一种水化煤疏水过程中最佳防火临界水分的确定方法与流程

本发明涉及煤监测
技术领域：
的最佳防火临界水分的确定方法，具体涉及一种水化煤疏水过程中最佳防火临界水分的确定方法。
背景技术：
：煤炭是一种非可再生资源，我国的煤炭消耗在一次性能源消耗中占绝大比例，约70%，在我国能源结构上占主要地位，有举足轻重的作用。随着我国经济建设的快速发展，煤炭成为了关乎国家经济命脉的不可缺少的能源物资。改革开放以来，煤炭产业的快速发展为我国能源消耗提供保障，进一步减少能源依存国外进口的问题。2015年全国一次能源消费总量为43亿吨标煤，其中煤炭消费约占64.4%，预计到2050年还将占到50％以上。因此，在今后较长一段时间内，煤炭仍将是我国的主要能源。我国煤矿受自燃发火影响尤为显著，60%以上的煤矿都存在自燃发火危险。据统计，我国煤矿火灾事故中，煤炭自燃火灾占绝大部分，约94%，并且在矿井内因火灾中，采空区自燃火灾占60%左右。世界主要产煤国家都面临着不同程度的煤自燃灾害。1950-1977年，美国发生的煤自燃灾害约占煤矿火灾总数的11%；1990-2007年，在美国发生的138起煤矿火灾当中，有20多起是煤自燃火灾；1972-2004年，澳大利亚昆士兰发生了51起煤自燃火灾，其中3起引发了严重的爆炸事故，导致41人遇难；1947-2014年，波兰发生的煤自燃火灾占煤矿火灾总数的79%；在印度，煤自燃引发了80%的煤矿火灾。井下一些比较隐蔽的不易监测与探测的区域最容易发生煤层自燃火灾，如受压破碎的煤柱、高冒区以及采空区等区域，采空区属于半开放空间，空气流动缓慢，热量易于积聚，综放工作面遗煤分布较多，采高较大，纵向空间大，整体上危险区域呈立体式分布，是自燃发火的主要区域。目前，国内外学者研究的重点主要集中在水浸煤过程中煤的自燃特性变化，而煤被水浸泡后，形成的水化煤在疏水过程中，会形成次生孔隙，使煤体孔隙率进一步增大。煤矿采区发生火灾紧急情况后，往往采取用水封密闭采区，等火情稳定或消除后再重新启封采区。此时采区的煤被水浸泡形成了水化煤，而在采区启封放水过程中，即采区水化煤疏水过程，在这个过程中水化煤的水分对煤氧化反应存在双重作用的影响，含水率低时，少量水分直接会参与煤氧化反应，产生水氧络合物，水氧络合物对煤氧化反应有促进作用，而含水率高时，水分会在煤体孔隙表面形成一层水液膜，阻碍煤氧接触，并且过量水分蒸发会带走大量热量，进一步抑制煤氧化反应。水化煤自燃性更强，极易发生自燃事件。煤矿日常生产管理中应适当减小采区疏放水，保持煤体中水分含量在防火临界水分以上，有利于延长采区水化煤的自然发火时间。因此，研究水化煤疏水过程中的最佳防火临界水分对煤矿采区水封区域启封或透水区域的疏水以及采区防灭火技术等方面具有借鉴和指导意义。技术实现要素：为了进一步完善煤矿采区水封区域启封或透水区域的疏水以及采区防灭火技术，针对水化煤疏水过程中的最佳防火临界水分的研究空白，本发明提供一种水化煤疏水过程中最佳防火临界水分的确定方法。本发明的技术方案为：一种水化煤疏水过程中最佳防火临界水分的确定方法，包括以下步骤：（1）在煤矿采区透水区域采集水化煤样，破碎至20~80目后分为至少10份，在30~50℃的温度下干燥，每份的干燥时间依次增长10min，其中第一份煤样的干燥时间为0min，每次同时取出两份煤样；（2）所述每次同时取出的两份煤样，一份用于测定含水率，得到一系列不同含水率数值；同时将另一份煤样采用TG-DSC法以5~10℃/min的速度升温，获得不同含水率下煤样的热重曲线及特征温度；（3）根据这一系列煤样的热重曲线和特征温度，采用气固反应动力学模型分别推算各个煤样不同反应阶段的活化能；（4）将各个含水率煤样的特征温度、不同反应阶段的活化能数据带入煤氧化反应速率的阿伦尼乌斯模型推算各个含水率下的煤样的自然发火时间；（5）对比这一系列不同含水率煤样的自然发火时间，得到煤样自然发火时间随含水率的变化趋势曲线，而在所述变化趋势曲线中所获得的自然发火时间极小值对应的煤样含水率即为该煤矿采区水化煤疏水过程中的最佳防火临界水分。上述方法中，所述煤样的特征温度为水化煤样初始温度、物理吸氧温度、失水温度、化学吸氧温度、燃点温度和燃尽温度这6种温度的总称。上述方法中，所述煤样不同反应阶段包括：物理吸氧阶段、失水阶段、化学吸氧阶段、着火阶段。本发明的有益效果为：本发明可以快速测定疏水过程中最佳防火临界水分，适用性强，对煤矿采区水封区域启封或透水区域的疏水以及采区防灭火技术等方面具有借鉴和指导意义。附图说明图1为本发明具体实施方式的煤样干燥时间为0min时的TG-DSC曲线。图2为典型气固反应的TG曲线图，其中，是样品质量，g；是热力学温度，K；A（固）是样品；B（固）是样品A发生气固反应后的残渣；是样品起始质量，g；是反应时间为T(t)时刻的质量损失量，g；是样品在反应区间内的质量最大损失量，g；是样品残存质量。图3为本发明具体实施方式的煤样自然发火时间随煤样含水率的变化曲线。具体实施方式下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。一种水化煤疏水过程中最佳防火临界水分的确定方法，包括以下步骤：（1）在山西某煤矿采区透水区域采集水化煤样，破碎至30~50目后分为10份，在30~50℃的温度下干燥，每份的干燥时间依次增长10min，其中第一份煤样的干燥时间为0min，每次同时取出两份煤样；（2）所述每次同时取出的两份煤样，一份用于测定含水率，得到一系列不同含水率数值；同时将另一份煤样采用TG-DSC法以10℃/min的速度升温，获得不同含水率下煤样的热重曲线及特征温度；所述煤样的特征温度为水化煤样初始温度（T0）、物理吸氧温度（T1）、失水温度（T2）、化学吸氧温度（T3）、燃点温度（T4）和燃尽温度（T5）这6种温度的总称，并且在加热过程中，煤样依次经历物理吸氧阶段、失水阶段、化学吸氧阶段、着火阶段这4个反应阶段，表1给出了不同含水率煤样在不同反应阶段所对应的特征温度；表1不同含水率煤样在不同反应阶段所对应的特征温度注：图1提供了煤样干燥时间为0min时的TG-DSC曲线。（3）根据这一系列煤样的热重曲线和特征温度，采用气固反应动力学模型分别推算各个煤样不同反应阶段的活化能；具体过程为：煤自燃属于典型气固反应的热重曲线，如图2所示，煤样质量变化率满足以下方程式：，[1][1]中，是煤样的起始质量，g；是煤样残存质量，g；是反应时间为T（t）时刻的煤样质量，g；是煤样反应时间为T(t)时刻的质量损失量，g；是煤样在反应区间内的质量最大损失量，g；则煤样的分解速率为：，[2][2]中，是加热时间（即干燥时间），min；是指前因子，min-1；是反应活化能，KJ/mol；是气体普适常数，8.314×10-3KJ/mol·K；是加热温度，K；是一个可以反映煤自燃氧化过程的反应机理的函数；而煤样在升温过程的升温速率满足以下公式：，[3][3]中，是升温速率；是加热温度，K；将公式[3]带入公式[2]得到：，[4]将公式[4]的左右两边分别在0到和到之间进行积分变换，得到：，[5]公式[5]左边为转化率函数积分，右边为温度积分，公式[5]进行时间连续积分不能解析求解，只能近似求解，采用Coats-Redfern积分法求解，经过近似求解，得到了如下积分：，[6][6]中，为TG曲线的积分函数，由于煤样在4个反应阶段的反应动力学模型是1级反应，因此，[7]运用1级反应级数模型——公式[7]，由对作图，得到不同含水率煤样在相应温度区间的拟合曲线，由直线斜率-E/R与截距计算出煤样在不同反应阶段的活化能，结果如表2所示；表2不同含水率煤样在不同反应阶段的活化能（4）将各个含水率煤样的特征温度、不同反应阶段的活化能数据带入煤氧化反应速率的阿伦尼乌斯模型推算各个含水率下的煤样的自然发火时间；具体过程为：煤氧化反应速率采用阿伦尼乌斯表示，即：，[8][8]中，是煤样整个反应阶段的氧化速率，K/s；是指前因子，min-1；是活化能，KJ/mol；是气体常数，8.314×10-3KJ·mol-1·K-1；是加热温度，K。由式[8]可以计算得出：，[9][9]中，为温度上升值，K；为反应初始时间，s；为着火温度对应的时间，s；为煤整个反应阶段的氧化速率，K/s，采用整个阶段的氧化速率平均值来近似代替整个反应过程中的氧化速率，然后分别求解出T0-T1、T1-T2、T2-T3、T3-T4四个阶段反应所需的时间，分别用、、、表示，最终得到不同含水率煤样自然发火时间为：，[10]结果如表3所示：表3不同含水率煤样自然发火时间煤样编号干燥时间/min含水率/%自然发火时间/d1023.0613321018.237132014.874443013.754956012.4536（5）对比表3中这一系列不同含水率煤样的自然发火时间，得到随着煤样含水率的不断减少，对应的煤样自然发火时间为先减小后增大再减小的一种变化趋势曲线，如图3所示，而在所述变化趋势曲线的先减小后增大这一段曲线中所获得的自然发火时间极小值对应的煤样的含水率即为该煤矿采区水化煤疏水过程中的最佳防火临界水分，即14.87%，在疏水过程中需要严控煤的含水率在14.87%以上。当前第1页1 2 3