一种综合评价与鉴定煤炭自燃危险性的绝热自燃三角形法

技术领域

本发明属于一种综合评价煤炭自燃危险性的方法，特别是一种采用绝热自燃三角形综合评价与鉴定煤炭自燃危险性的方法。

背景技术

国内外关于煤的自燃危险性目前尚无明确定义，通常采用术语“煤的自燃倾向性”强调煤在常温下自热升温的难易性，现场采用统计发火期粗略评估现场煤的自燃危险性；实际上煤炭自燃存在一种自热引燃难易性，未被揭示。

我国国标《GB/T 2004-2006》定义煤的自燃倾向性为“煤在常温下氧化能力的内在属性”，采用“每克干煤吸附流态氧的量”作为判断煤层自燃倾向性的主要指标。煤炭自燃是一个复杂的煤氧复合、发热、自热的持续升温过程，涉及煤的氧化发热性、蓄热升温性和过程持续性。吸附流态氧的量属于物理吸附量，与氧化发热、蓄热升温和过程持续基本无关，不能充分反映煤炭自燃的本质属性。

国内外已有采用活化能评价煤的自燃倾向性和利用活化能换算自燃发火期的研究。煤的自燃性是一种化学物理综合特性，活化能概念及活化能公式源于两种物质之间的纯化学反应，难以反映煤炭自燃的多组分特性和热物理特性。

绝热自燃发火期是不存在加热与散热只存在氧化自热条件下的自燃发火期，是煤固有的自燃特性参数,是煤矿现场的理论最短自燃发火期，是煤矿现场自燃危险的安全底线。但长期以来国内外都没有有效解决绝热自燃发火期实测问题。通常采用的百克级小煤量绝热氧化法测定绝热自燃发火期因氧化发热量小不能从常温开始测定；有人尝试采用近吨级大煤量进行绝热氧化实验其实验装置的热惯性成了精确控温的大忌；而且，无论是采用小煤量还是采用大煤量进行绝热氧化实验，因为煤的绝热自燃发火期通常都在几十个小时以上，即使能够测到绝热自燃发火期也都存在实验周期太长干扰加剧、很难重复的实际问题，测定较难自燃的煤样问题更大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以采用小煤量从常温开始升温、可以控制实验周期并确保测试重复性的绝热自燃发火期测定技术，构建一种综合反映煤炭内在自燃属性的绝热自燃三角形用于综合评价煤的自燃危险性，克服国内外片面强调自燃倾向性的弊端。

本发明包括如下步骤：

（1）采用小煤量等温差引领氧化法测定引领自燃发火期；

（2）采用双曲线经验公式法确定绝热自燃发火期；

（3）采用绝热自燃三角形法综合评价与鉴定煤的自燃危险性。

所述的小煤量等温差引领氧化法采用的测试装置包含有可以自动控温的煤炭自燃仿真炉，煤样装于仿真炉中的反应器中，煤样量小于200g，供给常温洁净空气，全程满足控温条件：

炉温 = 煤温 + ⊿T_Z                           （1）

所述⊿T _Z为指定引领温差，⊿T_Z =常数；所述炉温包括进入反应器的空气温度和反应器的器壁温度；所述煤温为反应器中煤样的温度。

所述的确定绝热自燃发火期的双曲线经验公式法在引领自燃发火期t与引领温差⊿T之间采用双曲线模型进行拟合，取引领温差⊿T=0建立确定绝热自燃发火期的经验公式：

t₀ = 1/（1/t_Z - K⊿T_Z）                       （2）

根据指定引领温差⊿T_Z和指定引领温差下测得的引领自燃发火期t_Z，直接确定绝热自燃发火期t₀；公式（2）中比例系数K事先统计确定。

所述的采用绝热自燃三角形法综合评价与鉴定煤的自燃危险性包括：

采用绝热自燃发火期（绝热燃三角形的底边）作为唯一指标评价与鉴定煤的自燃危险等级；采用绝热自燃升温率（绝热燃三角形斜边的斜率）评价煤的自燃倾向性；采用自燃点（对应于绝热燃三角形的竖边）评价煤的自热引燃难易性。

本发明的有益效果是： 

（1）本发明提供了一种可以采用小煤量从常温开始升温、可以控制实验周期并确保测试重复性的绝热自燃发火期测定技术，解决了大煤量绝热氧化实验和小煤量绝热氧化实验都无法解决的控制实验周期的技术难题；

（2）绝热自燃发火期是不存在加热与散热只存在氧化自热的条件下的自燃发火期，是煤固有的自燃特性参数,采用绝热自燃发火期直接评价与鉴定煤的自燃危险性，指标单一，标准统一，结果唯一，无盲区，无歧义，结合实际；

（3）基于煤的自燃点和绝热自燃发火期构建的绝热自燃三角形综合反映了煤的内在自燃危险特性，为综合评价煤的自燃危险性、自燃倾向性和自热引燃难易性提供了科学工具；

（4）现场可能自燃发火期是绝热自燃发火期的函数，绝热自燃发火期的确定为预测现场可能自燃发火期提供了简捷途径和科学依据；

（5）现场实际自燃发火期与绝热自燃发火期之比可以用于评价煤矿现场抗自燃灾害的能力；

（6）与色谱仪联机，可以优选自燃发火气体预兆，为预报剩余发火期提供依据；

（7）增测阻化煤样的引领自燃发火期，可以预测阻化措施的发火期延长率和延长期，优选阻化方案。

附图说明

图1是本发明的小煤量等温差引领氧化法采用的煤炭自燃仿真装置仿真炉炉体结构示意图；

图2是本发明的小煤量等温差引领氧化法平行实验输出的煤温曲变化曲线和引领自燃三角形；

图3是本发明的小煤量等温差引领氧化法所测引领自燃三角形构成图解；

图4是本发明的经验公式法确定绝热自燃发火期的双曲线模型拟合实例；

图5是本发明的确定绝热自燃发火期的经验公式法图解；

图6是本发明的煤炭自燃危险性综合评价与等级鉴定图表。

在图1中，1仿真炉外壳、2炉膛、3反应器、4加热器、5炉温传感器、6煤温传感器、7空气进口、8尾气出口。

具体实施方式

1. 采用小煤量等温差引领氧化法测定引领自燃发火期,包括以下步骤：

（1）制样：按制样规程制备实验煤样及备份煤样，煤样量小于200g，煤样粒度为50~100目；

（2）装样：将上述煤样装入煤炭自燃仿真装置的自燃仿真炉的反应器中；

所述的煤炭自燃仿真装置包括自燃仿真炉、控温系统、供排气系统和计算机智能测试系统。自燃仿真炉炉体包括反应器、空气入口和尾气出口、加热器、煤温传感器和炉温传感器和温度控制器，如图1所示；

（3）供气：启动煤炭自燃仿真装置的供气系统，按规定流量向仿真炉供给常温洁净空气；

（4）控温：启动煤炭自燃仿真装置的控温系统，设置引领温差⊿T等于统一指定值⊿T_Z，开始测试，测试全程满足公式（1）所示控温条件；

（5）输出：启动煤炭自燃仿真装置的智能测试系统输出模块输出并打印煤温曲变化曲线、引领自燃三角形和引领自燃发火期，如图2所示；

所述煤温变化曲线包括缓慢升温、加速升温、急剧升温和着火燃烧的煤炭自燃全过程。急剧升温段在煤炭自燃全过程中所占时间极短；

所述引领自燃三角形是由缓慢升温趋势线、自燃点纵坐标线和起始温度线构成一个直角三角形如图3所示；

所述自燃点是缓慢升温趋势线和急剧升温趋势线的交点，自燃点具有恒值性；实验证明，自燃点（温度值）T与引领温差⊿T之间存在良好的恒值关系：

T = F（⊿T）≈ 常数                          (3)

所述缓慢升温趋势线为经过煤温变化曲线100℃点并与煤温变化曲线初期隆起段相切的直线；所述急剧升温趋势线为包含煤温变化曲线最大升温速率段的直线；所述起始温度线温度等于统一指定起点温度T_C的水平线；

所述引领自燃发火期为从缓慢升温趋势线与起始温度线的交点开始升温、在引领与自热共同作用下达到自燃点所经历的时间。引领自燃发火期等于引领自燃三角形的底边长。实验证明，引领自燃发火期t与引领温差⊿T之间存在良好的双曲线拟合关系：

t = f（⊿T）= 1/[K（⊿T+A）]                     (4)

公式（4）中K与A均为常数。

所述引领自燃三角形的斜边的斜率亦即煤温变化曲线中缓慢升温趋势线的斜率为引领自热升温率V，

V = tgβ =（T_Z- T_C）/ t_Z                        (5)

（6）平行实验：采用步骤（1）制备的备份煤样重复步骤（2）、（3）、（4）和（5）进行平行实验。测试结果（如图2所示）取平行实验算术平均值，规定两次平行实验测定结果相对误差小于规定值ε。

2. 采用双曲线经验公式法确定绝热自燃发火期,包括以下步骤:

（1）定义煤的自燃危险度W为自燃发火期t的倒数，

W = 1/t                             (6)

根据所测引领自燃发火期t_Z求得对应的自燃危险度W_Z。

实验证明，自燃危险度W与引领温差⊿T之间存在良好的线性关系：

W =  K⊿T+ W₀                         (7)

公式（7）中K为比例系数，W₀为绝热条件下的自燃危险度。

所述的比例系数K可以在统一规定的测试条件下选择N（N≥3）个不同的引领温差⊿T_i(i=1,2,…,N)采用等温差引领氧化法测得N个不同的引领自燃发火期t_i(i=1,2,…,N)求得N个不同的自燃危险度W_i(i=1,2,…,N)进行线性拟合预先确定。例如采用4个不同⊿T进行实验和拟合测得比例系数K=0.0135363，相关系数高达0.999994，如图4所示。

（2）构建双曲线拟合模型。所述双曲线拟合模型如公式（4）所示，实验证明引领发火期t与引领温差⊿T之间存在的良好的双曲线拟合关系，如图5所示。此双曲线的纵向渐近线沿横轴负向平移距离A，过点A，绝热自燃发火期t₀取值于此双曲线与纵轴的交点。危险度W与引领温差⊿T之间的关系直线过点A，绝热自燃危险度W₀取值于此直线与纵轴的交点。

（3）建立确定绝热自燃发火期的经验公式。在引领自燃发火期t与引领温差⊿T之间采用双曲线模型进行拟合，取引领温差⊿T=0建立确定绝热自燃发火期的经验公式如公式（2）所示。

根据指定引领温差⊿T_Z和指定引领温差下测得的引领自燃发火期t_Z，可以直接确定绝热自燃发火期t₀。

公式（2）中比例系数K在一定的条件下具有通用性，可以针对不同类型煤种事先统计确定。例如采用另一种不同的煤样(煤样B)分别指定⊿T_Z=5和指定⊿T_Z=6分别测得引领发火期t₅= 13.3和t₆=11.3，采用公式（9）预先选定比例系数K=0.0135363分别求得的绝热自燃发火期t₅=133.2h和137.4，相对误差仅为1.55%。

3. 采用绝热自燃三角形法综合评价与鉴定煤的自燃危险性,包括以下步骤：

（1）建立综合评价坐标系：以绝热自燃发火期为横坐标，以自燃点为纵坐标建立综合评价坐标系，如图6所示。任一煤样根据所测绝热自燃发火期和自燃点在此坐标系有且仅有一个对应的坐标点，并唯一构成一个对应的绝热自燃三角形。绝热自燃三角形是煤炭内在自燃性的综合表示。

（2）综合评价：采用绝热燃三角形的底边即绝热自燃发火期评价煤的自燃危险性；采用绝热燃三角形斜边的斜率即绝热自燃升温率评价煤的自燃倾向性；采用绝热燃三角形的竖边对应的自燃点评价煤的自热引燃难易性。

（3）煤炭自燃危险等级鉴定：采用绝热自燃发火期作为唯一指标鉴定煤的自燃危险等级。

所述绝热自燃发火期是不存在加热与散热只存在氧化自热的条件下的自燃发火期，是煤固有的自燃特性参数；绝热自燃发火期也是煤矿现场的理论最短自燃发火期，反映煤矿现场最大自燃危险性；

所述煤炭自燃危险等级可以根据煤的绝热自燃发火期与煤炭自燃的现场危险表现和可供推荐的防治对策之间的对应关系将煤的自燃危险性分为几类，例如分为三级：Ⅰ—很危险——特殊防治；Ⅱ—较危险——加强防治；Ⅲ—较不危险——一般防治。根据测定的绝热自燃发火期可以确定煤的自燃危险等级，同时可以找到对应推荐的的防治配置。

（4）确定煤矿现场可比自燃危险度ω：

ω= W_X /W₀ = t₀/t_X                   （8）

公式（8）中W_X为现场自燃危险度，t_X为现场自燃发火期（参见图5）。采用现场可比自燃危险度ω可以评价和对比不同煤矿现场的自燃危险性。1/ω反映煤矿现场抗自燃灾害的能力。

（5）预测煤矿现场可能自燃发火期：现场可能自燃发火期t_X是绝热自燃发火期的函数，两者之间具有比较简单的关系（参见图5）：

t_X =[ A /（A-X）]t₀ = pt₀               （9）

公式（9）中p、A和X常数。p为现场散热系数，反映现场散热状态，可以统计确定。

因为在现场条件下总是存在散热的，所以

t_X  > t₀                          （10）