本發(fā)明涉及煤監(jiān)測
技術領域：
的最佳防火臨界水分的確定方法，具體涉及一種水化煤疏水過程中最佳防火臨界水分的確定方法。
背景技術：
：煤炭是一種非可再生資源，我國的煤炭消耗在一次性能源消耗中占絕大比例，約70%，在我國能源結構上占主要地位，有舉足輕重的作用。隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，煤炭成為了關乎國家經(jīng)濟命脈的不可缺少的能源物資。改革開放以來，煤炭產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展為我國能源消耗提供保障，進一步減少能源依存國外進口的問題。2015年全國一次能源消費總量為43億噸標煤，其中煤炭消費約占64.4%，預計到2050年還將占到50％以上。因此，在今后較長一段時間內，煤炭仍將是我國的主要能源。我國煤礦受自燃發(fā)火影響尤為顯著，60%以上的煤礦都存在自燃發(fā)火危險。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦火災事故中，煤炭自燃火災占絕大部分，約94%，并且在礦井內因火災中，采空區(qū)自燃火災占60%左右。世界主要產(chǎn)煤國家都面臨著不同程度的煤自燃災害。1950-1977年，美國發(fā)生的煤自燃災害約占煤礦火災總數(shù)的11%；1990-2007年，在美國發(fā)生的138起煤礦火災當中，有20多起是煤自燃火災；1972-2004年，澳大利亞昆士蘭發(fā)生了51起煤自燃火災，其中3起引發(fā)了嚴重的爆炸事故，導致41人遇難；1947-2014年，波蘭發(fā)生的煤自燃火災占煤礦火災總數(shù)的79%；在印度，煤自燃引發(fā)了80%的煤礦火災。井下一些比較隱蔽的不易監(jiān)測與探測的區(qū)域最容易發(fā)生煤層自燃火災，如受壓破碎的煤柱、高冒區(qū)以及采空區(qū)等區(qū)域，采空區(qū)屬于半開放空間，空氣流動緩慢，熱量易于積聚，綜放工作面遺煤分布較多，采高較大，縱向空間大，整體上危險區(qū)域呈立體式分布，是自燃發(fā)火的主要區(qū)域。目前，國內外學者研究的重點主要集中在水浸煤過程中煤的自燃特性變化，而煤被水浸泡后，形成的水化煤在疏水過程中，會形成次生孔隙，使煤體孔隙率進一步增大。煤礦采區(qū)發(fā)生火災緊急情況后，往往采取用水封密閉采區(qū)，等火情穩(wěn)定或消除后再重新啟封采區(qū)。此時采區(qū)的煤被水浸泡形成了水化煤，而在采區(qū)啟封放水過程中，即采區(qū)水化煤疏水過程，在這個過程中水化煤的水分對煤氧化反應存在雙重作用的影響，含水率低時，少量水分直接會參與煤氧化反應，產(chǎn)生水氧絡合物，水氧絡合物對煤氧化反應有促進作用，而含水率高時，水分會在煤體孔隙表面形成一層水液膜，阻礙煤氧接觸，并且過量水分蒸發(fā)會帶走大量熱量，進一步抑制煤氧化反應。水化煤自燃性更強，極易發(fā)生自燃事件。煤礦日常生產(chǎn)管理中應適當減小采區(qū)疏放水，保持煤體中水分含量在防火臨界水分以上，有利于延長采區(qū)水化煤的自然發(fā)火時間。因此，研究水化煤疏水過程中的最佳防火臨界水分對煤礦采區(qū)水封區(qū)域啟封或透水區(qū)域的疏水以及采區(qū)防滅火技術等方面具有借鑒和指導意義。技術實現(xiàn)要素：為了進一步完善煤礦采區(qū)水封區(qū)域啟封或透水區(qū)域的疏水以及采區(qū)防滅火技術，針對水化煤疏水過程中的最佳防火臨界水分的研究空白，本發(fā)明提供一種水化煤疏水過程中最佳防火臨界水分的確定方法。本發(fā)明的技術方案為：一種水化煤疏水過程中最佳防火臨界水分的確定方法，包括以下步驟：（1）在煤礦采區(qū)透水區(qū)域采集水化煤樣，破碎至20~80目后分為至少10份，在30~50℃的溫度下干燥，每份的干燥時間依次增長10min，其中第一份煤樣的干燥時間為0min，每次同時取出兩份煤樣；（2）所述每次同時取出的兩份煤樣，一份用于測定含水率，得到一系列不同含水率數(shù)值；同時將另一份煤樣采用TG-DSC法以5~10℃/min的速度升溫，獲得不同含水率下煤樣的熱重曲線及特征溫度；（3）根據(jù)這一系列煤樣的熱重曲線和特征溫度，采用氣固反應動力學模型分別推算各個煤樣不同反應階段的活化能；（4）將各個含水率煤樣的特征溫度、不同反應階段的活化能數(shù)據(jù)帶入煤氧化反應速率的阿倫尼烏斯模型推算各個含水率下的煤樣的自然發(fā)火時間；（5）對比這一系列不同含水率煤樣的自然發(fā)火時間，得到煤樣自然發(fā)火時間隨含水率的變化趨勢曲線，而在所述變化趨勢曲線中所獲得的自然發(fā)火時間極小值對應的煤樣含水率即為該煤礦采區(qū)水化煤疏水過程中的最佳防火臨界水分。上述方法中，所述煤樣的特征溫度為水化煤樣初始溫度、物理吸氧溫度、失水溫度、化學吸氧溫度、燃點溫度和燃盡溫度這6種溫度的總稱。上述方法中，所述煤樣不同反應階段包括：物理吸氧階段、失水階段、化學吸氧階段、著火階段。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明可以快速測定疏水過程中最佳防火臨界水分，適用性強，對煤礦采區(qū)水封區(qū)域啟封或透水區(qū)域的疏水以及采區(qū)防滅火技術等方面具有借鑒和指導意義。附圖說明圖1為本發(fā)明具體實施方式的煤樣干燥時間為0min時的TG-DSC曲線。圖2為典型氣固反應的TG曲線圖，其中，是樣品質量，g；是熱力學溫度，K；A（固）是樣品；B（固）是樣品A發(fā)生氣固反應后的殘渣；是樣品起始質量，g；是反應時間為T(t)時刻的質量損失量，g；是樣品在反應區(qū)間內的質量最大損失量，g；是樣品殘存質量。圖3為本發(fā)明具體實施方式的煤樣自然發(fā)火時間隨煤樣含水率的變化曲線。具體實施方式下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。一種水化煤疏水過程中最佳防火臨界水分的確定方法，包括以下步驟：（1）在山西某煤礦采區(qū)透水區(qū)域采集水化煤樣，破碎至30~50目后分為10份，在30~50℃的溫度下干燥，每份的干燥時間依次增長10min，其中第一份煤樣的干燥時間為0min，每次同時取出兩份煤樣；（2）所述每次同時取出的兩份煤樣，一份用于測定含水率，得到一系列不同含水率數(shù)值；同時將另一份煤樣采用TG-DSC法以10℃/min的速度升溫，獲得不同含水率下煤樣的熱重曲線及特征溫度；所述煤樣的特征溫度為水化煤樣初始溫度（T0）、物理吸氧溫度（T1）、失水溫度（T2）、化學吸氧溫度（T3）、燃點溫度（T4）和燃盡溫度（T5）這6種溫度的總稱，并且在加熱過程中，煤樣依次經(jīng)歷物理吸氧階段、失水階段、化學吸氧階段、著火階段這4個反應階段，表1給出了不同含水率煤樣在不同反應階段所對應的特征溫度；表1不同含水率煤樣在不同反應階段所對應的特征溫度注：圖1提供了煤樣干燥時間為0min時的TG-DSC曲線。（3）根據(jù)這一系列煤樣的熱重曲線和特征溫度，采用氣固反應動力學模型分別推算各個煤樣不同反應階段的活化能；具體過程為：煤自燃屬于典型氣固反應的熱重曲線，如圖2所示，煤樣質量變化率滿足以下方程式：，[1][1]中，是煤樣的起始質量，g；是煤樣殘存質量，g；是反應時間為T（t）時刻的煤樣質量，g；是煤樣反應時間為T(t)時刻的質量損失量，g；是煤樣在反應區(qū)間內的質量最大損失量，g；則煤樣的分解速率為：，[2][2]中，是加熱時間（即干燥時間），min；是指前因子，min-1；是反應活化能，KJ/mol；是氣體普適常數(shù)，8.314×10-3KJ/mol·K；是加熱溫度，K；是一個可以反映煤自燃氧化過程的反應機理的函數(shù)；而煤樣在升溫過程的升溫速率滿足以下公式：，[3][3]中，是升溫速率；是加熱溫度，K；將公式[3]帶入公式[2]得到：，[4]將公式[4]的左右兩邊分別在0到和到之間進行積分變換，得到：，[5]公式[5]左邊為轉化率函數(shù)積分，右邊為溫度積分，公式[5]進行時間連續(xù)積分不能解析求解，只能近似求解，采用Coats-Redfern積分法求解，經(jīng)過近似求解，得到了如下積分：，[6][6]中，為TG曲線的積分函數(shù)，由于煤樣在4個反應階段的反應動力學模型是1級反應，因此，[7]運用1級反應級數(shù)模型——公式[7]，由對作圖，得到不同含水率煤樣在相應溫度區(qū)間的擬合曲線，由直線斜率-E/R與截距計算出煤樣在不同反應階段的活化能，結果如表2所示；表2不同含水率煤樣在不同反應階段的活化能（4）將各個含水率煤樣的特征溫度、不同反應階段的活化能數(shù)據(jù)帶入煤氧化反應速率的阿倫尼烏斯模型推算各個含水率下的煤樣的自然發(fā)火時間；具體過程為：煤氧化反應速率采用阿倫尼烏斯表示，即：，[8][8]中，是煤樣整個反應階段的氧化速率，K/s；是指前因子，min-1；是活化能，KJ/mol；是氣體常數(shù)，8.314×10-3KJ·mol-1·K-1；是加熱溫度，K。由式[8]可以計算得出：，[9][9]中，為溫度上升值，K；為反應初始時間，s；為著火溫度對應的時間，s；為煤整個反應階段的氧化速率，K/s，采用整個階段的氧化速率平均值來近似代替整個反應過程中的氧化速率，然后分別求解出T0-T1、T1-T2、T2-T3、T3-T4四個階段反應所需的時間，分別用、、、表示，最終得到不同含水率煤樣自然發(fā)火時間為：，[10]結果如表3所示：表3不同含水率煤樣自然發(fā)火時間煤樣編號干燥時間/min含水率/%自然發(fā)火時間/d1023.0613321018.237132014.874443013.754956012.4536（5）對比表3中這一系列不同含水率煤樣的自然發(fā)火時間，得到隨著煤樣含水率的不斷減少，對應的煤樣自然發(fā)火時間為先減小后增大再減小的一種變化趨勢曲線，如圖3所示，而在所述變化趨勢曲線的先減小后增大這一段曲線中所獲得的自然發(fā)火時間極小值對應的煤樣的含水率即為該煤礦采區(qū)水化煤疏水過程中的最佳防火臨界水分，即14.87%，在疏水過程中需要嚴控煤的含水率在14.87%以上。當前第1頁1 2 3