煤自燃初期氧化反应特性的研究

论文摘要

我国煤层自燃火灾严重。由于煤氧复合过程复杂,受到物理、生物等多种因素的影响,再加上煤大分子本身结构复杂,目前尚缺乏统一的煤分子结构式,导致难以对整个煤氧复合过程进行有效的数值模拟。而在煤自燃初期,煤表面活性基团氧化反应占主导,并且此阶段反应具有缓慢、非高温等特点,易于进行安全检测和煤自燃控制。因此,进行煤自燃初期氧化反应特性的研究对煤层自燃火灾的防治具有重要意义。本论文以煤自燃初期氧化反应过程为研究对象,针对其主要影响因素—煤表面活性基团氧化反应进行重点研究。首先,采用Gaussian03量子化学软件,对煤中六类煤表面活性基团的氧化反应历程进行数值模拟,得出六类煤表面活性基团的氧化反应历程,并进行化学热力学数据分析和气体产物分析。然后,采用热重红外联用实验分析方法,以先慢后快的升温速率对煤自燃过程进行实验模拟,观察和分析煤自燃初期所表现出的重要特性——放热规律、失重规律以及气体生成规律,同时分析所得的煤表面活性基团氧化反应历程对其作用和影响,确定了此历程在气体生成方面具有表征煤自燃初期氧化反应的能力,总结得出煤自燃初期气体生成规律等结论。最后,将所得的煤自燃初期氧化特性理论对张集矿区进行工程应用性能考察,结果表明气体生成规律与实际所测较符合,具有一定的应用价值,可为工程实践中煤自燃预测提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 煤自燃初期氧化反应
• 1.2.2 通过煤表面活性基团研究煤自燃初期氧化反应
• 1.2.3 通过模拟煤自燃实验研究煤自燃初期氧化反应
• 1.2.4 研究方法
• 1.2.5 存在的问题
• 1.3 论文的研究内容
• 2 煤自燃初期氧化影响因素分析
• 2.1 内在影响因素
• 2.2 外在影响因素
• 2.3 煤分子结构中氧化活性结构
• 2.4 煤分子结构中活性结构氧化过程
• 2.5 本章小结
• 3 煤表面活性基团氧化数值模拟研究
• 3.1 煤表面活性基团选取
• 3.2 GAUSSIAN03 化学软件介绍
• 3.3 密度泛函理论DFT-B3LYP 简介
• 3.4 化学反应动力学理论简介
• 3.5 化学反应物模型的建立
• 3.6 计算方法和步骤
• 3.7 模拟结果
• 3.7.1 六类煤表面活性基团氧化决速步反应历程
• 3.7.2 化学热力学数据
• 3.7.3 气体生成部分的机理
• 3.8 本章小结
• 4 煤自燃初期氧化反应特性实验研究
• 4.1 热重实验
• 4.1.1 实验设备
• 4.1.2 煤样选取及煤质分析
• 4.1.3 样品制备及实验条件
• 4.1.4 实验结果及分析
• 4.2 红外实验
• 4.2.1 实验设备
• 4.2.2 实验条件
• 4.2.3 实验结果及分析
• 4.3 工程煤样自燃初期气体产生规律研究
• 4.3.1 试验煤样制备
• 4.3.2 试验系统及特点
• 4.3.3 试验操作程序
• 4.3.4 试验结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 结论
• 5.1 主要结论
• 5.2 论文有待进一步研究内容
• 致谢
• 参考文献
• 附录