271. 7 1 271. 1 1 272. 2 1 271. 6 0. 865 0 0. 865 4 0. 864 6 0. 865 1
气体浓度与温度的变化曲线， 由此确定特征温度， 此 外各学者使用了不同的方法进行特征温度的研究 ： 谢振华等
［5 ］
使用 CO 升温率与煤温的关系曲线和耗
DOI：10． 13199 / j． cnki． cst． 2014． 07． 013
51204136 ， 51134019 ） 基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51244001 ， E － mail：zhaojingyu2013@ gmail． com 军（ 1970 —） ， 男， 四川大竹人， 教授， 博士生导师。Tel：18629426155 ， 56． J］ ． 煤炭科学技术， 2014 ， 42 （ 7 ） ：49 － 52 ， 军， 赵婧昱， 张嬿妮． 基于指标气体增长率分析法测定煤自燃特征温度［
［10 ］
［12 ］ 试验采用自主研发的程序升温试验台 进行， 选用福城矿不黏煤、 水帘洞矿弱黏煤、 玉华矿长焰煤
和赵楼矿气肥煤进行试验， 煤样经破碎后筛分出粒 度为 0. 9 ～ 10 mm 的混合煤样各 1 100 g。在相同的 试验环境下， 使用指标气体分析法和增长率分析法 研究各个矿混合粒径煤样的指标气体及 φ （ CO2 ） / φ（ CO） 、 链烷比的变化情况， 得出特征温度点。 程序升温试验装置如图 1 所示， 主要由气路部 分、 试管及控温部分和气体采集及分析 3 个部分组 成。程序升温箱 （ 控温箱 ） 炉膛尺寸为高 50 cm、 宽 40 cm、 长 30 cm。箱体内缠绕了 2 m 长的铜管， 这是 。 9. 5 cm 、 为了使预热时间滞后 箱体内试管直径 高 25 cm， 装煤量可达 1. 1 kg， 试管的上下两端要分别 留有 2 cm 左右的自由空间， 空间采用直径为 0. 15 ［12 ］ mm 铜丝网托住煤样， 以便均匀通气 。