【摘 要】
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煤矿生产条件复杂,通常伴有地质构造异常、煤岩破碎和采空区自燃等问题。聚氨酯材料在煤矿生产中得到广泛应用,以加固破碎煤岩层和充填大面积冒落区等。近年来,由聚氨酯材料加固、充填造成了多起较为严重的火灾事故。煤与聚氨酯混和自燃导致火灾指标气体浓度异常变化,严重影响对采空区自燃的判断进而造成防灭火工作的严重失误,影响正常生产。基于此,本文对煤-聚氨酯双元体系自燃机理与气体释放规律,含聚氨酯采空区自燃发展与
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煤矿生产条件复杂,通常伴有地质构造异常、煤岩破碎和采空区自燃等问题。聚氨酯材料在煤矿生产中得到广泛应用,以加固破碎煤岩层和充填大面积冒落区等。近年来,由聚氨酯材料加固、充填造成了多起较为严重的火灾事故。煤与聚氨酯混和自燃导致火灾指标气体浓度异常变化,严重影响对采空区自燃的判断进而造成防灭火工作的严重失误,影响正常生产。基于此,本文对煤-聚氨酯双元体系自燃机理与气体释放规律,含聚氨酯采空区自燃发展与气体运移规律进行了相关实验、化学计算与数值模拟研究。采用热重分析实验对7种不同比例的煤-聚氨酯混合样品热失重特性、燃烧动力学模型及参数与混合燃烧过程协同效应进行研究。煤-聚氨酯双元体系自燃过程存在协同效应,聚氨酯含量较低时协同作用表现为抑制作用,聚氨酯含量较高时协同效应表现为促进作用。依据协同效应显著性,煤-聚氨酯双元体系自燃过程可分为三个阶段,第一阶段主要反应为聚氨酯热分解与煤吸氧,协同效应最为显著;第二阶段主要为固定碳燃烧,协同效应几乎为0;第三阶段为燃烧残余物焦结,存在一定协同效应。混合自燃过程主要受能量与自由基两种因素影响。混合比例较低时聚氨酯热分解与煤吸氧作用相互竞争,活化能升高,混合燃烧过程协同效应表现为抑制作用;混合比例较高时,聚氨酯热分解为煤热分解提供热量与自由基,活化能降低,混合燃烧协同效应表现为促进作用。采用热裂解色谱质谱分析实验和自燃模拟实验对不同混合比例煤-聚氨酯双元体系热分解过程产物生成路径与气体释放规律进行分析。聚氨酯与煤混合样品热裂解产物与其燃烧协同效应密切相关。吸氧阶段热裂解产物总数与主要产物数量随协同作用增强而显著增加;热分解阶段热裂解产物总数与主要产物数量随协同作用增强而减少;燃烧与燃尽阶段协同效应近乎为0,不同混合比例热裂解产物总数与主要产物数量近乎相同。自燃过程中,随聚氨酯含量增加,火灾气体CO,CO2,C2H6和C2H4的初始释放温度下降。CH4释放量随聚氨酯质量分数的增加而下降。不同聚氨酯含量样品CO/CO2比相对于温度的趋势几乎相同。基于量子化学计算方法与实验数据构建煤与聚氨酯模化物并对其自燃过程化学反应中各类化学键断键能进行计算,对火灾气体生成化学反应路径进行推断。煤-聚氨酯双元体系自燃过程碳氢类气体产物主要来源于烷基脂肪链断裂产生;碳氧类气体产物源于含氧官能团断裂和挥发分与固定碳燃烧产生。聚氨酯模化物氧化与热分解反应主要化学键断键能与反应能垒较煤更低,且聚氨酯含氧官能团含量高于煤,部分基团首先发生氧化与分解促进自燃进行。采用计算流体力学数值模拟研究发现含聚氨酯修复破碎带采空区,漏风量减少氧化带向工作面方向收缩。发生自燃时聚氨酯修复破碎区域采空区火区发展速度小于普通采空区。聚氨酯修复破碎区域虽然能够有效抑制采空区内漏风,但采空区内火灾气体浓度明显高于普通采空区与含破碎区域采空区。本文通过对聚氨酯修复采空区自燃案例进行分析,并结合现场实地调研与测定,总结归纳煤-聚氨酯双元体系自燃致灾机理并提出聚氨酯修复采空区自燃防控技术建议。本文创新性主要表现为以下四点:（1）阐明了煤-聚氨酯双元体系自燃发展阶段变化规律及协同效应作用机制。（2）建立了煤-聚氨酯双元体系自燃过程热分解产物演化机理模型。（3）提出了煤-聚氨酯双元体系自燃过程火灾气体释放规律及优选指标气体。（4）建立了煤-聚氨酯双元体系自燃过程主要火灾气体产物化学反应模型。
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