[发明专利]煤的自燃危险性判定方法

说明书

技术领域

本发明属于煤的自燃难易的判定方法，特别涉及一种对煤的自燃危险性判定方法。

背景技术

在煤矿的生产过程中，自燃事故时有发生，煤炭自燃不仅烧毁了宝贵的资源，产生大量的CO、CO₂和SO₂等有毒有害气体，危害工人的健康和生命，污染环境，还能够诱发瓦斯、煤尘爆炸事故的发生，是阻碍煤矿安全生产的重大灾害；能够有效的判断煤自燃的难易，对认识煤的自燃机理和有效防治煤的自燃具有十分重要的理论意义和现实意义；对矿井火灾的分类治理和早期预测预报，控制并减少矿井火灾、瓦斯爆炸等重大恶性事故的发生，特别是提高矿井内因火灾防范的有效性、经济性和安全性具有十分重大的理论意义和现实意义；同时在煤炭的加工、仓储及运输等部门具有广阔的应用前景；因此世界上主要产煤国家对煤的自燃倾向性的鉴定工作均十分重视，已开展了较深入的研究。澳大利亚、新西兰和英国等国学者采用绝热温升速率、交叉点温度法研究了煤的自燃倾向性，建立了煤炭自燃的测定装置并取得了系列的研究成果；美国原矿山局建立了自然发火实验台，利用绝热炉测试煤炭自燃倾向性和研究煤的自燃过程；印度通过研究煤的含氧基团与自然氧化性的关系，采用交叉点温度法确定煤的自燃倾向性；波兰建立了以测定煤的活化能和升温速率的法定的煤炭自燃测定方法和评价指标，并于1993年制定了煤炭自燃倾向性的国家标准(PN-93/G-04558)，该方法的特点是用高温方式快速测定出煤的活化能，即通过将煤样分别在237℃及190℃条件下，通入237℃的空气，测试煤样温度升到260℃时所需的时间，以此计算出煤样的活化能值，依据活化能和升温速率确定出煤的自燃倾向性。我国早期采用着火点温度降低法，目前采用动态色谱吸氧法。

通过上述分析可知，基于煤吸氧量的煤自燃倾向性鉴定方法主要反映煤表面对氧的物理吸附特性，并未反映出煤自燃内在的氧化动力学特性，因此在应用中常有测试结果与实际不符的情况；国外目前采用的各种测试方法，主要还是基于对热参数的测试，如最低自热温度(SHT)、释热速率(HR)、煤自热升温速率(R₇₀)交叉点温度(CPT)和基于高温的活化能(E)计算等；在热参数的测试中，采用绝热实验炉的方法，因煤在低温(低于60℃～80℃)氧化阶段的初期产热量小，自然升温过程较长，且测试条件十分苛刻，较难形成测试标准；采用程序升温的交叉点测试方法和基于高温的活化能计算方法，主要反映的是煤在高温条件下的氧化与自燃特性，测定结果的实际意义就受到影响；同时，煤在氧化过程中发生的反应为复合反应(即两个或两个以上的基元反应)，非基元反应的活化能只具有表观意义，无明确物理意义，故活化能不能直接测定，只能通过计算得出，在目前对煤的自燃机理还认识不清的情况下，计算方法的可靠性就受到影响。综上所述，国内外现有的煤自燃倾向性鉴定方法都存在较大的局限性。

在《煤自燃量子化学理论》中应用红外光谱和量子化学理论从微观角度研究了煤的分子结构、煤分子对氧分子的吸附、煤中有机大分子与氧发生化学反应机理、煤中低分子化合物氧化自燃的反应机理，建立了煤微观结构与组分量质差异自燃理论。根据煤微观结构与组分量质差异自燃理论，煤表面与氧的吸附机理是煤表面含有N、S、P侧链基团时，氧与非碳原子侧链基团吸附的亲和性大于碳侧链基团，非碳原子的亲和性相差不大；诱导煤炭自燃的物质是煤中有机大分子的侧链基团和低分子化合物；煤中有机大分子含非碳原子的侧链基团首先与氧吸附、反应放出热量；应用量子化学密度泛函理论计算了煤发生氧化自燃反应过程中的活化能，即煤中有机大分子的侧链基团和低分子化合物与氧发生化学反应的活化能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种以煤微观结构与组分量质差异自燃理论，应用热重实验测得了煤与氧发生氧化自燃反应的热重曲线；热重实验中测得的热重曲线增重阶段的活化能，就是煤与氧发生氧化自燃反应的着火活化能；根据实验测得的热重曲线，采用反应动力学理论计算了煤与氧发生氧化自燃反应的着火活化能-即氧化增重阶段的活化能与应用量子化学理论计算得出的煤中有机大分子侧链基团和低分子化合物与氧发生化学反应的活化能相一致，应用煤自然发火理论，提出以煤与氧发生氧化自燃反应过程中的着火活化能来判定煤的自燃难易的煤的自燃危险性判定方法。