基于氧同位素法的旬耀矿区原生CO辨识研究

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煤炭自燃是煤炭开采、储运过程中存在的一种自然灾害。国内外常用指标气体分析法来预测煤自燃,其中最具广泛采用的气体为CO。但近来在国内部分矿井中发现CO气体涌出异常,而且并没有伴随煤自燃的发生,如何界定CO的来源成为了广大学者的研究重点。本文以旬耀矿区为研究对象,考察了该矿区井下CO的赋存情况,研究了该矿区煤样在不同影响因素下对CO的吸附解吸特征,同时结合氧同位素分析法,通过取井下煤岩层CO气样测定其氧同位素含量,对比实验室不同气氛下煤样升温产生CO氧同位素含量,最终分析得出旬耀矿区煤系地层存在原生CO。通过现场钻孔取样,研究了旬耀矿区煤层及岩层中的CO赋存情况。钻孔采用水力排渣,常温解吸避免了高温条件下煤氧化产生CO。对比测试了旬耀矿区不同地点煤层和顶板中的CO含量,结果表明,旬耀矿区井下煤岩层中含有CO气体但含量分布不均匀。深入研究了常温、常压下,不同粒径、不同混合气体、温度、压力及含水率等相关因素对煤样吸附CO能力和特性的影响,得出了煤样粒径影响CO吸附的规律;通过其对混合气体的吸附解吸实验,揭示了煤样对气体的吸附能力(CO2>CO>CH4>N2),阐明了旬耀矿区煤样对CO及混合气体吸附解吸能力的强弱,同时进一步分析了水分、温度和压力对煤样吸附解吸CO的作用机制。收集井下不同地点的气样,利用氧同位素测定方法测定其CO中氧同位素值。对比测试旬耀矿区煤样在不同温度和不同气氛(空气气氛和氩气气氛)条件下反应产物CO中的氧同位素值,煤氧复合反应比煤裂解反应产物CO中的氧同位素值(δ18O)轻。同时煤氧复合反应和煤裂解反应产物CO中的氧同位素值均随着温度的升高而降低,但与反应温度的影响相比,不同反应气氛对产物CO中氧同位素值的差异起决定性作用,即揭示了旬耀矿区井下工作面中CO气体主要来自于成煤过程中,属于原生CO气体。氧同位素测试表明,井下煤岩层气体中CO中的氧同位素值,更接近氩气气氛中的CO中氧同位素值,分析认为旬耀矿区井下煤岩层中含有原生CO,而非煤氧化所产生的CO。同时利用氧化升温实验,选择CO增加倍数和CO气体中氧同位素变化作为该矿区煤自燃的预测方法。本文基于旬耀矿区的成煤地质特征,借助大量的现场试验和实验室实验,分析了旬耀矿区井下CO的赋存状况;深入研究了该矿区煤样对CO的吸附解吸能力;利用氧同位素分析方法辨识该矿区井下气体CO的成因类型;最终提出了适合该矿区煤自燃预测方法。研究成果对认识煤系地层原生CO及准确预测煤自燃具有一定的指导意义。
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