一种煤易自燃临界水分的确定方法与流程

本发明属于煤矿井下煤自燃灾害防治技术领域，特别涉及一种煤易自燃临界水分的确定方法，主要用于指导煤矿预防煤自燃灾害的技术工作。

背景技术：

煤自燃是矿井主要危害之一。近年来，煤炭资源开采逐步向西部发展，而西部浅埋藏煤层地质结构导致上部煤层采空区内通常有大量积水，使遗煤长期处于浸泡状态，导致煤体发生变化；加之开采下部煤层时的探放水过程，将出现“水气置换”现象，增加了漏风，增大了煤自燃危险性，煤火每年烧毁的煤炭多达千万吨以上，煤自燃成为西部煤炭资源安全开发的瓶颈之一。

由于水的惰性特征，水分对煤自燃起阻化作用是无疑的。但有学者研究表明水分在煤自燃也有促进作用。目前，大多数学者普遍认为，水分对煤的低温氧化的作用是双重的，既有促进作用，又有抑制作用，到底起何种作用，主要取决于煤中的水分含量。近年来，国内外有些学者也注意到存在一个最佳湿度水平使煤易发生低温氧化的现象，但大多研究都只是定性的，现有技术中缺乏一种简单有效的测定煤易自燃临界水分的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种简单有效的煤易自燃临界水分的确定方法，该方法能够实现煤易自燃临界水分的定量确定。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种测定煤易自燃临界水分的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤一、建立基于co的煤临界温度计算模型，所述模型如下：

式中：cout为煤样罐出口的co浓度，10^-6；e为活化能，j/mol；r为气体常数，8.314j/(mol·k)；ti为绝对温度，k；a为指前因子；s为煤样罐的底面积，m²；l为煤样罐的高度，m；m为煤与1molo2反应生成co的摩尔数；为氧气含量，mol/m³；n为反应级数；k为单位换算系数，22.4×10⁹；vg为气体流速，m³/s；

当供气流量一定时，lncout与1/ti是一条直线；通过计算拟合曲线斜率-e/r，可求得煤在不同氧化反应阶段的活化能；而活化能发生突变的温度即为煤自燃临界温度；

步骤二、测试煤样自然含水率a与饱和含水率c，确定实验煤样的含水率梯度；

步骤三、将不同粒径的煤样混合封装，向其中加入不同质量的水后，混合均匀，配制得到不同含水率的实验煤样；

步骤四、分析不同含水率煤样自燃氧化过程中co的变化趋势；

步骤五、lncout对1/t曲线的线性好坏由相关系数s来确定，而判断2段曲线的线性好坏由相关系数乘积k＝s1s2确定；

步骤六、根据k的极大值初步确定煤自燃临界温度范围，其具体数值由两段曲线的交叉点横坐标1/t倒数确定；

步骤七、画出煤自燃临界温度随含水率的变化曲线，煤自燃临界温度极小值所对应的水分即为煤易自燃临界水分b。

作为本发明的一个优选方案，步骤一中所述的建立基于co的煤临界温度计算模型，其具体步骤如下：

煤氧复合反应模式如式(2)所示：

coal+o2→mco+gco2+其它产物(2)

由反应速率公式知，在任意温度条件下，气体产物co与耗氧速率之间的反应速率如式(3)所示：

式(3)中，v(co)为co的产生速率，mol/(m³·s)；m为煤与1molo2反应生成co的摩尔数；v(o2)为耗氧速率，mol/(m³·s)；k为化学反应速度常数；为氧气含量，mol/m³；n为反应级数。

由阿伦尼乌斯方程知:

k＝aexp(-e/rti)(4)

式(4)中，a为指前因子；ti为绝对温度，k；e为活化能，j/mol；r为气体常数，8.314j/(mol·k)；

将式(4)代入(3)得：

在模拟煤氧化过程中，假设：①反应前后煤样质量不变；②煤氧反应时氧气的初始反应浓度不变；③风流仅沿煤样罐的轴向流动；④煤样罐内煤温均匀，则沿煤样罐轴向dz煤样的co标准生成速率为:

sv(co)dz＝kvgdc(6)

式(6)中：s为煤样罐的底面积，m²；k为单位换算系数，22.4×10⁹；vg为气体流速，m³/s；c为煤氧化反应过程中co产生量，10^-6；

将式(5)带入式(6)得：

对式(7)两端积分得：

式(8)中，l为煤样罐的高度，m；cout为煤样罐出口的co浓度。

对式(8)两边取自然对数得：

作为本发明的另一个优选方案，步骤二中，在实验室利用实验的方法测试煤自然含水率与饱和含水率，依照《gb/t212-2008煤的工业分析方法》采用通氮干燥法。

进一步的，步骤三中，将粒径为0～1mm、1～3mm、3～5mm的煤样按质量比1∶1∶1均匀混合封装。

进一步的，步骤四中，利用程序升温实验装置与气相色谱仪来分析不同含水率煤样自燃氧化过程中co的变化趋势，所述程序升温实验装置控温精度为±0.1℃；所述气相色谱仪其co最小检测浓度≤0.1×10^-6。

进一步的，步骤五中，所述k的定义如下：

k＝s1s2(10)

式中，s1表示煤样从30℃到转折点附近温度时的缓慢氧化阶段相关系数，s2表示煤样从转折点附近温度到180℃时的加速氧化阶段相关系数。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)本发明提供的煤易自燃临界水分确定方法，基于水分对煤自燃的双重影响，采用微型注射器、注氮干燥箱、程序升温实验装置与矿用气相色谱仪等实验装置，能够实现煤易自燃临界水分的定量确定。

(2)本发明提供的煤易自燃临界水分确定方法，由于使用co最小检测浓度≤0.1×10^-6的气相色谱仪与相关系数乘积k，提高了煤自燃临界温度的精度，进而使煤易自燃临界水分精度达到0.01。

(3)本发明提供的煤易自燃临界水分确定方法，由于主要采用程序升温法，基于co浓度确定煤自燃临界温度，进而根据相关系数乘积k确定煤易自燃临界水分。因此，本发明技术可靠、工艺简单。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明lncout与1/t的曲线关系图；

图2为本发明不同含水率煤样co浓度随煤温的变化趋势图；

图3为本发明煤自燃临界温度随煤样含水率的变化趋势图。

具体实施方式

本发明提出了一种煤易自燃临界水分的确定方法，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。

实施例1：

一种煤易自燃临界水分的确定方法，包括如下步骤：

步骤一：建立基于co的煤临界温度计算模型，模型如下：

由公式(1-1)知，当供气流量与实验仪器尺寸一定时，lncout与1/ti在某一反应阶段内是一条直线，斜率为-e/r。煤自燃临界温度的倒数1/t将煤自燃过程分为低温缓慢氧化阶段和高温快速氧化阶段，其相关系数分别为s1和s2，如图1所示。

步骤二：选取葫芦素煤矿2-1煤层煤样，测定煤样自然含水率与饱和含水率分别为5.86％与14.19％，设计含水率梯度为2％。

步骤三：将三种不同粒径(粒径为1mm、3mm、5mm煤样)按质量比1∶1∶1混合均匀，装入5个密封袋内。以2％为梯度，用微型注射器按比例添加水分，配制成不同含水率的煤样，其含水率分别为5.86％、8.04％、10.08％、12.01％、14.19％。

步骤四：利用程序升温实验装置与气相色谱仪，分析含水率5.86％、8.04％、10.08％、12.01％、14.19％的煤样在氧化过程中co的变化趋势，如图2所示。

步骤五：由公式(2-1)计算相关系数k，如表1所示。

k＝s1s2(2-1)

式中，s1表示煤样从30℃到转折点附近温度时的缓慢氧化阶段相关系数，s2表示煤样从转折点附近温度到180℃时的加速氧化阶段相关系数。

由表1知，含水率5.86％、8.04％、10.08％、12.01％、14.19％的煤样分别为约在75℃、85℃、85℃、80℃、85℃时k值最大。具体温度需依据2段曲线的交叉点确定。

步骤六：通过公式(3-1)得到含水率为5.86％、8.04％、10.08％、12.01％、14.19％煤样的表观活化能发生变化的1/ti分别为0.002850、0.002787、0.002786、0.002829、0.002771，对应的温度分别为78℃、86℃、86℃、80℃、88℃。

步骤七：图3是煤自燃临界温度随含水率的变化趋势。由图3知，随含水率增加，煤自燃临界温度先增大后减小再增大，在含水率12.01％时有极小值80℃。这表明葫芦素2-1煤自燃最佳含水率约为12.01％。

表1不同含水率煤样在不同温度时的相关系数

在上述实施例1的指引下，将三种不同粒径(如粒径为1mm、2mm、5mm煤样)按质量比1∶1∶1混合均匀，装入5个密封袋内对上述步骤三进行替换的的步骤，本领域技术人员也可显而易见的实现。