陕北易自燃煤层低温氧化特性及其表征参数研究

Northern Shaanxi coal mine areas are rich of high quality coal,such as non-caking coal and long flame coal. Coal seam has low degree of change and high silk group content and are all easily spontaneous combustible and shallow buried seam. It seriously threaten the safety of coal mining.Taking northern shaanxi coal seam as object，research are carried out on：1)Apparent structure characteristics of coal sample by using scanning electron microscopy and XRD instruments.2）By using infrared spectrometer，comparision of infrared spectrum characteristic of original and oxidazied coal sample is analized to give the changing principle of micro structure of coal in low temperature oxidation.Guass-03 quantum chemical analysis software is applied， micro process of coal in low temperature oxidation is simulated, oxidation reaction model of coal surface activity groups is established. reaction activation energy thermal dynamic parameters of coal surface are analized,such as activity groups of coal in low temperature oxidation. key activity groups and its key reaction steps of coal in low temperature oxidation are determined.3)Thermal analsis and infraed anaysis are used to analyze the dynamic parameters,such as surface characterisitcs and activate energy. Through combined analysisi, the coal sponateous comnbustion characteristics are determined. It provides guide to principle of coal sopontanoues combustion and judgement for it.

陕北矿区赋存丰富的不粘煤和长焰煤等优质煤炭，由于煤层变程度低，丝质组含量高，煤层自燃倾向性几乎均为自燃或容易自燃煤层，煤层埋藏浅，在适宜的外界或开采条件下易自然发火，严重威胁着煤炭的安全开采。本课题以陕北主要开采煤层为研究对象，主要研究：1）利用扫描电镜、XRD等仪器研究煤样的表观结构特征。2）采用傅里叶红外光谱仪，通过对原煤样和氧化煤样红外光谱特征的对比分析，得出煤低温氧化微观结构的变化规律。应用Guass-03量子化学分析软件，模拟煤低温氧化微观过程，建立煤表面活性基团低温氧化反应模型，分析煤表面活性基团低温氧化反应活化能等热动力学参数，确定出煤低温氧化的关键活性基团和关键反应环节。3）采用热分析-红外实验研究煤低温自燃过程中表观特征与煤氧化活化能等动力学参数，通过关联分析，确定出煤自燃性表征参数。研究结果为揭示煤自燃机理及评价自燃性提供理论依据。

本课题针对陕北易燃煤的氧化自燃过程，研究煤氧化自燃的微观特征和宏观表征特性，取得了以下主要研究成果：(1)掌握了陕北易燃煤表观结构特征。研究表明：陕北易燃煤成煤时间较短，变质程度较低，具有氧含量较高，水分含量较大，灰分含量较低，挥发份含量较高的特点。煤中芳香环缩合度较低，晶体结构的有序性较差，且含有较多的脂链和脂环结构。煤分子结构中的活性结构较多，其中含氧官能团及侧链甲基、亚甲基具有较高的反应活性。从内在属性上决定其自燃倾向性较高。(2)确定出了陕北易燃煤自燃过程的5个特征温度，考查了不同升温速率、不同粒度、不同样品量等实验条件的影响，得出了陕北易燃煤氧化过程中水分蒸发阶段及吸氧增重阶段的热动力学参数和最概然机理函数。研究表明：陕北易燃煤的自加速反应特征温度点较低，其表观活化能E均较低，指前因子A均较高，自燃氧化性较强。水分蒸发及脱附阶段的反应机理函数为n=2的Mampel Power法则，在吸氧增重阶段的机理函数为n=3的Avrami-Erofeev方程。(3)研究了煤分子结构中的4类官能团，掌握了陕北易燃煤自燃过程中官能团的变化特征。研究表明：陕北易燃煤分子结构中对煤氧化过程影响较大的官能团为羟基、甲基与亚甲基、烷基醚和羧基。(4)量化模拟了陕北易燃煤分子中主要活性基团分步氧化历程，得出活性基团氧化生成水、一氧化碳和二氧化碳的反应途径，并通过对活性基团微观反应过程中的活化能等相关热力学和动力学参数分析，得出煤分子中不同活性基团的反应决速步和活性大小次序，不同活性基团反应活化能、反应焓变的差异导致其对煤氧化自燃贡献的不同。(5)确定出陕北易燃煤耗氧速率、放热强度和气体产生量及产生速率等宏观表征参数。研究表明：陕北易燃煤样在氧化过程中耗氧速率快，放热强度高，气体产生量及产生速率高，自然发火期短，自燃性较强。研究成果为进一步揭示陕北易燃煤低温氧化自燃实质，定量表征和评价其自燃性大小、以及开发新型煤自燃阻化剂提供理论基础。