煤氧化自燃过程中的相变机理与临界态理论

In order to improve the theoretical system of coal oxidation spontaneous combustion mechanism, the research topic of phase transition mechanism and critical state theory in coal oxidation and spontaneous combustion is presented. The technologies of time resolved spectroscopy, “molecular video” of in situ chemical reaction monitoring, on-line infrared thermal imaging, and the theory of chemical reaction kinetics would be used to this topic. The transient properties of phase transition based on time resolved spectroscopy and thermal analysis technologies would be studied. The mutual quantitative model of phase transition transient and coal spontaneous combustion would be established. The critical mechanism of coal spontaneous combustion based on "molecular video" technology would be studied. The function relationship between gas produced and critical reaction components or intermediates would be studied in the critical state. The quantitative model of the critical mechanism of coal spontaneous combustion would be established. The method of infrared thermal image of phase transition and critical state would be studies. The variation laws of infrared thermal images in critical state of coal spontaneous combustion would be revealed. The infrared thermal imaging method for predicting the spontaneous combustion tendency of coal would be explored. The reaction kinetics mechanism of phase transition and critical state transition would be studied. The physical model and mathematical model of reaction kinetics in phase transition and critical state transition would be established. The project results can make contributions to seeing material breakthroughs of mechanism of coal oxidation and spontaneous combustion.

为完善煤氧化自燃机理研究的理论体系，提出了煤氧化自燃相变机理与临界态理论这一研究课题，利用时间分辨光谱技术、原位化学反应监测“分子视频”技术、在线式红外热成像技术和化学反应动力学理论等实验和数值分析手段，研究基于时间分辨光谱和热分析技术的相变瞬态特性，建立相变瞬态特性与煤氧化自燃进程之间的相互定量推演模型；研究基于“分子视频”技术的煤自燃临界态转变机理，探明临界态转变过程中关键反应组分和瞬变中间体浓度与气体产生量之间的函数关系，建立煤氧化自燃临界态转变机理的定量分析模型；研究相变与临界态转变中的红外热图像表征方法，揭示煤自燃临界态转变中红外热图像的变化规律，探索煤自燃倾向性判定的红外热成像方法；研究相变与临界态转变中的反应动力学机理，建立描述相变和临界态转变的反应动力学物理模型和数学模型。预期研究成果能够为煤氧化自燃机理的研究取得实质性突破做出贡献。

我国大部分矿区的煤层属于易自燃或自燃煤层，绝大多数煤矿火灾是由煤氧化自燃引起的。因此，在煤矿火灾研究方面，煤氧化自燃转变机理是研究的重中之重，是制定煤矿火灾防控措施、开发煤矿火灾防治新技术的基础和依据。但囿于煤氧化自燃转变过程和机理的复杂性，以及研究方法和实验手段的局限性，煤氧化自燃机理还有待进一步完善和发展，研究方法和实验手段也亟需创新与进步。鉴于此项目对我国煤氧化自燃火灾等矿井热动力灾害的理论研究现状进行了梳理分析，并对矿井热动力灾害的发展方向进行了展望。分析了矿井采空区四维自燃“三带”时空分布特征；研发了矿井自燃火灾红外光谱在线预警技术。基于分子视频光谱技术，研究了褐煤、烟煤和无烟煤氧化自燃过程中相关官能团的变化特性，探明了部分关键反应组分和瞬变中间体的变化规律，揭示了基于分子视频光谱的煤自燃临界态转变特性。采用基于在线红外热像RGB值的表征方法，对煤氧化自燃临界转变特性进行研究。研究表明：煤氧化自燃的RGB值与时间或煤温之间存在函数关系且特征明显，不同自燃倾向性的煤种之间RGB值的特征也非常明显。据此划分了基于煤氧化自燃临界转变特性的5个临界特征温度区间，分别为蓄热期、蓄热-自热临界期、自热期、自热-自燃临界期和自燃期，并确定了各个特征温度区间的具体范围和对应的临界温度。在瓦斯燃烧/爆炸反应动力学研究的基础上，揭示了抑制剂对瓦斯燃烧/爆炸过程的抑制机理，探明了物理作用、化学作用及其它们之间的协同抑制作用等对瓦斯燃烧/爆炸的抑制作用规律。针对煤矿采空区火灾发生前局部存在高温点，在一定条件下高温点通过热辐射向周围煤体辐射热量并引燃煤体的实际情况，采用高温热辐射方法，利用锥形量热仪，揭示了高温热辐射对煤氧化自燃转变特性的影响规律。研究成果对于丰富和完善煤氧化自燃过程与机理的理论体系、有效防控煤矿火灾事故、开发煤矿火灾事故防控新技术、保障煤矿作业工人的生命安全等具有重要意义。