早期预测预报,是煤自燃灾害综合防治的关键。目前,主要采用间接法,通过采集气样分析并与测定的指标性气体比对确定煤的发火状态,CO是常用且有效的指标性气体。然而,现场实践表明,煤自燃不是井下CO的唯一来源,在许多低阶煤矿井的开采过程中,连续检测到煤层气中CO气体长期超过《煤矿安全规程》标准。其中,有些是煤自燃引起,还有一些不存在自燃情况,而极有可能是原煤层中的原生CO气体造成的,该问题严重影响了煤矿安全生产工作的正常开展。目前,一般认为CO超限由于井下爆破工作或者煤层自然发火所引起,很少重视煤层吸附CO的解吸放散等原因,对煤层中原生CO的产生、赋存及吸附解吸规律的研究不够,没有清楚认识煤层CO的产生机理,更没有形成完善的煤层开采破碎后CO放散的测定方法。因此,对矿井煤层原生CO进行测定,研究其产生机理,分析CO的吸附特征和煤体破碎后CO的放散规律,对提高煤自燃预报准确性、保证煤矿企业正常安全生产和确保矿工安全,具有重要的科学意义。通过文献调研和理论研究从成煤的角度对CO气体的产生和耗散进行了研究,认为煤层原生CO气体主要通过生物成因、热成因和无机成因三个阶段和方式产生,热成因CO气体主要在“长焰煤-气煤”阶段的热降解早期产生,CO组分浓度较高;全国范围内煤层原生CO气体赋存地域分布广泛,煤种主要为未变质褐煤、低变质长焰煤-气煤和以岩浆侵入为典型的构造作用煤;结合现有资料分析了原生CO的赋存特征,探讨了煤层原生CO气体的测定和难点,认为易与煤层原生CO混淆的CO气体来源包括原煤破碎脱羰产生CO、煤在常温条件下与氧气反应产生CO和打钻过程为典型的煤体受摩擦短时间局部高温产生CO,测试难点主要为存在易与原生CO混淆的煤层CO气体来源,但除此之外,煤体CO的解吸难易、解吸量大小、浓度高低等原因也会对理论方法的实际操作产生影响。对国内现已开展过的有关煤层原生CO测试方法进行了调研,在此基础上根据原生CO测试的目的和要求,结合煤的物理化学性质,从操作过程简便、实验过程安全、提高实验精度以及便于实现自动化的角度出发,对该实验系统进行了功能分析,将系统划分为密闭充氮取样及破碎装置、气体的井下直接解吸装置、外部加热恒温装置、解吸气体采集装置、气体组分及浓度测定装置、不同装置间的连接气路及配气、实验控制及数据采集装置七部分,并根据子系统所需要实现的功能初步分析了硬件构成,最终建立了煤层原始气体组分含量及放散测试分析平台,整个实验系统由充氮密闭取样罐、球磨机、井下气体解吸仪、程序控温箱、实验室排水集气、气体组分及浓度检测、配气及气路、实验控制及数据采集、煤样称量和筛分等装置部件构成。煤层原始气体组分含量及放散测试分析平台的成功建立为后续实验研究奠定了基础。在构建的实验平台基础上,给出了煤体破碎后原始气体组分及含量随时间变化规律的测试方法,研究了气体量的校正方法及球磨机使用的最佳转动速率。依据该实验方法,对朔州兴陶煤矿(xt)、唐山东欢坨煤矿(dht)、唐山林南仓煤矿(lnc)、张家口西细庄煤矿(xxz1#和xxz5#)以及邯郸大淑煤矿(dsc)的6个煤层煤样进行实验测试,测试了球磨机最佳研磨转率下破碎3h后环境温度25℃通高纯n2(l3)、球磨机最佳研磨转率下破碎2h后环境温度30℃通高纯n2(m2)、球磨机最佳研磨转率下破碎3h后环境温度30℃通高纯n2(m3)、球磨机最佳研磨转率下破碎3h后环境温度35℃通高纯n2(h3)、球磨机最佳研磨转率下破碎3h后环境温度30℃通标准空气(am3)及球磨机最佳研磨转率下破碎4h后环境温度30℃通高纯n2(m4)共6种不同条件下的煤样放散原始气体组分含量及其随时间的变化情况,得出了不同煤样赋存气体类型及组分浓度存在差异、空气的通入对煤体破碎后各原始气体组分的放散均会产生影响等初步规律。最后使用spss数值分析软件,对6种煤样m3条件下,co浓度随时间变化规律进行数值拟合,得出测试浓度与时间的关系基本服从幂指数分布。研究了原生co含量及放散规律的测试方法和分析指标,包括:co放散初始浓度(ic)、放散衰减系数(ia)、10h放散量(iq10)及10-24h放散量(iq10-24);分析了原生co与co2和ch4放散规律的差异,认为co与ch4的10h内衰减远大于co2,ch4的衰减与co相近,co、co2和ch4放散分别服从幂指数、对数和指数分布;研究了co放散特征与内因参数(工业成分、元素含量及孔隙特征等)的关系,认为内因参数对co放散有一定影响,但影响总体上是众多参数相关联综合作用的结果;研究了co放散特征与外部环境因素的关系,认为环境温度主要影响衰减系数及释放量而对放散初始浓度无明显作用,破碎程度会影响放散初始浓度和放散量,空气条件下不同煤样低温氧化co产生量相差很大;研究了co含量与煤质及赋存的关系,认为煤层原生co的产生是由于变质和构造共同作用的结果,气煤阶段最容易产生co气体,密闭式挤压和摩擦也容易产生co,本文实验中co含量高的煤层均为结构复杂煤层,存在因构造产生的密闭区域,单纯处于恰当的变质阶段并不能保证co赋存,即复杂地质条件可能是co赋存的一个必要条件,恰当的变质程度和密闭构造同时存在(lnc)可能会引起大量co赋存。采用傅里叶红外变换光谱仪分别对原始未处理、氮气环境常压解吸72h、25℃空气环境氧化72h和100℃空气环境氧化10h四种条件下(四种条件依次进行)的样品表面官能团进行测试。分析不同变质程度煤的红外谱图,显示各煤样羰基(710-1700cm-1和1736-1722cm-1)谱峰强度均很低,1050-1030cm-1烷基醚和1264-1255cm-1芳香醚的谱峰强度较高,说明除羟基外醚键占含氧官能团的主要部分,是煤大分子中基本单元结构间桥键的重要形式;随变质程度加深,包括醚氧键在内的含氧官能团均呈减少趋势。分析不同条件下煤的红外谱图显示,原始煤样在常压通氮气解吸条件下其表面活性基团未发生明显变化,说明未发生化学反应或程度不可测;常温空气条件下低变质煤样和空气中的氧发生反应,表面官能团变化较明显,主要为脂肪烃含量降低,部分含氧官能团增加,或稍微降低,但高变质无烟煤反应程度很低;在100℃空气条件下所有的煤样均发生的明显的化学反应,低变质褐煤反应最明显,无烟煤反应程度低,主要为脂肪烃含量降低,含氧官能团变化,表现出表面活性基团在未进入燃烧阶段前的氧化过程中的中介性质。最后在前人研究的基础上分析了煤层CO的生成机理,认为在非氧化条件下除物理解吸CO外,还可能由于以羰基和羧基为主的基团自反应生成CO;从理论上研究了6种典型基团氧化生成CO的历程,得出煤在低温氧化过程中生成CO是一个非常复杂的过程,期间存在多种活性基团的生成和消耗,但最终CO主要是由羰基或羧基类基团生成,在其过程中也存在羟基等基团的过渡和参与。应用压力法对XXZ5#和LNC煤样进行了吸附解吸试验,测试了直接采用预制标准标气(CO、CO2和CH4浓度均为5000×10-6,He作为平衡气)加压和先充入1MPa标气后分别注入He、CH4和CO2加压四种条件,主要通过分析吸附-解吸过程中三种吸附性气体的浓度变化,研究了低浓度含CO多元气体的吸附特征,进一步深入分析了煤对CO气体的吸附特征及其在吸附-解吸过程中与其他气体组分的作用关系。结果显示,在低浓度条件下,虽然三种气体的吸附量随压力升高存在一定的减缓趋势,但是较纯气吸附后期减缓趋势小,相同压力下解吸过程的吸附量均大于吸附过程,即存在一定的“迟滞”特征,该特征较纯气体吸附更显著;在低浓度条件下,CO吸附能力与CH4相近,但稍弱于CH4,两种气体吸附能力均与CO2有很大差距;CO气体在标气-CH4和标气-CO2两种条件下的吸附解吸过程会很大程度受到高浓度CH4和CO2的影响,非吸附性气体He的影响主要体现在对吸附性气体的稀释,影响吸附解吸平衡,纯标气吸附和标气-He吸附过程可以较好的表现三种气体的吸附特征;CO、CH4和CO2三种气体不仅吸附能力存在差异且在吸附过程中存在相互的制约和影响,高浓度的CO2和CH4会对CO产生明显的驱替作用,其中CO2气体的作用最突出。