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煤炭自燃理论及其防治技术与应用研究
作者:丁飞  时间:2017-05-23
主要完成人:王继仁 金智新 邓存宝 王金力 刘仲田 白希军 邓汉忠
韩小增      齐庆杰 黄丽民 单亚飞 王雪峰
  周西华  
该项成果由辽宁工程技术大学与大同煤矿集团有限责任公司、中国神华神东煤炭分公司等合作完成。获2007年中国煤炭工业科学技术一等奖、2008年国家科技进步二等奖。
创立了煤自燃量子化学理论:煤微观结构与组分量质差异自燃理论、判定煤炭自燃难易的着火活化能理论和预防煤炭自燃的阻化、惰化机理理论。
煤自燃量子化学理论:应用量子化学等理论及红外光谱、热重等先进的技术手段,在实验研究大同、神东等21个主要产煤矿区570种煤样的化学结构的基础上,确定了各煤种含有的化学键和官能团,构建了煤有机大分子和低分子化合物的化学结构模型,系统地研究了煤对氧的微观吸附机理、煤中有机大分子与氧的化学反应机理、煤低分子化合物与氧的化学反应机理,并应用红外光谱技术对其进行了验证,创立了煤微观结构与组分量质差异自燃理论。本理论揭示了导致煤炭自燃的本质,其核心是煤炭自燃是由煤中有机大分子和低分子化合物含氮、磷、硫的活性基团首先与氧吸附、反应放出热量引起的,而不是传统认为的煤吸附氧大小决定煤自燃。
判定煤炭自燃难易的着火活化能理论:应用实验手段系统地研究了国内主要产煤矿区的易自燃煤、自燃煤、不自燃煤的化学结构,在对比分析实验结果基础上,应用化学反应动力学理论,建立了判定煤炭自燃难易的着火活化能理论。煤自燃量子化学理论认为,煤中有机大分子侧链基团和低分子化合物与氧分子发生化学反应的活化能,就是煤在热重实验中增重阶段的活化能,即煤的着火活化能,它是反映煤炭自燃难易的本质特征。
预防煤炭自燃的阻化、惰化机理理论:在量子化学和配位化学理论的基础上,建立了预防煤炭自燃的阻化机理。阻化机理的本质是煤有机大分子和低分子化合物含氮、磷、硫的活性基团与阻化剂形成的配位化学键和配位体,惰化了活性基团与氧反应的活性,而不是传统理论认为的卤化物吸水隔氧。
2.开发了煤炭自燃预防新技术:以建立的煤炭自燃理论体系为指导,研发了判定煤炭自燃难易新方法、煤炭自燃的预测预报模型及预测技术、适合不同煤种的新型阻化剂PCF系列产品及其应用的成套技术。
判定煤炭自燃难易新方法:根据煤自燃量子化学理论中煤的着火活化能原理,发明了判定煤自燃难易新方法。以煤的着火活化能为指标,建立了判定煤炭自燃难易的测试原理、测试指标、测试方法,研制了判定煤炭自燃难易的测试装置及判定煤炭自燃难易的软件系统。应用新方法对大同、神东、阜新、铁法、双鸭山等21矿区的570个采煤工作面的自燃难易作出了判定,结果表明,应用新的判定方法判定煤炭自燃难易更符合实际。
煤炭自燃预测预报模型及测试技术:应用煤自燃量子化学理论,结合红外光谱技术系统地研究了煤在氧化自燃过程中生成的各种气体,得到了煤在氧化自燃过程中不同温度下生成标志气体的规律,确定了预测煤炭自燃的临界指标,建立了判定煤炭自燃的预测预报模型,开发了采煤工作面的自然发火期预测软件,在大同、神东、双鸭山等矿区得到了推广应用。
新型阻化剂PCF系列产品及其应用的成套技术:根据预防煤炭自燃的阻化、惰化机理理论,开发了适合不同煤种的新型阻化剂PCF系列产品及其应用的成套技术。该技术在大同、神东、双鸭山、鹤壁、平庄、阜新等主要矿区得到成功应用,保障矿井安全运营,已取得5.93亿元的经济效益,且社会效益显著。