承压破碎煤体氧化自燃特性实验研究

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目前,可开采的浅部煤炭资源已接近枯竭,煤矿已进入深部开采阶段。随着开采深度增加,煤岩破碎程度增大,地温和地应力的影响愈发明显,将导致更为突显的煤自燃问题。为了弥补目前煤自燃研究成果没有考虑轴向应力加载的不足,设计研发了承压破碎煤体渗透演化及自燃特性测试装置,并将其与GC-4000A系列气相色谱仪连用,模拟煤体在不同应力状态及围岩温度下空隙率、渗透率的变化特征及响应机制和在应力、温度耦合作用下的煤自燃氧化特征,研究表明煤体在加载过程中空隙率减小,渗透率降低,造成了漏风供氧能力的降低,从而对煤自燃起到抑制作用;而空隙率减小会导致导热系数的增大,对煤自燃起到促进的作用。两种趋势共同作用导致了在相同的温度条件下,轴向应力为9MPa时煤氧复合反应程度最为剧烈,轴向应力的增加对煤自燃呈现出先促进后抑制的作用。揭示了承压破碎煤体氧化差异性形成的致因。通过上述研究,取得了以下主要结论:1)随着温度的升高,出口气体流量在基本呈线性降低,当温度达到120℃之后,出气口发现有凝结的小水滴生成,因此造成出口气体流量急剧下降,当温度达到一定值以后,实验温度继续升高,出口气体流量基本不再发生变化。随着温度的升高,氧气浓度在临界温度(80℃)之前基本不发生变化,达到临界温度(80℃)之后开始持续降低。轴压为9MPa时的出口氧气浓度最小,说明在9MPa的时候氧化程度最大;随着温度的继续增加,氧化升温进入贫氧状态,出口氧气浓度基本不发生变化。2)承压状态下煤样氧化自燃过程中CO、CO2气体的生成量随温度的增加而增加,随着轴向应力的增加呈现先增加后减小的趋势,且在实验开始初期,煤样温度达到临界温度之前,CO、CO2气体生成量近似呈线性增长;达到临界温度之后,CO、CO2气体生成量几乎呈指数增长,随着轴向应力的增加呈现先增大后减小的趋势,轴向应力为9MPa时CO、CO2气体的生成量最大。且CO2气体比CO气体进入指数增长阶段的温度提前。3)在整个实验过程中均伴随着CH4气体的产生,临界温度之前,不同轴向应力条件下CH4气体的生成量随着温度的升高均呈线性增加,随着轴向应力的增加,CH4气体的生成量呈现先升高后降低的变化趋势,轴向应力为9MPa时生成的CH4的量最大。不承压状态C2H6气体出现的温度为60℃,C2H4气体出现的温度为100℃。随着轴向应力的增加C2H6气体出现的温度点提前,不承压条件下C2H4气体出现的温度为100℃,但是随着轴向应力的增加,C2H6气体出现的温度点呈现先提前再滞后的规律。4)发现了氧化状态与非氧化状态渗透率的差异性,在轴向应力加载过程中,非氧化条件下的渗透性呈现负指数形式变化,升温氧化过程中的渗透性呈线性降低的趋势。通过上述研究,发现了煤体在压实作用下二次破碎,形成更小的颗粒封堵有效空隙,导致煤体空隙率和渗透率降低。空隙率降低造成煤体的导热系数增大,且煤体更易形成自由基,有利于煤氧复合的发生。渗透率降低导致煤体升温氧化产生的热量更加容易积聚,在一定的范围内耗氧量和放热强度增大,煤体的氧化进程加快,促进了煤自燃的发生。随着进一步的压实,空隙率和渗透率继续降低,导热系数增大导致放热强度和耗氧速度增加,需要消耗更多的氧气,煤氧化进程进入贫氧状态,从而抑制了煤自燃的发生。揭示了承压破碎煤体氧化差异性形成的致因,为指导采空区防灭火提供了参考依据。
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