2023“矿井防灭火”专题 |《煤炭科学技术》

2023年,《煤炭科学技术》“安全科学与工程”栏目共刊登论文50篇，涵盖了难抽煤层瓦斯增流新技术、煤与瓦斯突出机理及防治、矿井智能通风、矿井防灭火、矿井粉尘防治等领域。为了便于读者阅读，我们按专业对2023年“安全科学与工程”栏目文章进行细分、组织虚拟专题。本期为“矿井防灭火”专题，共10篇文献。

行业视野: 安全
类别; 47个
关键词; 49位
专家; 10篇
论文; 2622IP
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瓦斯对煤低温氧化过程微观结构及热反应性的影响研究

作者(Author)：邓军, 周佳敏, 白祖锦, 刘乐, 王彩萍

摘要：为研究瓦斯气氛下煤低温氧化过程中微观理化特性及宏观煤氧复合热效应，选择不同变质煤及二次氧化煤样作为研究对象，利用傅里叶红外光谱仪和C80微量量热仪，研究在不同瓦斯气氛下煤低温氧化过程物理化学结构特性、动力学参数、热效应等变化特征。通过分析不同瓦斯气氛下煤自燃氧化过程中微观结构以及宏观放热特性，明确瓦斯对煤氧化特性的最终影响。结果表明：瓦斯通过抑制煤低温氧化过程中关键活性基团相对含量，延缓煤低温氧化进程，4%瓦斯具有最为明显的抑制效果，其对4种活性基团的抑制程度为：含氧官能团(66.5%)>芳香烃(47.0%)>脂肪烃(29.7%)>羟基(24.7%)。在快速放热阶段，由于煤对瓦斯分子的吸附能力较大，瓦斯气体占据煤分子中的吸附位点，阻碍了煤氧复合反应进程，导致放热效应受到瓦斯抑制；同时瓦斯含量显著影响煤氧复合进程活化能的大小。对于较高变质程度的不黏煤、瘦煤和无烟煤，瓦斯对其低温氧化反应的抑制作用较为显著；对较低变质程度的长焰煤影响较小。对于二次氧化煤样，瓦斯对于煤样的抑制作用随着瓦斯含量的增加而增强，而瓦斯对一次氧化煤样的影响随变质程度降低而减弱，且瓦斯含量2%时的抑制程度强于4%。研究结果对防治瓦斯与煤自燃耦合致灾事故的理论研究有重要意义。

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煤炭科学技术

2023年第01期

232

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矿井粉煤灰基防灭火技术研究进展

作者(Author)：秦波涛, 蒋文婕, 史全林, 徐镱桢, 邵旭

摘要：煤炭是我国的主体能源，是国家电力供应安全稳定和经济社会发展的重要保障，但煤炭燃烧发电过程会产生大量的粉煤灰固体废弃物，长期堆放会严重污染土壤、水源、大气等生态环境，但粉煤灰也可作为原材料应用于矿井煤自燃灾害的防治。然而，现阶段粉煤灰在矿井防灭火领域的应用存在少量分散利用、技术含量和附加值较低等不足，当前对于粉煤灰的无害化预处理及防灭火利用规模仍无法满足国家“双碳”目标下对固废资源化利用与绿色矿山建设的相关要求。为进一步推动粉煤灰在矿井煤自燃防治领域的高效、高值及规模化利用，实现以粉煤灰为原料的防灭火材料及技术的快速发展，较全面地总结了粉煤灰浆液、粉煤灰凝胶、粉煤灰泡沫等防灭火技术的原理、分类、最新发展及应用效果；从粉煤灰预处理前端、浆液管路运输中端、防灭火利用末端等方面为出发点，凝练了粉煤灰固废物中有害物质和有价组分的分离、高浓度粉煤灰浆液长距离输送时的沉淀堵管、粉煤灰基防灭火材料在采空区的渗流堆积规律等3个亟待解决的关键问题。为提高粉煤灰固废物对矿井煤自燃的防治效果，满足“双碳”目标下国家对绿色矿山及智能化矿井建设的要求，提出粉煤灰固废在防灭火技术领域“长效防火—协同固碳—智能调控”的发展方向，未来重点围绕低成本长效防灭火的粉煤灰固废基材料、矿化封存CO2与防灭火一体化的粉煤灰防灭火技术、智能化粉煤灰防灭火材料制备及应用系统等方面开展研究，有助于推进粉煤灰工业固废在矿井防灭火领域的高价值、规模化再利用，提高矿井煤自燃的防控能力，保障矿井的安全高效开采。

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煤炭科学技术

2023年第01期

269

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基于指标气体法对水浸煤的氧化特性研究

作者(Author)：易欣, 葛龙, 张少航, 邓军

摘要：为研究水分对煤氧化特性的影响，通过煤自然发火试验确定能预报煤自燃的复合气体指标，然后采用程序升温试验测试不同含水率煤样氧化过程中复合气体指标的变化，研究在水分的影响下所产生复合气体指标的变化规律，同时探讨煤样的含水率对煤氧化特性的影响规律和作用机制。研究结果表明：煤自然发火温度与φ(CO)/φ(CH4)、φ(C2H6)/φ(CO)、φ(CO)/φ(CO2)以及Graham指数有明显关系。含水率对煤氧化升温过程中的影响在不同温度呈现出不同的阶段特征：在30～120℃时，水分对煤氧反应既有催化作用，也有抑制作用，而抑制作用占主导地位，表现出抑制作用最好的含水率为20%；在120～140℃时，水分对煤氧化反应的抑制作用减少，且水分作为反应物参与到煤氧反应中进而表现出水分对煤氧化的促进作用，此时水分对煤氧反应以化学促进为主，促进效果最好的含水率为10%；在120～140℃时，则由于水分蒸发使得煤样的原有孔隙体积增大并且产生了新的微小孔隙，变得更有利于煤氧化反应的发生，进而表现出对反应的间接促进作用，促进效果最好的含水率为15%。最终确定在水分的影响下，可以较为准确预报煤自燃的复合气体指标为φ(CO)/φ(CH4)、φ(C2H6)/φ(CO)和Graham指数。研究结果可丰富现场实际煤自燃的参数指标，增加高湿度煤层的开采安全性和自燃预测的准确性，有效地减少和预防煤自燃事故的发生。

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煤炭科学技术

2023年第03期

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煤自燃特征温度与微观结构变化及关联性分析

作者(Author)：张玉涛, 杨杰, 李亚清, 张园勃, 史学强

摘要：煤自燃灾害严重威胁了矿井的安全生产,掌握煤自燃微观基团和特征温度之间的关联性对煤自燃灾害的防治具有积极作用。为确定不同变质程度煤自燃过程中特征温度和煤微观结构的变化及相互联系,利用热重试验和傅里叶红外光谱实验分别测试了 4 种不同变质程度煤样自燃过程中的质量变化特性和微观结构,采用皮尔逊相关系数法确定了 2 者之间的联系。结果表明:随着变质程度的增大,煤中的芳香烃和脂肪烃含量增加,含氧官能团含量减少,3 种类型的基团中含量最高的基团分别为 C=C,—CH3 和—OH。变质程度高的煤失重曲线和特征温度逐渐向高温区移动,且各特征温度间的间距增大。煤自燃特征温度会随着芳香烃含量的增加而增加,随着含氧官能团含量的增加而降低。芳香烃含量越大,煤自燃越难发生,而含氧官能团则恰好相反。皮尔逊相关系数计算结果表明,随着温度的升高,正相关系数最大的官能团分别为 C—H,C—H,C—H,取代苯,C=C 和C=C,负相关最大的官能团分别为 COO—,COO—,C—O—,COO—,—OH 和—OH。整体而言,C—H 与特征温度之间正向相关性最大,而 COO—则与特征温度呈最大的负相关。特征温度的变化与最大官能团的含量呈较为明显的线性关系。基于皮尔逊相关系数的结果,利用与特征温度相关性最大的 C—H 和 COO—官能团的含量建立了煤自燃倾向性多元线性回归模型。

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煤炭科学技术

2023年第04期

310

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氧气浓度对含硫无烟煤自燃特性的试验研究

作者(Author)：周西华, 姜延航, 白刚, 李东芳, 郝慧颖

摘要：为研究不同氧气体积分数对含硫煤低温氧化自燃的影响，选取山西石港煤业有限责任公司14号和15号煤层煤样作为试验样品,开展不同氧气体积分数下管式炉程序升温试验。14号和15号煤样的氧气体积分数分别为21.0%和21.0%、12.2%和12.1%、10.2%和10.1%、7.1%和7.2%、5.0%和5.1%、2.9%和2.8%,共6个组别,并联用气相色谱仪分析气体成分。研究了不同氧气体积分数下14号煤样与15号煤样在低温氧化阶段CO气体与特征温度变化规律。通过计算不同氧气体积分数、不同温度时刻的耗氧速率和放热强度,分析了耗氧速率、放热强度与温度之间的对应关系，并对氧气体积分数为21%时14号煤样与15号煤样耗氧速率和放热强度进行拟合。计算出不同氧气体积分数下14号煤样与15号煤样低温氧化表观活化能，分析了氧气体积分数与表观活化能之间的关系，根据煤自燃临界温度及表观活化能变化特性得出了14号煤样与15号煤样的自燃临界氧气体积分数值。结果表明：在试验测试范围内(氧气体积分数2.8%～21.0%,温度30～300 ℃),提高氧气体积分数有助于14号煤样与15号煤样氧化发展,降低氧气体积分数则抑制其发展，14号煤样的自燃倾向性大于15号煤样，14号和15号煤层自燃临界氧气体积分数分别为5.0%和7.2%；氧气体积分数恒定时，CO释放量、耗氧速率及放热强度均随温度升高而增大，符合指数函数变化规律，同一组别的14号煤样各温度点的CO释放量、耗氧速率及放热强度均大于15号煤样，表观活化能和自燃临界温度则小于15号煤样；温度恒定时，随着氧气体积分数的降低，CO释放量、耗氧速率及放热强度减小，表观活化能和自燃临界温度增大；耗氧速率、放热强度随温度变化的拟合曲线及自燃临界氧气体积分数值可为采空区煤自燃特性数值模拟及自燃危险区域划分提供重要参量。

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煤炭科学技术

2023年第05期

234

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矿井复杂风网火灾风烟流应急调控技术及应用

作者(Author)：裴晓东, 郝海清, 王凯, 蒋曙光, 孙勇, 陈佳辉, 吴征艳, 蒋合国, 邵昊

摘要：针对复杂通风网络井巷火灾预防和应急救援较困难现状，分析了风流场、温度场、烟流浓度场的风流扰动、热量传递、烟流扩散等规律。根据不同火源位置的烟流演化规律，提出一种能够同时满足排烟风量和采场风量需求的火灾风烟流应急联动调控方案。以鄂尔多斯转龙湾煤矿为应用案例，建立了转龙湾煤矿火灾烟流应急联动调控系统。为分析其控风排烟效果，结合实际的井巷和通风参数，基于Ventsim软件构建了其复杂通风网络三维可视化模型。运用VentFire模块对其不同火源位置火灾场景的风烟流蔓延效果进行模拟。分析了采取应急调控方案前后的排烟效果和风量分配情况。结果表明：当不同位置发生火灾时，及时启动应急排烟方案，在满足排烟风量的基础上其他各关键地点的风量仍能保证正常通风时的90%以上，能够满足转龙湾煤矿灾变期间的控灾、救灾需求。

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煤炭科学技术

2023年第05期

481

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遥感方法在宁武煤田煤火识别中的应用

作者(Author)：高玉荣, 隋刚, 张新军, 孔嘉嫄, 张和生

摘要：煤火燃烧会对周围地区的环境、经济和安全造成严重影响，准确识别煤田自燃引起的火区范围对于监测与治理煤火具有重要意义。相关学者分别通过提取地表热异常或地表形变信息来识别煤火范围，但由于方法及手段单一，而引起煤火发生因素众多，导致试验结果不够准确。为提高煤火识别准确性，通过实际应用研究，利用融合卫星热红外技术与雷达技术的煤火识别方法，应用于山西省宁武煤田的火区识别。首先采用ASTER–TES(Temperature-Emissivity Separation)算法对ASTER夜间热红外数据进行地表温度反演，同时利用SBAS–InSAR(Small Baseline Subset InSAR)技术对Sentinel-1数据进行地表沉降信息反演，然后通过阈值分割法提取研究区域中的高温异常区域和沉降异常区域，进而融合处理，获得疑似煤田火区范围，最后利用测氡的实地勘测方法所确定的煤火范围对试验结果进行对比验证分析。结果显示：研究提出的方法对宁武煤田火区范围的识别准确率高达93.78%，较单一的温度反演方法与沉降异常方法提高43.29%和62.23%，但有部分火区未被识别，原因在于利用地表形变识别火区的阈值难以获取。结果表明:热红外技术与雷达技术协同识别方法能够有效克服单一识别方法的不足，显著提高煤火范围的识别精度，为准确圈定火区的治理范围提供有力参考，今后应深入研究地表形变探测火区的方法特性，从而获得更加全面准确的煤火范围。

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煤炭科学技术

2023年第05期

189

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钱家营烟煤中CO、CO2和O2竞争吸附特性研究

作者(Author)：董轩萌, 郭立稳, 董宪伟, 王福生

摘要：为明晰煤与CO、CO2、O2之间的吸附规律，研究CO与CO2、O2在煤中的竞争关系，以钱家营烟煤为研究对象，基于傅里叶变换红外光谱（FTIR）的试验结果，通过定量分析和分子单元参数构建的方法，构建钱家营烟煤分子晶胞结构（C1160H860O80N20），为验证构建模型的准确性，利用量子化学计算模拟分子的红外光谱，计算结果与试验结果基本吻合。在此基础上，采用巨正则蒙特卡罗和分子动力学方法，研究压力（0−16 MPa）、温度（20−60 ℃）对煤吸附CO、CO2、O2的影响。研究结果表明：拟合的等温吸附曲线符合Langmuir方程，在相同压力下，温度越高，CO、CO2、O2吸附能力越弱，在相同温度下，煤层埋深压力与吸附量之间呈正相关趋势，单一气体CO、CO2和O2的吸附量为CO2>O2>CO，且CO2率先达到饱和吸附状态；二元组分气体的竞争吸附结果显示，在低压或浅埋深煤层，CO2/CO的吸附选择性有明显优势，随压力变化，O2/CO的吸附选择性变化不明显。CO2的竞争吸附能力大于CO，随CO物质的量分数增加，CO2的吸附量减少；在CO与O2物质的量之比≤1时，O2的竞争吸附量大于CO，而CO物质的量远大于O2时，CO的吸附量大于O2，所以CO物质的量分数越高，对CO2和O2的吸附能力起到抑制作用。在CO异常浓度较高的烟煤煤层，利用注射CO2控制灭火的效果不显著，所以还应控制工作面漏风量，以防CO脱附煤体，保证井下CO浓度在规定允许范围。

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煤炭科学技术

2023年第06期

282

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