CN116517631A - 一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法 - Google Patents
一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116517631A CN116517631A CN202310383586.3A CN202310383586A CN116517631A CN 116517631 A CN116517631 A CN 116517631A CN 202310383586 A CN202310383586 A CN 202310383586A CN 116517631 A CN116517631 A CN 116517631A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coal
- magma
- temperature
- spontaneous combustion
- erosion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003245 coal Substances 0.000 title claims abstract description 237
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims abstract description 66
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 title claims abstract description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 title claims abstract description 32
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 63
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims abstract description 62
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 72
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 40
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 25
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 17
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 10
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 claims description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 2
- 150000003254 radicals Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 claims 3
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims 1
- 239000002734 clay mineral Substances 0.000 claims 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 claims 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 16
- 238000007726 management method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000005065 mining Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 abstract description 3
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 description 11
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 7
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 4
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 2
- 239000002274 desiccant Substances 0.000 description 2
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 2
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 241000122205 Chamaeleonidae Species 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000010425 asbestos Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 125000001183 hydrocarbyl group Chemical group 0.000 description 1
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 229910052895 riebeckite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 239000004079 vitrinite Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21F—SAFETY DEVICES, TRANSPORT, FILLING-UP, RESCUE, VENTILATION, OR DRAINING IN OR OF MINES OR TUNNELS
- E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
- E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N30/00—Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
- G01N30/02—Column chromatography
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Geology (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geometry (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其属于煤矿安全生产技术领域；解决了实际开采中不能准确判断岩浆侵蚀煤体易自燃的危险区域问题。为探究基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分的标准，利用煤中原生活性位点与次生叠加活性位点浓度及常温氧化实验中煤心温度升高幅度进行对比得出。根据所得的实验数据结合受热煤体活性位点的氧化观点发现活性位点浓度与氧化过程的升温幅度成正相关，氧化过程的升温幅度即是活性位点浓度的直接体现。结合数值模拟分析计算进而实现对受岩浆侵蚀煤体自燃危险区域进行准确划分，完善受岩浆热影响煤层易自燃程度的标准，为开采受岩浆侵蚀的煤田提供预警和降低管理成本的作用。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿安全生产技术领域，更具体地说，是涉及一种于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自然危险区域划分方法。
背景技术
中国东部中生代存在大规模岩浆活动。煤矿开采过程中，随着采深的增加，越来越多的煤矿出现岩浆侵蚀煤田的情况。岩浆携带的巨大热量会使煤在原有的深成变质作用的基础上进行二次发育，造成二次生烃，使煤层瓦斯含量增加，煤中的含氧官能团受岩浆热的影响产生大量的活性位点并积累。与原煤相比受岩浆热影响煤体的孔隙率、孔容、平均孔径增加，直径≥20nm的孔隙增加，O2运输能力增加，而孔隙的发育大大提高了活性物质与氧的接触面积。受岩浆侵蚀的煤体水分和挥发分减少，灰分增加，相比于正常的煤自燃过程要经历潜伏期、自热期、燃烧期，受岩浆侵蚀的煤体会直接到达自热期且升温速率极快。受岩浆侵蚀的煤体在开采时伴随着高浓度的瓦斯一旦发生自燃现象，极易在井下发生爆炸，造成巨大的人员伤亡和损失。
受岩浆热影响的煤样本质上属于一类特殊的受高温热解后的煤样，和正常煤样相同的是都会在开采时经历低温氧化过程，不同的是受岩浆热影响的煤样是先经历高温热解后再经历低温氧化过程。而煤样的热解对低温氧化过程有着重要的影响，煤中含氧官能团受热分解会产生大量的活性位点，活性位点可以在惰性气体条件下稳定存在并积累，一旦接触氧气即使在常温下也会产出大量的CO和CO2等产物并放出大量的热，因此，本发明提出的一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法是基于受热煤体活性位点的常温氧化观点与热解-常温氧化实验的。岩浆侵入煤体后岩浆的热效应会使整片区域的煤在不同温度下发生热解产生大量的活性位点，而岩浆的封盖作用使得活性位点在封闭条件下稳定存在并慢慢积累，当开采至相应位置的煤体时新鲜风流携带大量氧气涌入工作面使活性位点迅速氧化放热出现开采时自然发火的情况。
在实际生产中受岩浆侵蚀的煤体在开采时常常伴随着高浓度的瓦斯，一旦煤体出现自燃现象极易在井下发生爆炸，造成巨大的人员伤亡和不可估量的损失。另一方面大量矿井在开采受岩浆侵蚀煤体时一旦出现自燃迹象便会立即封闭整条巷道，并将整片区域无差别的按照Ⅰ类自燃煤体进行管理，这无疑增加了对于井下维护的成本。而利用本发明提出的一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法将受岩浆热影响区域的煤体进行自燃危险等级划分，可将最易自燃的煤体区域与不易自燃煤体区域准确的区分开，依据划分结果再采取相应的管理办法，这种精准管理可大大降低在开采受岩浆侵蚀煤体时对井下的维护成本，减少不必要的资源浪费。因此，本发明提出一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，将受岩浆热影响的煤体按照岩浆热影响的温度结合受热煤体活性位点的常温氧化观点将煤的自燃危险区域准确划分，形成精准管理和预警，减少企业损失和不必要的资源浪费。
发明内容
针对实际生产中对受岩浆热影响煤体自燃危险区域预警与划分技术的发展滞后情况，本发明提出一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法。所述的划分方法能够准确的划分出受岩浆热影响后煤体自燃的危险区域，为实际生产提供自燃预警和实施受岩浆侵蚀煤体管理的理论基础。
为解决上述技术问题，为此本发明包括以下步骤：
1)选择一种煤种煤样，剥离煤样表面氧化层后利用行星式球磨机进行破碎；
2)将真空球磨罐移至程序升温炉中连接气泵抽负压并使程序升温炉保持恒温，去除煤表面的水分和吸附的气体；
3)干燥结束降至室温后，将真空球磨罐移至真空手套箱中，在真空手套箱内部对煤样进行筛选，选取煤样并装入反应容器，在煤样的几何中心插入热电偶；
4)将反应容器置于程序升温炉中开始加热，升温的同时，将保护性气体按照一定的气体流量通入反应容器，使反应容器中的煤样开始热解，产生热解气体；
5)实时测量煤心温度，待煤心温度达到实验预设温度时保持恒温。恒温一定时间后开始自然降温至室温；
6)煤心温度降至一定温度时，程序升温炉在一定温度恒温保持，热电偶实时记录煤心温度变化；
7)待煤心温度恒定一定温度后，按照一定的气体流量通入空气；
8)通入空气后，热电偶开启实时记录温度功能,记录通入空气后煤心温度变化；
9)在通入空气的同时将产生的气体经过干燥过滤装置后通入气相色谱仪进行气体分析，对气体进行成分和含量测定；根据热解后氧化的升温幅度来确定易自燃煤体所处的热分解温度范围。
10)另选一种煤种煤样，剥离煤样表面氧化层后利用行星式球磨机进行破碎，重复上述步骤，探究受岩浆热影响煤体热解及热解后氧化煤心升温幅度和升温速率。
11)根据实验数据可知煤氧化过程的升温幅度和升温速率均与煤中活性位点浓度成正相关，煤氧化过程的升温幅度和升温速率即为煤中活性位点浓度的直接体现，以一种煤中活性位点浓度或氧化升温幅度或升温速率为标准对比另一种煤在不同热解温度下产生的原生和次生叠加的活性位点浓度或氧化升温幅度或升温速率，进而判断另一种煤易自燃的热解温度范围；
12)依据所得的另一种煤易自燃热解温度范围，利用数值模拟软件计算模拟出的岩浆热场，并利用镜质组反射率等实际验证方法来对计算模拟出的岩浆热场和划分出的易自燃危险区域进行验证，从而完成基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分；
优选的，在步骤1)所述选择一种煤种煤样，选择同煤层中未受岩浆侵蚀热影响的煤样。
进一步的，可选择任意非Ⅰ类煤进行热解及热解后的氧化实验。
优选的，在步骤2)中将真空球磨罐移至程序升温炉中连接气泵抽负压并使程序升温炉恒温，气泵用来抽负压0.1MPa，程序升温炉恒温40℃保持10h。
优选的，在步骤3)中选取80-120目的煤样，将煤粉样品装入煤样罐，在煤样罐进气与出气端铺两层石棉片，拧紧煤样盖，并检查气密性。
优选的，在步骤4)煤样罐安置在程序升温炉中，升温的同时，将N2气体按照一定的气体流量通入煤样罐，煤样开始热解。程序升温炉带有计时系统，且设有温度传感器，能够控制升温速率。温度测量装置采用了专业温度测量仪和K型耐高温铠装热电偶进行测量。
优选的，在步骤6)将热解煤样降至30℃，程序升温炉保持30℃。
优选的，在步骤8)待煤心温度恒定30℃后，按照一定的气体流量向煤样罐中通入空气，热电偶开启实时温度记录功能，记录常温氧化煤心温度变化和升温速率。
优选的，在步骤9)中气相色谱仪的前端连接有干燥管，干燥管填充变色硅胶干燥除湿剂。气体产物的两个流经路线上均链接有直通阀，当不需要分析气体产物时，打开放空一端的直通阀，关闭气相色谱仪一端的直通阀，持续放空；待要分析测定气体产物时，关闭放空一端的直通阀，打开气相色谱仪一端的直通阀，进行分析测定。
优选的，在步骤10)所述的另选一种煤样，可选择受岩浆侵蚀热影响温度范围内的煤种煤样。
优选的，气相色谱仪型号为安捷伦GC990，分析测定所用载气为氩气或氦气。
本发明中，已经述及和下文将要述及的概念有以下含义：
氧化特征参数，即热解后氧化实验所测得的升温幅度、升温速率、气体参数、吸氧量、活性位点浓度、自由基浓度等。
升温幅度，为热解后氧化通入空气后煤心温度变化幅度。
升温速率，为热解后氧化通入空气后煤心温度与升温至最高的时间关系，即升温速度。
吸氧量，煤在常温、常压下，每克干煤吸附流态氧的量。
气体产物，即煤常温氧化过程中产生的一系列氧化性气体，一般包括：CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2、C3H6。
质量流量计，一种精确测量气体流量的仪表，其测量量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿。其可以控制和直接测量介质瞬时质量流量、体积流量、温度、密度等等。本发明中，通过质量流量计控制测量O2和N2的体积流量。
气相色谱是一种分析速度快、分离效率高的分离分析方法，因为其分析灵敏度高、应用范围广等优点，被广泛应用于各领域的科学研究中。本发明使用的气相色谱仪型号为安捷伦GC990，分析测定所用载气为氩气或氦气。
ppm为浓度的一个单位，为百万分之一，等于0.0001％。对于气体来说，ppm一般指摩尔分数或体积分数。
分析气体就是指通入安捷伦GC990气相色谱仪的混合气体，其包括煤低温氧化过程中产生的气体产物。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
现对于岩浆侵蚀煤体的研究大多是关于瓦斯赋存的研究，而对于受岩浆侵蚀煤体自然危险区域划分方面还鲜有研究。本发明依据受热煤体活性位点的常温氧化观点，以煤中的原生活性位点浓度和常温氧化煤心升温幅度为标准，对比受岩浆热影响煤中次生叠加的活性位点浓度和常温氧化煤心升温幅度，实现对受岩浆侵蚀易自燃煤体所处的热分解温度范围进行精准划分。与目前受岩浆侵蚀煤体研究只探究程序升温前后煤样的孔隙率、孔径、孔容以及升温过程中的气体变化趋势相比，本发明在受热煤体活性位点氧化观点的基础上利用数值模拟软件可以做到对受岩浆侵蚀煤体危险区域的精准划分，完善受岩浆热影响煤层易自燃程度的标准，为开采受岩浆侵蚀的煤田提供预警和降低管理成本的作用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的热解-氧化装置的结构原理图；
图2为本发明的受岩浆侵蚀煤体危险区域示意图。
图中符号标记：
1.干空气气瓶；2.N2气瓶；3.质量流量计；4.三通阀；5.程序升温炉；6.热电偶传感器；7.煤样罐；8.常温氧化煤样；9.直通阀；10.干燥管；11.气相色谱仪；12.电脑。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
请参阅图1，本发明提供一种定量测定煤低温氧化气体产生量的装置，包括干空气气瓶1和N2气瓶2，干空气气瓶1和N2气瓶2的外端管道上均连接有质量流量计3，质量流量计3的另一端通过三通阀4与程序升温炉5相连接，程序升温装置内放置煤样罐7，煤样罐7上还连接有煤心温度热电偶传感器6。
本实施例中，常温氧化煤样8设置在煤样罐7内，程序升温装置的另一端也连接有三通管路，其中一端放空，另一端通过过滤器10连接有气相色谱仪11，并且气体产物的两个流经线路上均连接有直通阀9；通过程序升温炉5中计时系统和煤心温度热电偶传感器6分别进行气体产物温度和温度的持续分析测定；气相色谱仪11与电脑12相连接，通过电脑12对气体产物的分析结果进行处理。更进一步的，本实施例中，过滤器10内填充有变色硅胶干燥除湿剂，需要定期进行更换。
针对实际生产中对受岩浆热影响煤体自燃危险区域预警与划分技术的发展滞后情况，本发明提出一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法。与目前受岩浆侵蚀煤体研究只探究程序升温前后煤样的孔隙率、孔径、孔容以及升温过程中的气体变化趋势相比，本发在受热煤体活性位点的常温氧化观点的基础上利用数值模拟软可以做到对受岩浆侵蚀煤体危险区域的精准划分，完善受岩浆热影响煤层易自燃程度的标准，为开采受岩浆侵蚀的煤田提供预警和降低管理成本的作用。
实施例1：
通过该分析方法对某矿基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分，分析方法包括如下步骤：
1)选择一种Ⅰ类煤中自燃倾向性最低的煤样，剥离煤样表面氧化层后利用行星式球磨机进行破碎。
2)将真空球磨罐移至程序升温炉中连接气泵抽负压并使程序升温炉恒温40℃保持10h，去除煤表面的水分和吸附的气体。
3)干燥结束降至室温30℃后，将真空球磨罐移至真空手套箱中，在真空手套箱内部对煤样进行筛选，选取80-120目的煤样60g并装入煤样罐7中备用，在煤样的几何中心插入热电偶6，并检查气密性。
4)将煤样罐7移至程序升温炉5中，通入气体质量流量为60ml/min的空气1，同时热电偶6开启实时记录温度功能，记录通入空气后煤心温度变化，记录间隔为10s。
5)在通入空气的同时将产生的气体经过干燥管10后通入气相色谱仪11进行气体分析，对气体进行成分和含量测定。
本实施例中，气相色谱仪11选用安捷伦GC990，载气选定氩气或氦气。
6)选择另一种非Ⅰ类煤样，剥离煤样表面氧化层后利用行星式球磨机进行破碎。
7)将真空球磨罐移至程序升温炉5中连接气泵抽负压并使程序升温炉5恒温40℃保持10h，去除煤表面的水分和吸附的气体。
8)干燥结束降至室温30℃后，将真空球磨罐移至真空手套箱中，在真空手套箱内部对煤样进行筛选，选取80-120目的煤样60g并装入煤样罐7，在煤样的几何中心插入热电偶6。
9)将煤样罐置于程序升温炉5中开始加热，实验预设热解温度为200℃、300℃、400℃、500℃、600℃，升温的同时，将N2气体2按照气体流量100ml/min通入煤样罐7，使煤样罐中的煤样开始热解，产生热解气体。
10)实时测量煤心温度，待煤心温度达到实验预设温度时保持恒温10h。恒温10h后开始自然降温至30℃。
11)煤心温度降至30℃时，程序升温炉5恒温保持30℃，热电偶6实时记录煤心温度变化。
12)待煤心温度恒定30℃后，按照60ml/min的气体流量通入干空气1。
13)通入空气后，热电偶6开启实时记录温度功能,记录通入空气后煤心温度变化，记录间隔为10s。
14)煤常温氧化产生的气体产物进入三通后一端放空，一端经过滤器10进入气相色谱仪11；在气相色谱仪进行气体采集阶段，关闭放空一端的直通阀9，将煤常温氧化产生的气体产物持续通入气相色谱仪11中进行分析，其余时间直通阀9均在排空一端。
15)根据实验数据可知煤常温氧化过程的升温幅度与煤中活性位点浓度成正相关，煤常温氧化过程的升温幅度即为煤中活性位点浓度的直接体现，以Ⅰ类煤中活性位点浓度与常温氧化升温幅度为标准对比非Ⅰ类煤在不同热解温度下产生的原生和次生叠加的活性位点浓度与常温氧化升温幅度，进而判断非Ⅰ类煤易自燃的热解温度范围。
16)依据所得的非Ⅰ类煤易自燃热解温度范围，利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件对岩浆侵入煤体后的温度场进行模拟，结合实验中所得到的最易自燃的热影响温度，从而完成基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域的划分。
选用的Ⅰ类煤在常温氧化实验中煤心温度升高2.09℃，非Ⅰ类煤在热解-常温氧化实验中热解温度为70℃时常温氧化实验煤心温度升高了2.06℃，根据受热煤体活性位点的常温氧化观点，非Ⅰ类煤在受热解时产生了活性位点，而活性位点在惰性气体下保存并累积，一旦接触氧气产生大量的热，使煤心温度升高。在实际开采受岩浆侵蚀煤层区域时，受岩浆热影响煤体中封存着大量的活性位点，而工作面的新鲜风流携带着大量氧气使活性位点发生反应并放热，一旦蓄热条件稍加满足，活性位点氧化放出的热量会导致含氧官能团继续产生活性位点，而活性位点与氧气反应又会放出大量的热产生更多的含氧官能团，直接会引起煤自燃，受岩浆侵蚀的煤体通常伴随着高浓度的瓦斯，极易引起爆炸。故将受岩浆侵蚀煤体受影响范围划分为易自燃区，将受70-900℃影响范围划分为自燃危险区域，将常温-70℃、900-1200℃划分为不易自燃区。
更进一步的，本发明中，选择的Ⅰ类煤为Ⅰ类煤中自燃倾向性最低的煤，而非Ⅰ类煤可以是除Ⅰ类煤中的任意一种煤。
气体产物，即受岩浆热影响的煤样在常温氧化过程中产生的一系列氧化性气体，一般包括：CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2、C2H6、C3H8。
质量流量计，一种精确测量气体流量的仪表，其测量量值不因温度或压力的波动而失准，不需要温度压力补偿；其可以控制和直接测量介质瞬时质量流量、体积流量、温度、密度等等，本发明中，通过质量流量计可控制测量干空气和N2的体积流量。
气相色谱是一种分析速度快、分离效率高的分离分析方法，因为其分析灵敏度高、应用范围广等优点，被广泛应用于科学研究中。本发明使用的气相色谱仪的型号为安捷伦GC990，分析测定所用载气为氩气或氦气。
分析气体就是指通入安捷伦GC990气相色谱仪的煤常温氧化过程中产生的气体产物。
本发明通过对煤样进行不同温度的高温热解后的常温氧化，通过常温氧化过程中的温度变化，通过气相色谱仪分析常温氧化过程中产出的气体产物的成分和含量，依据活性位点理论进而判断不同温度条件下热解活性位点的产生情况，结合活性位点的产生对岩浆侵蚀煤体的自然危险区域进行划分。
与目前受岩浆侵蚀煤体自燃危险区域研究只能通过采样地点的煤样自燃特性和煤样的变质程度仅能得到粗略的煤质变化趋势相比，本发明可以做到在利用活性位点理论结合数值模拟软件来完成的准确的划分出整片受岩浆侵蚀煤体自燃危险区域，完善受岩浆热影响煤层易自燃程度的标准，为开采受岩浆侵蚀的煤田提供预警和降低管理成本的作用。
更进一步的，本发明中未尽事宜为公知技术，此处不再赘述。
在本发明的描述中，需要理解的是，诸如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，利用井下岩浆热影响范围外的煤样进行热解及热解后的氧化实验，根据热解后氧化的特征参数来确定易自燃煤体所处的热分解温度范围；根据数值模拟计算找到岩浆热影响区域的温度场分布；确定岩浆侵蚀煤体自燃危险区域，并进行危险区域划分；利用现场数据对自燃危险区域及划分的合理性进行验证。
2.根据权力要求1所述的一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，所述的根据热解后氧化的特征参数来确定易自燃煤体所处的热分解温度范围，可将相同煤层中未受岩浆热影响煤体的氧化特征参数作为标准，对比受岩浆侵蚀热影响区域内煤体的热解后氧化特征参数，热解后氧化特征参数中，其升温幅度高于未受岩浆侵蚀热影响煤体氧化升温幅度的热分解温度范围，即为受岩浆侵蚀易自燃煤体所处的热分解温度范围。
3.根据权利要求1所述的一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，所描述的热解后氧化特征参数，包括但不限于热解后氧化的升温幅度、升温速率、气体参数、吸氧量、活性位点浓度、自由基浓度等。
4.根据权力要求1所述的一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自然危险区域划分方法，其特征在于，所述的根据数值模拟计算找到岩浆热影响区域的温度场分布，可利用数值模拟软件根据岩浆的具体参数来对岩浆侵入煤体后的温度场进行模拟，准确的划分出岩浆热影响具体的温度范围。
5.根据权利要求1所述的一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，根据热解及热解后的氧化实验所得的实验数据，结合数值模拟计算出的岩浆热影响区域的温度场分布，确定受岩浆热影响煤体易自燃危险区域，更进一步的对自燃危险区域进行划分。
6.根据权利要求1所述的一种基于活性位点产生的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，可利用测量古地温的方法，对数值模拟计算出的岩浆侵蚀煤体后的温度场进行验证。根据矿井实际情况综合选用钻孔测温法、(U-Th)/He、裂变径迹定年方法以及镜质体反射率、流体包裹体、黏土矿物转变估算方法来对古地温进行测量，通过所得的数据与数值模拟计算出的岩浆侵蚀温度场和热影响范围对比进行验证。
7.根据权利要求2所述的一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，可选择Ⅰ类煤中自燃倾向性相对较低的煤样进行原生活性位点的常温氧化实验，选择任意非Ⅰ类煤种进行不同温度的热解实验以及热解后次生叠加活性位点的常温氧化实验，以Ⅰ类煤的原生活性位点浓度或热解后常温氧化升温幅度为标准，对比非Ⅰ类煤的次生叠加活性位点浓度或热解后的常温氧化升温幅度，大于等于原生活性位点浓度或热解后的常温氧化升温幅度的热解温度范围即为受岩浆侵蚀煤体热分解易自燃危险温度范围，并对处于岩浆侵蚀热影响范围内的煤体进行相应的自燃危险等级划分。
8.根据权利要求6所述的一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法，其特征在于，依据以每克干煤在常温(30℃)、常压(1.013×105Pa)下吸氧量作为分类的主要指标，当煤样干燥无灰基挥发分Vdaf>18％时煤的吸氧量Vd/(cm3/g)>0.7，煤样干燥无灰基挥发分Vadf≤18％时吸氧量Vd/(cm3/g)≥1、全硫Sq/％≥2的煤为Ⅰ类煤。选择Ⅰ类自燃煤中自燃倾向性相对最低的煤中原生活性位点浓度和常温氧化升温幅度为标准，来作为非Ⅰ类受岩浆侵蚀煤体自燃危险区域的划分依据。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310383586.3A CN116517631A (zh) | 2023-04-12 | 2023-04-12 | 一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310383586.3A CN116517631A (zh) | 2023-04-12 | 2023-04-12 | 一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116517631A true CN116517631A (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=87403909
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310383586.3A Pending CN116517631A (zh) | 2023-04-12 | 2023-04-12 | 一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116517631A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117612656A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-02-27 | 江苏瑞斯达安全防护用品有限公司 | 一种基于手套储能的相变材料剩余蓄热量测量方法及系统 |
-
2023
- 2023-04-12 CN CN202310383586.3A patent/CN116517631A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117612656A (zh) * | 2024-01-22 | 2024-02-27 | 江苏瑞斯达安全防护用品有限公司 | 一种基于手套储能的相变材料剩余蓄热量测量方法及系统 |
| CN117612656B (zh) * | 2024-01-22 | 2024-04-02 | 江苏瑞斯达安全防护用品有限公司 | 一种基于手套储能的相变材料剩余蓄热量测量方法及系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wang et al. | Assessment of spontaneous combustion status of coal based on relationships between oxygen consumption and gaseous product emissions | |
| Hill et al. | Modeling of gas generation from the Barnett shale, Fort Worth Basin, Texas | |
| CN105651648B (zh) | 一种置换及吸附解析模拟测试系统及方法 | |
| CN116517631A (zh) | 一种基于活性位点的岩浆侵蚀煤体自燃危险区域划分方法 | |
| Yang et al. | Fine coal covering for preventing spontaneous combustion of coal pile | |
| CN102619499B (zh) | 监测煤炭地下气化温度带分布的方法 | |
| CN102353763A (zh) | 一种测试煤炭自燃发火期小型模拟装置 | |
| Bhaskaran et al. | Comparison between two types of Indian coals for the feasibility of Underground Coal Gasification through laboratory scale experiments | |
| CN106066291A (zh) | Co2置换页岩气及页岩对页岩气或co2的吸附解析模拟测试系统与方法 | |
| Azmi et al. | The influence of temperature on adsorption capacity of Malaysian coal | |
| Zhang et al. | Interactions of sulfur dioxide with coals: implications for oxy-coal combustion flue gas sequestration in deep coal seams | |
| Kostúr et al. | Low-calorific gasification of underground coal with a higher humidity | |
| CN110823757A (zh) | 低渗煤层气微波-液氮循环冻融促解增渗实验装置及方法 | |
| CN111337388A (zh) | 一种基于扩散率曲线差减法快速测定煤层瓦斯含量方法 | |
| Onifade | Spontaneous combustion liability of coals and coal-shales in the South African coalfields | |
| CN205719852U (zh) | Co2置换页岩气及页岩对页岩气或co2的吸附解析模拟测试装置 | |
| Feng et al. | Gas production performance of underground coal gasification with continuously moving injection: Effect of direction and speed | |
| CN103982180B (zh) | 确定煤炭地下气化过程中气化工作面长度的方法及装置 | |
| Wang et al. | Spontaneous combustion of coal | |
| Xu et al. | The cataclysmic characteristics for bituminous-coal oxidation under uniaxial stress based on catastrophe theory | |
| Karbownik et al. | The unipore and bidisperse diffusion models for methane in hard coal solid structures related to the conditions in the Upper Silesian Coal Basin | |
| CN114487161A (zh) | 一种可定量测定煤低温氧化气体产生量的分析方法及装置 | |
| CN202442934U (zh) | 煤/页岩吸附量测定装置 | |
| Zhang et al. | Experimental study on the gas flow characteristics and pressure relief gas drainage effect under different unloading stress paths | |
| CN201309917Y (zh) | 煤异常热变模拟装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |