煤自燃是我国矿井的主要灾害之一。水浸煤是指那些被水长时间浸泡,物理化学性质发生改变了的煤体。近年来,煤炭资源开采逐步向西部发展,而西部大部分煤层埋藏浅、间距近、易自燃。在开采过程中,受采动的影响,易产生裂隙,形成渗水通道,使煤长期被水浸泡,导致煤的物理化学性质发生变化;另外,在采空区探放水过程中,常出现“水气置换”现象,增加了漏风量,增大了煤自燃的危险性。目前,国内外就煤自燃机理与防治技术的研究已形成了较为完备的研究体系,但关于水分对煤自燃影响的研究并不多,尚无法解释煤被水浸后,其自然发火次数大大增加的现象;另外,在研究中,大多数学者只是针对单一的煤自燃参数进行研究,没有把煤自燃各个参数综合起来考虑;虽然有些学者提出了存在一个最佳湿度水平使煤易发生低温氧化的概念,但大多研究都只是定性的,没有给出具体的判定指标与方法。因此,研究水分对煤自然发火的影响显得尤为重要。本文依托“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAB13B02):蒙陕深部矿区亿吨级煤炭基地建设关键技术和中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目(2012MS001):蒙西矿区高效开采安全保障技术等课题,以葫芦素2-1煤为研究对象,采用实验室测试、理论分析、数值模拟和现场监测的研究方法,开展了水浸煤自燃宏观特征及防治技术研究。论文主要内容及结论如下:(1)采用实验室实验,研究了不同含水率煤样的吸氧特性,揭示了临界水分煤样比其它含水率煤样更易低温氧化。理论分析了煤的吸水特性,指出煤中水分可分为外在水分、内在水分和化合水,并且外在水分对煤低温氧化有重要影响。葫芦素2-1煤的自然含水率为5.86%,饱和含水率为14.19%,含水率设计梯度约为2%,实验煤样含水率依次为5.86%、8.04%、10.08%、12.01%、14.19%。水分改善了煤体孔隙结构,不同含水率煤样的真密度随含水率的增大而减小,而孔隙率随含水率的增大而增大。随着含水率的增大,煤空隙率逐渐增大,但导热系数逐渐减小,表明水分不利于煤体导热,但有助于煤体局部聚热。煤吸氧量是物理吸附与化学吸附共同作用的结果,随着煤温的升高,吸氧量先减小后增大,70℃是转折点;水分是影响煤吸氧量的重要因素,随着含水率的增加,煤吸氧量先增大后减小,在含水率12.01%处,煤吸氧量有极大值。(2)采用TG-DSC联合法,研究了水浸煤的热行为,提出了煤自燃临界水分的热分析判定指标与方法。根据曲线上的吸附温度(t1)、失水温度(t2)、吸氧温度(t3)、着火温度(t4)、燃尽温度(t5)等特征温度将煤自燃过程分为吸附增重阶段(t0-t1)、失水失重阶段(t1-t2)、吸氧增重阶段(t2-t3)、氧化分解阶段(t3-t4)、氧化燃烧阶段(t4-t5)5个不同反应阶段,建立了煤自燃的反应动力学方程;将不同反应阶段的热重数据,依次代入9种不同动力学机制模型函数中进行ln[g(α)/t2]对1/t的相关性分析,依据相关系数最大原则,确定了煤的吸氧增重阶段是1级反应;基于coats-redfern积分法求解了相应区间的表观活化能,将煤样在水浸前后吸氧阶段的活化能差值与原煤样活化能的百分比定义为抑制率,提出用抑制率来评价水分对煤自燃的影响程度;根据抑制率最小准则,确定了2-1煤自燃临界水分约为12.01%。基于活化能指标建立了煤自然发火期模型,得到了不同含水率煤样的自然发火期分别为:36.5d、41.2d、32d、43.6d。(3)采用煤自然发火模拟系统,研究了不同含水率煤样的气体产物特性,建立了水浸煤自燃预测预报指标体系。水分对煤低温氧化的影响是双重的,既有阻化作用,又有催化作用,这主要取决于煤中水分的多少。存在一个含水率,使煤自燃氧化过程中的co与c2h4生成量大于其它含水率煤样。水分对煤自燃耗氧速率的影响分为3个阶段:在70℃以前,煤自燃耗氧速率与水分含量成正比;在70~110℃,含水率12.01%煤样的自燃耗氧速率最大,而其它煤样的耗氧速率随含水率的增大而增大;在110℃以后,含水率12.01%的煤样耗氧速率最大,其它煤样的耗氧速率随含水率的增大而减小。水分对煤自燃临界温度的影响是双重的:随含水率的增加,煤临界温度先增大后减小再增大,在含水率12.01%出现一个极小值;含水率大于或低于12.01%,都会抑制煤自然发火,并且含水率越大,抑制作用越明显。葫芦素2-1煤临界温度为80℃,干裂温度为150℃。采用灰色关联分析法,计算煤在氧化过程中各指标气体与煤温的关联度,评价各指标气体的可信度,确定在低温阶段,应以co来识别与判断煤的自然发火状态;在高温阶段,应以c2h4/c2h6比值为主,co为辅来掌握煤炭自燃情况。(4)采用数值模拟与现场监测相结合的方法,研究了水浸煤自燃空间分布特征,划分了水浸煤自燃危险区域。采用估算法,计算了浮煤厚度,发现在进、回风顺槽处为4.27m,中部为0.85m,均大于极限浮煤厚度。现场监测了采空区内的氧浓度和温度分布情况,发现“两道”漏风严重,氧化升温带在进风侧宽度约为83m,回风侧较窄为62m。采用氧浓度与漏风风速指标划分了采空区自燃“三带”:在进风侧0~42m为散热带,42~125m为氧化升温带,大于125m为窒息带;在采空区中部,0~39m为散热带,39~107m为氧化升温带,大于107m为窒息带;回风侧0~28m为散热带,28~90m为氧化升温带,大于90 m为窒息带;采空区氧化升温带在倾向上是不对称的,呈倒“U”型,且在深度与宽度上,进风侧远大于回风侧。结合水浸煤实验最短发火期为32天,确定了工作面最小安全推进度为2.69 m/d,为水浸煤自然发火的防治提供了理论依据。(5)采用实验室实验和数值模拟的方法,分析了不同防灭火工艺条件下的氧化升温带范围,优化了水浸煤自然发火的综合防治技术参数。确定了采空区防灭火的最佳注水率为55%,平常情况下的注水周期为4天,高温天气时为2天。研究了风量对水浸煤自燃“三带”的影响,发现增大风量后,氧化升温带向采空区深部移动,且移动的距离比较大,但氧化升温带最大宽度变化不明显,供风量跟氧化带最大宽度的关系式为Lm=-0.00002Q2+0.044Q+61.86,确定了最佳供风量为720~864 m3/min。研究了注氮参数对采空区自燃“三带”的影响,发现增大注氮流量,氧化升温带宽度逐渐减小,注氮流量与氧化带最大宽度的数学关系式为Y=152.2-0.201·Q+0.00009·Q2,最佳注氮流量为800~900 m3/h;增大注氮口位置,氧化带最大宽度先减小后增大,最佳注氮口位置距离工作面75 m。论文创新点包括以下三个方面:(1)提出了煤自燃临界水分的热分析判定指标与方法。水分主要影响煤的低温氧化阶段,吸氧增重阶段是1级反应,反应动力学模型是g(α)=α2,其活化能大小体现了煤的氧化能力,将煤在水浸前后吸氧阶段的活化能差值与原煤活化能的百分比定义为抑制率,根据抑制率极小值原理确定煤自燃临界水分。(2)揭示了不同含水率煤样自燃过程中临界温度的变化规律。水分对煤自燃临界温度的影响是双重的,既有阻化作用,又有催化作用,这主要取决于煤中水分的含量。随着含水率的增加,煤临界温度先增大后减小再增大,在临界水分时有极小值;水分大于或低于临界水分,都会抑制煤自然发火,且煤中水分越多,抑制作用越明显。(3)提出了临界水分的煤比其它含水率的煤更易低温氧化。通过对比分析不同含水率煤样的吸氧特性、热分析特性及气体产物特性,发现临界水分的煤比其它含水率的煤吸氧量更大,着火活化能更低,气体产生量更大,耗氧速率增大,自燃氧化性更强。