地下矿井煤炭阴燃蔓延主控因素与热阻防治实验研究

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针对煤矿井下阴燃火灾风险日益加剧,为深入研究煤炭阴燃蔓延主控因素与热阻防治阴燃效果,本文以云南褐煤(YNL)、山西烟煤(SXB)、山西无烟煤(SXA)为实验煤样,通过同步热分析、比表面积和孔隙分析仪微观测试和物理模拟实验,较为系统的研究了粒径、通风速率、含水率、填充热阻材料对正向阴燃蔓延特性的影响。实验结果表明粒径的减小改变了煤样的孔隙结构,促进了燃烧过程中的扩散和传质,利于煤炭阴燃。在25.0-800.0℃不同煤种均呈现5个燃烧阶段,煤氧复合反应属于一级化学反应。随着粒径减小煤样特征温度点前移13.6-84.8℃,活化能降低5.7-28.9%。单位质量煤维持阴燃的最低供风量分别为0.13-0.20 m~3·h-1·kg-1,该临界值随着粒径减小而减小。SXB、SXA、YNL煤样的平均峰值阴燃温度分别为608.0-696.0℃、543.1-675.0℃、427.0-489.7℃。各阶段平均阴燃蔓延速率排序为:平均水分蒸发前锋蔓延速率>平均热解前锋蔓延速率>平均炭氧化前锋蔓延速率>平均峰值温度前锋蔓延速率。阴燃反应遵循如下顺序,先发生脱水反应,随后发生热解反应和炭氧化反应,温度达到最高值后逐渐降低。阴燃蔓延关键参数(平均峰值阴燃温度、平均阴燃峰值温度升温速率、各阶段平均阴燃蔓延速率)和阴燃蔓延危险性均随着粒径的减小而增加。建立了阴燃蔓延的数学模型,导出了描述正向阴燃蔓延速率的表达式并验证了阴燃蔓延速率的倒数与材料的孔隙率成正比。随通风速率增加,煤样各阶段特征温度点、活化能先减小后增加,而各阶段放热量先增加后减小,在75.0 m L/min出现转折。单位质量SXA煤样维持阴燃传播临界通风速率范围为0.18-0.27 m~3·h-1·kg-1,阴燃蔓延关键参数和阴燃蔓延危险性随通风速率增加先增加后减小,转折条件为22.5 L/min。通过理论空气量的计算出临界风速(0.01242 m/s),阴燃蔓延速率低于临界风速与通风速率呈正相关,超过临界风速时与通风速率呈负相关。含水率从1%增加至33%,煤样水分蒸发结束温度和着火点温度分别增加79.4℃和16.9℃,热解阶段和炭氧化阶段活化能分别增加33.9 k J/mol和27.0 k J/mol,总放热量降低4200.3 J/g。导致SXA煤样阴燃熄灭的临界含水率为29-33%。阴燃蔓延关键参数和阴燃蔓延危险性均随含水率增加而减小,验证了阴燃蔓延速率的倒数与含水率成正比。相较于原煤阴燃,填充水后已燃区温度增加4.7-109.0℃且促进煤样阴燃传播,而填充其它热阻材料后在隔氧、降温、吸热等综合作用下已燃区温度降低30.7-422.1℃导致阴燃难以维持传播。阴燃峰值温度和阴燃峰值升温速率随阴燃向后传播而下降,阴燃峰值温度和峰值升温速率的降幅分别为13.2-70.6%和71.2-88.7%。填充水在靠后位置处蔓延速率提高了0.3-1.1 cm/h,而填充其它热阻材料使蔓延速率降低了0.1-12.9 cm/h。填充热阻材料后降低温度效果、降低升温速率效果、降低阴燃蔓延速率效果和运用熵值法定义权重及计算的评价结果排序为:凝胶>金属网>阻化液>沙子>岩粉>耐火土>泥浆>水。
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