賈海林，韓璐璐，余明高

(1.河南理工大學(xué) 河南省煤礦瓦斯與火災(zāi)防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷生成S-CO的規(guī)律與機(jī)理

賈海林1,2，韓璐璐1,2，余明高1,3

(1.河南理工大學(xué) 河南省煤礦瓦斯與火災(zāi)防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 焦作 454000; 2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 3.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

以煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷產(chǎn)生的CO(S-CO)為對(duì)象，利用煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷S-CO測(cè)試系統(tǒng)和傅里葉紅外光譜儀研究S-CO的生成規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在氮?dú)夥諊兔簶淤|(zhì)量相同條件下，S-CO的產(chǎn)生速率和體積分?jǐn)?shù)均隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大。在實(shí)驗(yàn)工況下，S-CO的體積分?jǐn)?shù)變化呈現(xiàn)3個(gè)階段：無(wú)S-CO階段、線(xiàn)性增長(zhǎng)階段、類(lèi)指數(shù)增長(zhǎng)階段?；诿夯瘜W(xué)和紅外光譜分析理論，分析了實(shí)驗(yàn)煤樣在機(jī)械破斷過(guò)程中煤結(jié)構(gòu)的變化情況。根據(jù)煤中含氧基團(tuán)及相應(yīng)解離能，闡明了煤機(jī)械破斷產(chǎn)生S-CO的多步反應(yīng)機(jī)理，補(bǔ)充了前人關(guān)于“S-CO是煤中羰基的機(jī)械激活分解”的片面認(rèn)識(shí)，完善了煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷S-CO的產(chǎn)生機(jī)理。

煤結(jié)構(gòu);機(jī)械破斷;S-CO產(chǎn)生規(guī)律;S-CO產(chǎn)生機(jī)理;多步反應(yīng)機(jī)理

指標(biāo)氣體分析法早已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者證明是一種早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦井火災(zāi)的有效方法，其常用指標(biāo)有CO，C2H4，C2H2等派生指標(biāo)[1-4]。CO氣體又以其靈敏性、易測(cè)性及規(guī)律性等特征被廣泛地作為預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火的指標(biāo)氣體。然而近年來(lái)的大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐出現(xiàn)采煤作業(yè)空間時(shí)常出現(xiàn)CO氣體超限但并未發(fā)生自然發(fā)火的現(xiàn)象[5-7]，給煤自燃的精準(zhǔn)預(yù)報(bào)帶來(lái)了一定的困擾，因此有效辨識(shí)CO氣體來(lái)源是亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

關(guān)于礦井CO氣體來(lái)源方面，除井下爆破作業(yè)、井下柴油機(jī)車(chē)運(yùn)行產(chǎn)生的CO氣體以及新鮮風(fēng)流中攜帶的CO氣體之外[8-9]，賈海林等[10]通過(guò)綜合分析后認(rèn)為煤礦井下CO氣體來(lái)源可分為以下3種，分別是煤層賦存的原生CO(P-CO)、煤氧復(fù)合生成的CO(O-CO)、煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷分解的CO(S-CO)。

P-CO被認(rèn)為是成煤過(guò)程中的非烴類(lèi)氣體產(chǎn)物之一，CHARLES Melton等[11]通過(guò)高真空系統(tǒng)下的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)證明了P-CO氣體的存在。SCHOELL[12]、WHITICAR[13]等認(rèn)為P-CO氣體屬于煤層氣混合物中的一種氣體成分。B.A.索科洛夫認(rèn)為P-CO的生成主要是在長(zhǎng)焰煤和氣煤階段[14]。

O-CO源于煤層開(kāi)采過(guò)程中破斷煤體和氧氣的復(fù)合作用過(guò)程，KAM等[15]較早地提出了煤氧復(fù)合的雙平行反應(yīng)理論，指出了O-CO氣體生成的反應(yīng)序列。KRISHNASWAMY等[16]，H.WANG等[17]對(duì)雙平行反應(yīng)理論進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男拚脱a(bǔ)充。戚緒堯等[18]在證實(shí)煤中活性自由基團(tuán)自反應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了煤自燃過(guò)程的三序列反應(yīng)模型，并推導(dǎo)出了O-CO氣體的反應(yīng)過(guò)程。

S-CO已被大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)所證明[19]。但關(guān)于S-CO氣體的產(chǎn)生機(jī)理研究甚少，僅有Taraba[20]通過(guò)研究后認(rèn)為羰基官能團(tuán)的機(jī)械激活分解可能是煤在機(jī)械切割時(shí)產(chǎn)生S-CO氣體的原因。因此有必要進(jìn)一步開(kāi)展S-CO氣體的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，全面分析S-CO氣體的產(chǎn)生規(guī)律，補(bǔ)充和完善S-CO氣體的反應(yīng)機(jī)理。鑒于此，利用自行設(shè)計(jì)的煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷S-CO測(cè)試系統(tǒng)，以?xún)?nèi)蒙古長(zhǎng)焰煤為研究對(duì)象，研究S-CO的產(chǎn)生規(guī)律與產(chǎn)生機(jī)理。

1 S-CO的測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

為分析煤機(jī)械破斷產(chǎn)生S-CO的規(guī)律，綜合考慮煤層開(kāi)采的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，自行設(shè)計(jì)搭建了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括3個(gè)模塊：配氣系統(tǒng)、煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)。其中煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷系統(tǒng)由變頻器、粉碎機(jī)、控制閥門(mén)等組成，粉碎機(jī)為華凱HK-10B型搖擺式粉碎機(jī)，額定轉(zhuǎn)速25 000 r/min，最大粉碎量為500 g，自帶定時(shí)裝置。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)由氣體分析儀和計(jì)算機(jī)組成，氣體分析儀采用M-9000型煙氣分析儀，可同時(shí)測(cè)量粉碎腔體溫度、氧氣、一氧化碳等氣體成分與體積分?jǐn)?shù)等。

圖1 煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷S-CO測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of detecting S-CO during coal mechanical breaking

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為忽略P-CO的影響，同時(shí)為保護(hù)電機(jī)，煤樣量不宜過(guò)大，實(shí)驗(yàn)煤樣設(shè)定為200 g。為排除O-CO的影響，機(jī)械破斷實(shí)驗(yàn)在純氮(純度為99.99%)氛圍下進(jìn)行，并以空氣氛圍做比對(duì)。粉碎機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為25 000，20 000，15 000，10 000 r/min等，近似模擬采煤機(jī)以不同功率切割煤體的情況。機(jī)械破斷實(shí)驗(yàn)設(shè)置工況見(jiàn)表1。

表1實(shí)驗(yàn)工況
Table1Experimentaloperatingconditions

工況煤樣質(zhì)量/g電機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)氛圍破斷時(shí)間/min120025000氮?dú)?220020000氮?dú)?320015000氮?dú)?420010000氮?dú)?520025000空氣4

2 S-CO的結(jié)果分析

2.1 不同工況下的溫升效應(yīng)

煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷實(shí)驗(yàn)過(guò)程不可避免的會(huì)出現(xiàn)摩擦生熱現(xiàn)象，使得腔體內(nèi)煤體溫度升高，有可能導(dǎo)致煤受熱裂解產(chǎn)生CO，進(jìn)而影響S-CO的分析結(jié)果。在此假定如果測(cè)溫元件測(cè)量到的粉碎腔體溫度不超過(guò)煤的干裂溫度，即可排除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因摩擦生熱導(dǎo)致的煤受熱裂解產(chǎn)生的CO氣體，為此把實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)到的工況1，2，3和4下腔體溫度和破碎時(shí)間作圖進(jìn)行系統(tǒng)分析，如圖2所示。

圖2 相同煤量和氛圍不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下溫升曲線(xiàn)Fig.2 Temperature graphs under the different motorspeed at the same qualityand nitrogen atmosphere

分析圖2可知，工況1和2，即電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為25 000和20 000 r/min時(shí)，10 s左右開(kāi)始出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，之后隨著破碎的持續(xù)進(jìn)行，溫度逐漸上升，到破碎時(shí)間為240 s時(shí)，溫度分別達(dá)到42.3和29.2 ℃。工況3和4，即電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為15 000和10 000 r/min時(shí)，90 s左右才開(kāi)始出現(xiàn)溫升現(xiàn)象，且增長(zhǎng)較為緩慢，最后到破碎時(shí)間為240 s時(shí)，溫度才分別升高到12.5和6.5 ℃。由上述分析可知，在氮?dú)夥諊?、在設(shè)定的時(shí)段內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)煤樣進(jìn)行機(jī)械破斷實(shí)驗(yàn)，工況1，2，3和4雖然都出現(xiàn)了熱效應(yīng)，但上升溫度沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)煤樣的臨界干裂溫度，可認(rèn)為測(cè)量到的CO氣體均是煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷產(chǎn)生，而非煤熱解生成的。

2.2 煤量和氛圍相同轉(zhuǎn)速不同時(shí)的S-CO變化分析

工況1，2，3和4下CO產(chǎn)生量和破碎時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。分析圖3可知，4 min的破碎時(shí)間內(nèi)，4種工況下均有CO氣體出現(xiàn)，但其體積分?jǐn)?shù)及產(chǎn)生規(guī)律不同。4種工況下CO氣體的變化特征見(jiàn)表2。分析圖3和表2可以發(fā)現(xiàn)，破碎的初始階段，各工況均沒(méi)有CO產(chǎn)生，之后開(kāi)始出現(xiàn)CO并呈增大趨勢(shì)，工況1和2下的CO氣體隨破碎時(shí)間呈先線(xiàn)性增長(zhǎng)后類(lèi)指數(shù)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì);工況3和4下的CO氣體呈緩慢的線(xiàn)性增加趨勢(shì)，并未出現(xiàn)類(lèi)指數(shù)增長(zhǎng)階段。

圖3 相同煤量和氛圍不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下S-CO體積分?jǐn)?shù)Fig.3 Concentration of S-CO under the differentmotorspeed at the same qualityand nitrogen atmosphere

2.3 煤量和轉(zhuǎn)速相同氛圍不同時(shí)的CO變化分析

煤量和轉(zhuǎn)速相同，氛圍不同的CO產(chǎn)生規(guī)律如圖4所示。分析圖4可知，工況5(空氣氛圍下，煤樣質(zhì)量200 g，電機(jī)轉(zhuǎn)速25 000 r/min)比工況1(氮?dú)夥諊?，煤樣質(zhì)量200 g，電機(jī)轉(zhuǎn)速25 000 r/min)的CO產(chǎn)生量及CO平均產(chǎn)生速率都要大。其原因應(yīng)是空氣氛圍下的CO產(chǎn)生量包括煤氧復(fù)合作用產(chǎn)生的CO(O-CO)以及煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷產(chǎn)生的CO(S-CO)。設(shè)置工況5與工況1作對(duì)比的目的是證明實(shí)際的采煤作業(yè)空間采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的CO氣體應(yīng)是來(lái)源于O-CO和S-CO兩部分，為后續(xù)修正CO預(yù)測(cè)煤自燃的臨界值做鋪墊，在此不再贅述。

表2不同工況下CO體積分?jǐn)?shù)時(shí)間分布
Table2ProductionperiodsofCO

工況CO出現(xiàn)時(shí)間/s線(xiàn)性增長(zhǎng)階段/sCO體積分?jǐn)?shù)/10-6類(lèi)指數(shù)增長(zhǎng)階段/sCO最終體積分?jǐn)?shù)/10-617575～15021150～2407927575～22028220～2403938080～24022無(wú)224130130～2405無(wú)5

圖4 相同煤量和轉(zhuǎn)速下不同氛圍下CO體積分?jǐn)?shù)Fig.4 Concentration of CO under the different atmosphere at the same qualityand motor rotational speed

3 煤機(jī)械破斷產(chǎn)生CO氣體的機(jī)理分析

3.1 機(jī)械破斷煤樣的紅外光譜實(shí)驗(yàn)

利用TENSOR-37型傅里葉變換紅外光譜儀開(kāi)展機(jī)械破斷煤樣的紅外光譜實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：取煤機(jī)械破斷實(shí)驗(yàn)后的煤樣和光譜純溴化鉀粉末，按1∶100的比例(煤樣約為1.5 mg，溴化鉀約為150 mg)放入瑪瑙研缽中研磨3～4 min讓其混合均勻，然后將研磨均勻的混合物裝入壓片模具中壓制成符合紅外測(cè)試要求的薄片，分別對(duì)其進(jìn)行編號(hào)后放入真空干燥箱干燥24 h，依次取出進(jìn)行紅外光譜分析。氮?dú)夥諊虏煌姍C(jī)轉(zhuǎn)速下機(jī)械破斷4 min后煤樣的紅外光譜圖如圖5所示。

圖5 不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下，200 g煤樣在氮?dú)夥諊缕茢? min的紅外光譜Fig.5 FTIR spectra of coal sample with different motor rotational speed,200 g coal lumpmass,under N2 atmosphere

3.2 S-CO的機(jī)理分析

3.2.1煤結(jié)構(gòu)含氧活性基團(tuán)結(jié)構(gòu)分析

煤結(jié)構(gòu)中的氧元素主要存在于羥基、羧基、羰基、硝基、亞硝基等含氧基團(tuán)中，這些基團(tuán)主要以醇、羧酸、酚類(lèi)、脂肪類(lèi)等有機(jī)形式存在[21]。煤結(jié)構(gòu)主要是以苯環(huán)為主的大分子結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈上包含有脂肪烴直鏈、脂肪烴側(cè)鏈以及羥基、羧基、醛基等官能團(tuán)結(jié)構(gòu)。由于實(shí)驗(yàn)煤樣為長(zhǎng)焰煤，煤化程度較低，還存在含氧的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，這些含氧官能團(tuán)和自由基的存在都為CO的產(chǎn)生提供了氧來(lái)源。結(jié)合煤化學(xué)的相關(guān)知識(shí)，實(shí)驗(yàn)煤樣的煤結(jié)構(gòu)單元中含有的含氧自由基和含氧官能團(tuán)見(jiàn)表3和4。

表3煤結(jié)構(gòu)含氧自由基的官能團(tuán)
Table3Functionalgroupscontainingoxygenradicalsofcoalmolecular

3.2.2煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷形成CO機(jī)理分析

分析不同電機(jī)轉(zhuǎn)速下，200 g煤樣在氮?dú)夥諊缕茢? min的紅外光譜圖(圖5)可知，煤機(jī)械破斷過(guò)程中，會(huì)發(fā)生以下變化：

(1)機(jī)械力物理破斷煤分子結(jié)構(gòu)

對(duì)煤體進(jìn)行切割時(shí)，機(jī)械作用力會(huì)破壞煤分子結(jié)構(gòu)之間的相互作用，使得煤結(jié)構(gòu)中大分子破斷成為小分子結(jié)構(gòu)。例如，分析圖5可以看出，1 033和1 014 cm-1處Si—O—Si或Si—O—C伸縮振動(dòng)，這是典型的硅氧鍵振動(dòng)的位置，煤中含有巖石等，其主要成分為二氧化硅。二氧化硅晶體的吸收雙峰峰值隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大而降低。說(shuō)明在機(jī)械外力作用下，二氧化硅晶體被機(jī)械力破斷，晶體含量減少，煤結(jié)構(gòu)也同時(shí)被破斷。

表4煤結(jié)構(gòu)中的含氧原子官能團(tuán)
Table4Functionalgroupscontainingoxygenatomsofcoalmolecular

(2)煤中化學(xué)鍵數(shù)量增加

隨著煤的大分子結(jié)構(gòu)被機(jī)械力破斷，小分子結(jié)構(gòu)的增加會(huì)導(dǎo)致化學(xué)鍵數(shù)量的增加，同時(shí)產(chǎn)生大量自由基，見(jiàn)表5。

(3)活性增強(qiáng)

在破斷過(guò)程中，刀片傳遞給煤樣的能量會(huì)使煤分子結(jié)構(gòu)的活化能降低，活性增強(qiáng)，活性自由基增多。同時(shí)，煤中的結(jié)晶水被析出活化，提供氫自由基和羥基自由基，參與到反應(yīng)中來(lái)。表6給出了各個(gè)官能團(tuán)中相關(guān)化學(xué)鍵的解離能?？梢钥闯觯骰瘜W(xué)鍵的穩(wěn)定性有以下規(guī)律：

表5煤樣紅外光譜圖的變化特征分析
Table5Characteristicanalysisofinfraredspectrumofcoalsample

位置/cm-1特征注解位置/cm-1特征注解472，541隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，含硫鍵吸收峰峰值逐漸降低煤樣中的硫鍵在破斷過(guò)程中被斷開(kāi)脫去，生成了具有反應(yīng)活性的碳鏈結(jié)構(gòu)1263隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，C—O伸縮振動(dòng)吸收峰升高隨著破斷的進(jìn)行，活性C—O鍵明顯增多916，1097隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，醚鍵C—O—C的吸收峰峰值逐漸降低脂肪鏈上的醚鍵被打開(kāi)，生成了諸如甲氧基、乙氧基、雜鏈氧等結(jié)構(gòu)的活性C—O鍵3620，3660隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，游離O—H吸收峰峰值降低游離O—H與碳結(jié)合，形成醇、酚等結(jié)構(gòu)羥基

表6部分化學(xué)鍵的解離能
Table6Dissociationenergyofchemicalbond

(1)碳?xì)滏I(C—H)的穩(wěn)定性：苯環(huán)上的碳?xì)滏I比烷烴類(lèi)碳?xì)滏I穩(wěn)定，側(cè)鏈和脂肪鏈上碳?xì)滏I的穩(wěn)定性隨鏈長(zhǎng)的增加而變?nèi)酰S碳支鏈個(gè)數(shù)的增加而變?nèi)?。同等鏈長(zhǎng)情況下，C—H鍵的穩(wěn)定性：烷烴類(lèi)碳?xì)滏I>苯環(huán)側(cè)鏈碳?xì)滏I。

(2)碳碳鍵(C—C)的穩(wěn)定性：苯環(huán)上的碳碳鍵>苯環(huán)側(cè)鏈上的碳碳鍵>脂肪鏈上的碳碳鍵;脂肪鏈上碳鏈越長(zhǎng)，支鏈越多，其碳碳鍵穩(wěn)定性越弱。

(3)碳氧鍵(C—O)的穩(wěn)定性：與苯環(huán)直接相連的酚羥基和醚鍵中的碳氧鍵>醇羥基中的碳氧鍵>鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)醚鍵中的碳氧鍵>羧酸羧基中的碳氧鍵>過(guò)氧化物中的碳氧鍵。

(4)氫氧鍵(O—H)的穩(wěn)定性：與苯環(huán)相連羧基中氫氧鍵>羥基中氫氧鍵>醚中氫氧鍵>脂肪鏈羧酸中氫氧鍵。鏈長(zhǎng)對(duì)醇、酸、過(guò)氧化物中氫氧鍵的穩(wěn)定性基本無(wú)影響;苯環(huán)側(cè)鏈上的氫氧鍵穩(wěn)定性比脂肪鏈中醇、酸、過(guò)氧化物中氫氧鍵穩(wěn)定性弱。

綜上所述，可以看出在煤破斷過(guò)程中，有以下幾種產(chǎn)生CO的途徑：

(1)煤大分子結(jié)構(gòu)被破斷過(guò)程中，含氧鍵的斷裂過(guò)程會(huì)產(chǎn)生S-CO。煤分子結(jié)構(gòu)組合復(fù)雜多樣，在這里選取部分?jǐn)嗔亚闆r來(lái)說(shuō)明，具體斷裂過(guò)程如下：

(2)隨著煤結(jié)構(gòu)破斷，煤分子內(nèi)能逐漸增大，活性基團(tuán)增多，含碳氧元素的基團(tuán)發(fā)生活化分解生成S-CO。根據(jù)解離能可知，首先斷裂的是過(guò)氧化物和雜環(huán)氧，其次是羧酸，再然后是醚鍵，最后是羥基。分別選擇各含氧鍵的一種結(jié)構(gòu)進(jìn)行舉例說(shuō)明，斷裂過(guò)程如下：

4 結(jié) 論

(1)設(shè)計(jì)建造了一種煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷S-CO產(chǎn)生量的測(cè)試系統(tǒng)，研究分析了不同工況下S-CO的產(chǎn)生規(guī)律。4種工況下S-CO的平均產(chǎn)生速率和最大體積分?jǐn)?shù)均隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大。S-CO的產(chǎn)生量可劃分為3個(gè)階段：無(wú)CO產(chǎn)生階段、CO呈線(xiàn)性增長(zhǎng)階段、CO呈類(lèi)指數(shù)增長(zhǎng)階段。

(2)通過(guò)對(duì)機(jī)械破斷煤樣的紅外光譜分析，確定了煤樣在機(jī)械破斷過(guò)程中表面化學(xué)鍵的變化情況。根據(jù)煤破斷過(guò)程中化學(xué)鍵(碳氧鍵、碳碳鍵、碳?xì)滏I和氫氧鍵)的變化情況，推斷出實(shí)驗(yàn)煤樣的分子結(jié)構(gòu)中存在的含氧官能團(tuán)，主要包括苯環(huán)及其側(cè)鏈脂肪鏈上的醇羥基、羧酸羧基、醛基、連接大分子結(jié)構(gòu)的醚鍵、過(guò)氧鍵以及雜氧結(jié)構(gòu)。

(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)煤樣中含有的含氧結(jié)構(gòu)及相應(yīng)化學(xué)鍵的解離能，分析了煤機(jī)械破斷產(chǎn)生S-CO的主要途徑，獲得了煤機(jī)械破斷產(chǎn)生S-CO的多元反應(yīng)機(jī)理，即煤結(jié)構(gòu)中含過(guò)氧化物、雜環(huán)氧、羧酸、醚鍵、羥基等含氧基團(tuán)因煤結(jié)構(gòu)的機(jī)械激活而破斷分解產(chǎn)生了S-CO。糾正了前人關(guān)于“S-CO可能源于煤中羰基的機(jī)械激活分解”的片面認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步豐富了煤機(jī)械破斷S-CO的產(chǎn)生機(jī)理。

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FormationruleandmechanismofS-COduringthemechanicaldisruptionofcoalstructure

JIA Hailin1,2，HAN Lulu1,2，YU Minggao1,3

(1.HenanKeyLaboratoryofCoalMineMethaneandFirePrevention,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 2.SchoolofSafetyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China; 3.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsControl,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

In terms of the S-CO produced by coal structure mechanical disruption,using coal mechanical breakage S-CO experiment combined with infrared spectrum experiment,this study investigated its formation rule and analyzed its formation mechanism.Results shows that when the coal sample qualities are same,the value of average CO production rate and CO concentration increase with the increase of motor rotational speed in N2atmosphere.The changes of S-CO concentration can be divided into three periods under the experimental conditions:no S-CO production period,CO linearly increase period and CO exponentially increase period.The authors analyzed the changes of chemical bonds of coal structure during the mechanical disruption process,based on the theory of coal chemistry and infrared spectrum analysis.The multi-step reaction mechanism of S-CO was clarified according to the oxygen-containing groups and the dissociation energy corresponded.The unilateral recognition of predecessors’ research was corrected that “S-CO is produced by the mechanical activation decomposition of carbonyl groups in coal”,and the formation mechanism of S-CO was supplemented as well.

coal structure;mechanical disruption;formation rule of S-CO;formation mechanism of S-CO;multi-step reaction mechanism

10.13225/j.cnki.jccs.2016.1701

P574

:A

:0253-9993(2017)08-2037-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51304069，U1361205);河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(132300410121)

賈海林(1980—)，男，河南漯河人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士。Tel：0391-3987938，E-mail：jiahailin@126.com。

：余明高(1963—)，男，四川瀘州人，教授，博士生導(dǎo)師，博士。Tel：0391-3987915，E-mail：mgyu@126.com

賈海林，韓璐璐，余明高.煤結(jié)構(gòu)機(jī)械破斷生成S-CO的規(guī)律與機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(8):2037-2043.

JIA Hailin，HAN Lulu，YU Minggao.Formation rule and mechanism of S-CO during the mechanical disruption of coal structure[J].Journal of China Coal Society,2017,42(8):2037-2043.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.1701