一种煤自燃过程阶段判定方法技术

本发明专利技术涉及煤矿安全领域，具体涉及一种煤自燃过程阶段判定方法，所述煤为容易自燃煤，分为：第一阶段，温度范围为常温至30～40℃；第二阶段，温度范围为30～40℃至50～60℃；第三阶段，温度范围为50～60℃至70～80℃；第四阶段，温度范围为70～80℃至90～110℃；第五阶段，温度范围为90～110℃至130～160℃；第七阶段，为燃烧阶段，通风供氧条件充分时出现明烟明火。本发明专利技术阶段划分科学准确，气体指标敏感、准确。

【技术实现步骤摘要】
一种煤自燃过程阶段判定方法
本专利技术涉及煤矿安全
，具体涉及一种煤自燃过程阶段判定方法。
技术介绍
矿井煤自燃是煤矿五大灾害之一。截至2015年底，我国共有煤矿9000个左右，自燃和容易自燃煤层占90％以上，我国煤炭约90％是通过井工开采生产的。在矿井火灾中，85％～90％以上是因为煤自燃引起的。分布在全国25个主要产煤省区的130余个大中型矿区均不同程度地受到煤自燃的威胁。近年来，随着科技的进步和装备的升级，煤自燃引起的事故逐年减少，但我国煤炭火灾防治形势依然严峻。煤自燃不但造成直接的损失，在井下狭小空间内容易引起瓦斯煤尘等事故。2014年6月3日16时58分，重庆能源投资集团南桐矿业公司砚石台煤矿井下4406S2采煤工作面发生一起因采空区自燃引起瓦斯爆炸的重大瓦斯事故，煤自燃造成的危害严重威胁着井下人员的生命安全。煤自燃发火过程阶段划分研究现状：煤自燃过程一直是学者们研究和讨论的热点和难点，大量研究显示煤自燃过程存在阶段性。Kam首先提出了双平行理论，他认为在煤自燃发火中存在两个反应序列，煤氧接触发生吸附作用和煤氧直接反应，这两个过程同时进行。煤氧在两个反应过程中产生一些煤氧络合物、CO、CO2和H2O。Wang和Dlugogorski等通过实验测试了煤氧复合过程中CO和CO2在煤温为60℃至90℃的产生率，证明了煤自燃过程可以简化地看成两个平行的反应序列，同时对煤自燃过程中的产物进行了推理，确认了CO和CO2气体的产生过程。Krishnaswamy等也验证了Kam理论的正确性，但是他认为CO2是煤氧化的主要产物。煤自燃指标研究现状：煤氧化自燃的过程中煤样发生反应会产生多种气体，其中有CO、CH4、CO2、C2H6、C2H4和C2H2等气体，在煤温升高的过程中气体产生的种类与产生量与煤温有良好的对应关系，利用指标气体与煤温的这种关系，通过指标气体预测预报煤自燃程度。作为煤自燃指标气体必须满足：1)灵敏性，2)规律性，3)可测性。单一气体主要采用CO、C2H4、C2H6等，因为煤在低温氧化过程中，CO与煤温有一定的对应关系。煤温上升，CO浓度随着上升。王德明，梁运涛等针对煤自燃过程CO与煤温之间的表征关系开展了一系列研究，取得了较好的研究结果。目前，国内外煤矿在理论上已绝大部分采用主要指标加之比值(辅助指标)的综合指标来判定煤自燃发火的温度与程度。从世界各主要产煤国应用的指标可以看出，CO气体作为煤自燃指标已经被全世界所采用，C2H4气体作为煤自燃指标被大多数国家所采用，但都采用气体比值作为辅助指标。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述缺陷，提供一种更加准确、便捷的煤自燃过程阶段判定方法。本专利技术的技术方案：一种煤自燃过程阶段判定方法，所述煤为容易自燃煤，所述煤自燃过程划分为七个阶段，第一阶段，为煤自燃的潜伏阶段，温度范围为常温至30～40℃；第二阶段，为氧化阶段，温度范围为30～40℃至50～60℃；第三阶段，为自热阶段，温度范围为50～60℃至70～80℃；第四阶段，为临界阶段，温度范围为70～80℃至90～110℃；第五阶段，为热解阶段，温度范围为90～110℃至130～160℃；第六阶段，为裂变阶段，温度范围为130～160℃至210～350℃；第七阶段，为燃烧阶段，通风供氧条件充分时出现明烟明火。进一步的，所述煤自燃过程划分阶段的特征温度包括：特征温度T1，温度范围为30～40℃，温度值为35℃，该温度为高位吸附温度；特征温度T2，温度范围50～60℃，温度值为55℃，该温度为脱附温度；特征温度T3，温度范围70～80℃，温度值为75℃，该温度为临界温度；特征温度T4，温度范围90～110℃，温度值为100℃，该温度为干裂温度；特征温度T5，温度范围130～160℃，温度值为145℃，该温度为活性温度；特征温度T6，温度范围170～210℃，温度值为190℃，该温度为增速温度；特征温度T7，温度范围220～245℃，温度值为230℃，该温度为着火点温度；特征温度T8，温度范围270～350℃，温度值为310℃，该温度为失重最大温度。进一步的，第一阶段，煤与氧接触，由于范德华力而发生物理吸附，煤体不但吸附氧气，同时吸附多种气体，如H2、N2、CO、CH4、CO2、H2S和NH3，初期煤体对氧气进行物理吸附，当达到吸附平衡时开始脱附增强，吸附变弱；在吸附过程中虽然主要以物理吸附为主，同时存在微弱的化学吸附和化学反应，物理吸附是可逆反应，但是会产生吸附热，这是煤氧复合初始升温的基础；第二阶段，经过潜伏期煤氧物理吸附以后，随着煤温的升高化学吸附增强，当物理吸附达到平衡后，随着煤温的升高，耗氧量持续增加，化学吸附是因为化学键力的作用，化学吸附伴随着电子的转移、原子的重排和化学键的破坏与形成，化学吸附过程中所产生的化学吸附热是物理吸附过程中产生的物理吸附热的17倍，该阶段以煤氧化学吸附为主，同时也存在微弱的物理吸附和化学反应；第三阶段，该阶段以煤氧化学反应为主，在该阶段温度范围，煤体有自加速的趋势，通过计算，煤样化学反应生成CO和CO2气体产生的热量是媒体物理吸附产生热量的90倍和130倍；第四阶段，该阶段是煤自燃过程煤温由低至高上升，引起煤氧复合自动加速后的第一个阶段，从微观分析，是煤中桥键与氧复合的三步反应总速度加快，煤的化学吸附达到最大平衡点后，解析速度加快的起点温度，宏观上表现为煤对氧的消耗速率增大，反应产物CO、CO2的产生量开始增多，放热强度增大，煤体升温速度加快，CO产生率发生第一次突变；第五阶段，在该阶段，煤结构中的侧链开始断裂，煤自燃热解气体大量生成，CO产生率的变化与温度的关系发生第二次突变；第六阶段，该阶段温度骤升，煤结构中的桥键和侧链断裂，煤自燃气体剧增；第七阶段，出现C2H2气体，通风供氧条件充分时出现明烟明火。进一步的，利用单一气体和复合气体指标进行阶段判定：第一阶段，CO2/CO值极大，CO/CH4值极大；第二阶段，CO2/CO值极大，CO/CH4值极大，CH4/C2H6值极大；第三阶段，CO2/CO值极大，CO和CO2浓度剧增，O2浓度降幅加大，CO/CH4值极小；第四阶段，CH4/C2H6值剧增，O2浓度剧降，CO浓度剧增，C2H6浓度极大；第五阶段，C2H4/C2H6极大；第六阶段，C2H4/C2H6值减小，C2H4、C2H6浓度剧增，CH4/C2H6、CO2/CO基本恒定，CO、CH4、C2H4、C2H6、C3H8等气体浓度剧增，O2浓度骤降，耗氧剧增，因O2不足，温度变化率剧降；第七阶段，发生燃烧现象，通风供氧条件充分时出现明烟明火。进一步的，当O2浓度为12％～15％时，CO<200ppm；当O2浓度为15％～18％时，CO<100ppm；当O2浓度为18％～20％时，CO<50ppm，(CO×100)/ΔO2为0.3～0.4，为第二阶段；当O2浓度为12％～15％时，CO＞200ppm或者当O2浓度为15％～18％时，CO＞100ppm或者当O2浓度为18％～20％时，CO＞50ppm，(CO×100)/ΔO2为0.4～0.5，为第三阶段；当O2浓度为12％～15％时，CO＞200ppm或者当O2浓度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种煤自燃过程阶段判定方法，其特征在于，所述煤为容易自燃煤，所述煤自燃过程划分为七个阶段，第一阶段，为煤自燃的潜伏阶段，温度范围为常温至30～40℃；第二阶段，为氧化阶段，温度范围为30～40℃至50～60℃；第三阶段，为自热阶段，温度范围为50～60℃至70～80℃；第四阶段，为临界阶段，温度范围为70～80℃至90～110℃；第五阶段，为热解阶段，温度范围为90～110℃至130～160℃；第六阶段，为裂变阶段，温度范围为130～160℃至210～350℃；第七阶段，为燃烧阶段，通风供氧条件充分时出现明烟明火。

【技术特征摘要】
1.一种煤自燃过程阶段判定方法，其特征在于，所述煤为容易自燃煤，所述煤自燃过程划分为七个阶段，第一阶段，为煤自燃的潜伏阶段，温度范围为常温至30～40℃；第二阶段，为氧化阶段，温度范围为30～40℃至50～60℃；第三阶段，为自热阶段，温度范围为50～60℃至70～80℃；第四阶段，为临界阶段，温度范围为70～80℃至90～110℃；第五阶段，为热解阶段，温度范围为90～110℃至130～160℃；第六阶段，为裂变阶段，温度范围为130～160℃至210～350℃；第七阶段，为燃烧阶段，通风供氧条件充分时出现明烟明火。2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于：第一阶段，煤与氧接触，由于范德华力而发生物理吸附，煤体不但吸附氧气，同时吸附多种气体，如H2、N2、CO、CH4、CO2、H2S和NH3，初期煤体对氧气进行物理吸附，当达到吸附平衡时开始脱附增强，吸附变弱；在吸附过程中虽然主要以物理吸附为主，同时存在微弱的化学吸附和化学反应，物理吸附是可逆反应，但是会产生吸附热，这是煤氧复合初始升温的基础；第二阶段，经过潜伏期煤氧物理吸附以后，随着煤温的升高化学吸附增强，当物理吸附达到平衡后，随着煤温的升高，耗氧量持续增加，化学吸附是因为化学键力的作用，化学吸附伴随着电子的转移、原子的重排和化学键的破坏与形成，化学吸附过程中所产生的化学吸附热是物理吸附过程中产生的物理吸附热的17倍，该阶段以煤氧化学吸附为主，同时也存在微弱的物理吸附和化学反应；第三阶段，该阶段以煤氧化学反应为主，在该阶段温度范围，煤体有自加速的趋势，通过计算，煤样化学反应生成CO和CO2气体产生的热量是媒体物理吸附产生热量的90倍和130倍；第四阶段，该阶段是煤自燃过程煤温由低至高上升，引起煤氧复合自动加速后的第一个阶段，从微观分析，是煤中桥键与氧复合的三步反应总速度加快，煤的化学吸附达到最大平衡点后，解析速度加快的起点温度，宏观上表现为煤对氧的消耗速率增大，反应产物CO、CO2的产生量开始增多，放热强度增大，煤体升温速度加快，CO产生率发生第一次突变；第五阶段，在该阶段，煤结构中的侧链开始断裂，煤自燃热解气体大量生成，CO产生率的变化与温度的关系发生第二次突变；第六阶段，该阶段温度骤升，煤结构中的桥键和侧链断裂，煤自燃气体剧增；第七阶段，出现C2H2气体，通风供氧条件充分时出现明烟明火。3.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于，所述煤自燃过程划分阶段的特征温度包括：特征温度T1，温度范围为30～40℃，温度值为35℃，该温度为高位吸附温度；特征温度T2，温度范围50～60℃，温度值为55℃，该温度为脱附温度；特征温度T3，温度范围70～80℃，温度值为75℃，该温度为临...

【专利技术属性】
技术研发人员：费金彪，文虎，邓军，金永飞，陈晓坤，郑学召，翟小伟，刘文永，郭军，吴建斌，何毅，徐朝阳，
申请(专利权)人：西安科技大学，西安天河矿业科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61