• 论文
主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会
采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展
  • Title

    Research progress of spontaneous combustion of coal containing gas under the compound disaster environment in the goaf

  • 作者

    田富超贾东旭陈明义梁运涛朱红青张同浩

  • Author

    TIAN Fuchao;JIA Dongxu;CHEN Mingyi;LIANG Yuntao;ZHU Hongqing;ZHANG Tonghao

  • 单位

    中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿灾害防控全国重点实验室煤炭科学研究总院石家庄铁道大学 安全工程与应急管理学院中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院

  • Organization
    State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Prevention and Control, China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute
    China Coal Research Institute
    School of Safety Engineering and Emergency Management, Shijiazhuang Tiedao University
    School of Emergency Management and Safety Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing
  • 摘要

    采空区瓦斯与煤自燃复合灾害日趋成为制约矿井安全生产的主要灾害模式,煤自燃作为瓦斯燃烧、爆炸等灾害事故的“点火源”,无疑是防范煤矿采空区复合灾害的关键。目前关于采空区遗煤残余瓦斯(吸附态为主)与风流瓦斯(游离态)对煤自燃影响机理的认识还不够深入,为此探究了含瓦斯条件下煤自燃相关研究的最新进展。现阶段针对含瓦斯风流/气氛下煤自燃特性的研究内容较为丰富,但吸附态瓦斯影响条件下的煤自燃特性实验平台及相关研究成果较匮乏。研究表明,游离瓦斯易引起煤低温氧化气体产物出现明显的“滞后效应”,同时煤体放热强度减弱、活化能整体增大,这反映出氧化气氛中的瓦斯对煤自燃具有抑制作用;相应地,煤自燃过程中的官能团、自由基及煤微晶结构等微观特征参数均会随瓦斯体积分数呈现规律性演变。进一步,考虑到遗煤内部残余瓦斯与风流瓦斯的赋存状态差异,探究了瓦斯对煤自燃过程的影响机理,包括CH4对O2的驱替稀释作用、CH4与O2的竞争吸附解吸引起的置换效应,以及高温环境下的O2分子化学吸附和煤氧复合效应作用。基于此,提出了采空区遗煤在吸附态瓦斯影响下的自燃过程特性、含瓦斯煤自燃流–固–热–化多场耦合特征、含瓦斯煤自燃监测预警理论应用等亟待突破的瓶颈问题。

  • Abstract

    The compound disasters of gas and coal spontaneous combustion have become the main disaster mode that restricts safe mine production. As the “ignition source” of gas combustion and gas explosion accidents in goaf, coal spontaneous combustion is undoubtedly the key influence factor for preventing compound disasters. At present, there is still insufficient understanding on the influence characteristics and mechanism of both the methane gas (free state) of the airflow filed and the residual methane gas (mainly adsorbed state) of the fractured coals on the coal spontaneous combustion. Therefore, the latest research progress in the field of the spontaneous combustion under gas-containing conditions was explored. It was found that the rich research results have been obtained on the characteristics of coal spontaneous combustion under the gas-containing airflow/environment. However, there is a lack of experimental platforms and the research results for simulating the impacts of the adsorbed gas on the coal spontaneous combustion. It is pointed out that the free gas can leads to a significant “hysteresis effect” in the generation on the oxidation gas products of coal, the weakening of the heat release intensity of coal oxidation and the overall increase in the activation energy, all of which reflect the inhibitory effect of the methane in the free state on coal spontaneous combustion. Correspondingly, the microscopic characteristic parameters of functional groups, free radicals, and coal microcrystalline structure exhibit the regular change with methane concentration during coal spontaneous combustion process. Furthermore, considering the difference in the occurrence state of the residual methane inside the fractured coal and the free methane in the goaf environment, the influence mechanisms of methane on the coal spontaneous combustion are investigated including the displacement and dilution effects of methane, the effect of competition adsorption/desorption between methane and oxygen, as well as the chemical adsorption of oxygen molecules and the coal-oxygen reaction effects under the high temperature environment. At last, it is proposed that the research urgently needs to breakthrough the bottleneck issues of the evolution characteristics of coal spontaneous combustion under the impact of adsorbed gas, the multi-filed characteristics of gas-containing coal spontaneous combustion, and the monitoring and warning of gas-containing coal spontaneous combustion.

  • 关键词

    煤自燃复合灾害环境微观特征多场耦合遗煤残余瓦斯热动力灾害

  • KeyWords

    coal spontaneous combustion;compound disasters environment;microscopic characteristics;multi-field coupling;residual gas of fractured coals;thermodynamic disaster

  • 基金项目(Foundation)
    国家自然科学基金资助项目(52174229, 52174230);辽宁省自然科学基金资助项目(2021-KF-23-04)
  • DOI
  • 引用格式
    田富超,贾东旭,陈明义,等. 采空区复合灾害环境下含瓦斯煤自燃特征研究进展[J]. 煤炭学报,2024,49(6):2711−2727.
  • Citation
    TIAN Fuchao,JIA Dongxu,CHEN Mingyi,et al. Research progress of spontaneous combustion of coal containing gas under the compound disaster environment in the goaf[J]. Journal of China Coal Society,2024,49(6):2711−2727.
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  • 图表

    Table1

    实验装置参数
    平台名称 主要模拟内容 装置尺寸 试验参数 设备构成 文献
    煤矿采空区热动力灾害模拟实验平台 采空区含瓦斯环境下的煤
    自燃过程模拟试验;采空
    区热动力灾害预警与防治
    模拟试验
    相似比1∶150;长×宽×高:120 cm×120 cm×60 cm;
    9个模块,每个模块尺寸为40 cm×40 cm×60 cm
    通风速率:0~50 L/min;
    试验温度:20~1100 ℃;
    测试气体:甲烷、空气
    控制系统:进风调控子系
    统、分布式气体添加子系
    统、程控点式加热子系统;测试系统:温度采集子系
    统、气体取样及分析子系
    统、压力及差压监测子
    系统
    [21]
    三维采空区流场模型实验平台 不同通风条件下采空区多
    场分布规律
    相似比:1∶100;工作面
    截面尺寸:6 cm×3 cm;
    采空区走向长度180 cm、倾向长度160 cm;煤层倾角0°
    气体释放速率:2200 mL/min (采空区);1800 mL/min (上邻近层);1500 mL/min (煤
    壁);通风方式:U型、“U+I”型;测试气体:甲烷、空气
    瓦斯释放系统、采样检测
    单元、通风及抽采接口、
    动力单元
    [23-24]
    采空区气体运移模拟实验平台 采空区煤自燃环境的瓦斯
    运移积聚特征及温度分布
    规律
    相似比:1∶100;进回风
    巷:20 cm×4 cm×3 cm;工作面:120 cm×5 cm×3 cm;采空区:200 cm×120 cm×60 cm;气体释放室:200 cm×120 cm×5 cm;加热模块:144 cm×124 cm×6 cm
    气体释放速率:150 mL/min;工作面通风速率:0.2~
    1.0 m/s;试验温度:130 ℃;测试气体:空气、氦气、
    甲烷
    通风装置、采空区模拟腔
    室、气体释放室、加热装
    置、温度监测装置、数据
    监测装置、体积分数监测
    装置
    [25-26]
    长壁采空区倾角可调模拟实验平台 急倾斜长壁采空区通风对
    煤自燃的影响规律
    相似比:1∶100;采空区
    尺寸:300 cm×180 cm×
    100 cm;煤层厚度:24 cm;开采高度:6 cm;放顶煤
    厚度:18 cm;巷道:
    10 cm×6 m
    通风速率:0~7.2 L/min;
    倾角:−50°~50°;测试
    气体:空气、氮气
    长壁采空区模块、气体注
    入模块、负压通风模块、
    数据采集模块
    [27-28]
    含瓦斯风流条件下的煤低温氧化实验装置 不同风流瓦斯体积分数条
    件下煤低温氧化特性
    气体速率:50 L/min;测试
    温度:15~225 ℃;升温
    速率:1 ℃/min;测试气体:甲烷、空气
    程序控温箱、气体加压装
    置、供气装置、安全检测
    装置、气体采集与分析
    装置
    [29]
    含瓦斯气流松散
    煤体自燃特性实验装置
    不同风流瓦斯体积分数条
    件下煤低温氧化特性
    气体速率:100 mL/min;
    测试温度:40~230 ℃;
    升温速率:0.8 ℃/min;测试
    气体:空气、甲烷
    程序控温箱、供气装置、
    温度采集与控制系统、
    气体采集与分析装置、
    安全检测装置
    [30]
    含瓦斯煤竞争吸
    附—解吸—氧化耦
    合灾害溯源实验
    平台
    不同温度压力工况下的多
    元气体竞争吸附、解吸、
    自燃全过程连续物理模拟,溯源吸附态瓦斯不断解吸
    条件下的采空区遗煤自燃
    特性
    2个罐体容积均为100 mL;
    整机:90 cm×75 cm×135 cm
    气体流量:0~200 mL/min;测试温度:20~220 ℃;
    测试压力:6 MPa;解吸
    量程:50~5000 mL/min;
    测试气体:甲烷、二氧化碳、氦气、空气、氮气
    供气、抽真空、程序控温、瓦斯吸附解吸、氧化升温、气体采集与分析、数据
    采集与控制
    [31]
    采场高温煤体引燃瓦斯燃烧实验平台 不同条件下升温煤体诱发
    气体燃烧(爆炸)特性研究
    瓦斯燃烧反应器:50 cm×
    50 cm×50 cm;腔体厚度:0.5 cm;储煤装置:
    15 cm×15 cm×21 cm
    温度:20~750 ℃;甲烷体
    积分数:3.2%~12.8%;加
    热功率:60~125 W;测试
    气体:甲烷、空气
    钢制瓦斯燃烧反应器、
    引燃模块、供气模块、
    测温与采气模块
    [32]

    Table2

    含瓦斯气氛下煤氧化气体产物的初始生成温度
    含瓦斯气氛 初始生成温度/℃ 参考文献
    CO CO2 C2H4 C2H6 C3H8
    O2 (14%), CH4 (0) 30 [34]
    O2 (14%), CH4 (8.70%) 30
    O2 (14%), CH4 (17.04%) 40
    O2 (14%), CH4 (25.00%) 40
    O2 (8%), CH4 (0) 50
    O2 (8%), CH4 (17.00%) 50
    O2 (8%), CH4 (24.90%) 60
    O2 (0), CH4 (100%) ~150.0 ~150.0 [35]
    O2 (10.5%), CH4 (50%) ~110.0 ~130.0
    O2 (14.7%), CH4 (30%) ~90.0 ~110.0
    O2 (21%), CH4 (0) ~40.0 ~80.0
    O2 (100%), CH4 (0) ~30.0 ~70.0
    O2 (16%), CH4 (0) 60 40 130 80 100 [30]
    O2 (16%), CH4 (10%) 60 40 130 80 130
    O2 (16%), CH4 (20%) 60 40 130 130 120
    O2 (10%), CH4 (0) 70 60 160 130 130
    O2 (10%), CH4 (10%) 70 50 170 140 140
    O2 (10%), CH4 (20%) 80 60 170 140

    Table3

    含瓦斯条件下的煤自燃热效应及活化能结果
    甲烷体积分数/% 热效应 活化能 试验方法 文献
    活化能变化 计算方法
    0~3 表观活化能(↘) Arrhenius方程 程序升温试验 [33]
    0~4 吸热量(↘有限);放热量(↘显著) 表观活化能(↗) Arrhenius方程 C80量热试验 [44]
    0~4 低变质程度煤放热量(不明显)
    高变质程度煤放热量(↘)
    低变质程度煤(不明显)
    高变质程度煤活化能(↗)
    Arrhenius方程 C80量热试验 [42]
    0~4 吸热量(↘不明显)
    放热量(↘显著)
    C80量热试验 [45]
    0~72 失重速率(↘);放热量(↘) 煤增重阶段:活化能(整体↗)
    煤燃烧阶段:活化能(整体↘)
    Coats-Redfern方程 TG-DSC热分析试验 [43]
    0~85.7 缓慢氧化阶段:失重速率(↘)
    快速氧化阶段:放热速度(↘)
    热分解与燃烧阶段:放热速度(↘)
    快速氧化阶段
    < 28.6%活化能(微弱↗)
    28.6~57.1%:活化能(微弱↘)
    > 57.1%:活化能(↗)
    Coats-Redfern方程 TG-DSC热分析试验 [40]
    29~86 低温氧化阶段:反应速率(↘)
    加速氧化阶段:着火温度(↗)
    燃烧阶段:失重速率(↘)
    TG-S/DTG-S热分析试验 [41]
    0~100 放热量(↘) 表观活化能(↗) Coats-Redfern方程 TG-DSC热分析试验 [35]
    0~100 低温氧化活化能(↗) Coats-Redfern方程 TG-DSC热分析试验 [48]

    Table4

    含瓦斯气氛下氧化煤样的主要官能团变化情况
    甲烷体积分数/% 主要官能团相对变化 文献
    0~4 CH4 2%:C—C&C—H (↘); COO— (↘);
    C—O—(↗); C=O (↗)
    CH4 4%:C—C&C—H (↘); COO— (↘);
    C—O—(↗); C=O(↗)
    [45]
    0~4 —OH (↘); C=O & C—O—C (↘);
    —CH3 & —CH2 (↘); Ar—CH&C=C (↘)
    [42]
    0~40 CH4 < 6.0%:—COOH (消耗↗)
    CH4 (6.0%~13.6%):—COOH (消耗↗较小)
    CH4 > 13.6%:—COOH (消耗↘)
    [51]
    0~45, 80 ℃ CH4 < 15%:—CH3&—CH2 (↗)
    CH4 (15%~25%):—CH3&—CH2 (—)
    CH4 > 25%:—CH3&—CH2 (↗)
    [52]
    0~45 CH4 < 25%:—CH3&—CH2 (↘)
    CH4 > 35%:—OH (↘↗↘)
    CH4 > 25%:—C—O (↗)、COOH— (—)
    [53]
    5~55(实验温度
    190、230 ℃)
    C—H&C—C (↗↘); C—O (↘↗);
    C=O (↗↘)
    [40]
    注:(—)代表保持不变。
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