水浸风干烟煤孔隙结构特征及自燃氧化特性实验研究

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煤自燃引发的火灾是煤矿生产中的重大灾害之一。由于地质条件复杂,我国部分地区赋存的煤为易自燃的烟煤,并且许多煤矿都存在浸水问题。遗煤经过长期浸泡后,孔隙结构发生改变,随着地温的升高被快速风干,采空区很快会形成大面积的自燃区域,从而引发更严重的煤矿火灾事故。因此,研究我国不同地区长期水浸风干烟煤孔隙结构及自燃氧化特性对煤炭行业具有重要意义。从水害及地温的角度出发,选择陕西省榆林金鸡滩煤矿、陕西省高家堡煤矿和山东省济宁唐口煤矿的不同水浸可能性和不同地温的烟煤进行浸水风干实验,利用扫描电镜(SEM)、低温液氮吸附仪和热重分析仪,对浸水前后煤样的孔隙结构变化、孔隙度变化及煤自燃过程特征温度和活化能进行研究,主要得出以下结论:(1)唐口煤样和金鸡滩煤样表面更加粗糙,孔隙裂隙数量更多,高家堡煤样表面更加平整,裂隙数量少但裂隙宽度较大;浸水后,三个煤样的裂隙孔隙均得到很好的发育,煤样表面的孔隙与裂隙存在形态发生变化,孔隙与裂隙面积占比显著增加,金鸡滩和高家堡煤样孔隙类型分别为细颈瓶形孔和开放性透气型孔,唐口煤样孔隙类型由不透气性孔发育为开放性孔。(2)随着浸水时间增加,金鸡滩煤样、唐口煤样和高家堡煤样的BET比表面积和BJH孔体积的变化不同,金鸡滩煤样先减小后增加,唐口煤样和高家堡煤样先增大后减小。经过浸水干燥后,在相同孔径下三种煤样累计孔体积均增大,微孔对BET比表面积和BJH总孔体积的贡献占比大于原煤样,在浸泡某个时间干燥后,煤样比表面积大于其他浸泡时间煤样,推测该时刻煤样的自燃倾向性更高。在水浸作用下,西北地区两个煤矿煤样的孔隙类型没有发生变化,而华东地区煤矿煤样的孔隙类型发生变化;由于地质差异,西北地区的煤样比表面积大于华东地区,在地温升高时,西北地区煤矿的煤自燃倾向性更高。(3)随着浸水时间的增加,不同地区烟煤的不同浸水时间煤样的特征温度变化趋势均各不相同。金鸡滩煤样除T5、T6外其他特征温度均随浸水时间的增加而减小,T5随浸水时间增加先减小后增大,但均比原煤样小,T6随浸水时间增加先增大后减小。唐口煤样T1、T2和T5随着浸水时间增加而减小,T3、T6先增大后减小再增大,但T3浸水后的温度大于原煤,T4随着浸水时间增加而增大。高家堡煤样T1、T2随着浸水时间增加而减小,T3、T4浸水30和60天的温度均小于原煤,而到90天时大于原煤,T5浸水30和90天时大于原煤,而在60天时小于原煤,T6浸水后较原煤出现大幅度的降低。浸泡不同天数干燥后,三种煤样不同阶段最佳机理函数不同。在燃烧失重阶段,浸水后煤样的活化能小于原煤样。(4)三种煤样的活化能大小表现为:金鸡滩煤样>唐口煤样>高家堡煤样,即高家堡煤样最易自燃,金鸡滩煤样最不易自燃,这与第二章电镜扫描实验和第三章低温液氮吸附实验结论契合。由于高家堡煤矿矿井水丰富,且属于高地温煤矿;唐口煤矿也属于高地温矿井,并且有水浸的可能性,因此对比三个地区的煤样推断出,煤在长时间暴露在潮湿和高温环境下会更容易自燃,并且水浸时间越长,煤体越疏松,孔隙度越大,煤氧接触面积越大,煤自燃倾向性也逐渐增大。
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