煤是重要的能源。随着煤矿相关产业技术的快速升级,其生产开始集中于高产能、高效率,但同时也伴随着高危险性。特别是特厚煤层回采率低,留保护煤柱多,且开采深度不断加大,致使采空区遗煤频繁发生自燃着火事故,这就使得矿井火灾危险性加大。因此,认识煤自燃氧化特性对指导煤矿及与煤相关产业制定统一的防灭火技术和措施具有重要意义。基于此,本文选取不同自燃性煤,测试了煤升温氧化过程中指标气体产物,耗氧量、吸热和放热等参数,并结合不同阶段煤中活性物质与官能团,分析了煤自燃阶段特征及低温氧化过程中活化能变化规律,并在此基础上对比研究了CO₂和N₂防治煤氧化燃烧的不同效果。氧气是煤自燃发生必不可少的关键因素。低温氧化过程中,煤中活性物质和官能团与氧复合发生物化反应,放出热量使煤温升高,并伴随着气体产物的生成。因此,根据煤氧化实验过程中耗氧及气体生成规律,分析研究了不同自燃性煤的氧化阶段特征。结果表明:随着煤自燃性的增强,单一气体生成量、耗氧量及耗氧速率逐渐增大,且各煤样C2H₄气体出现的温度与CO生成量和耗氧速率快速增大的拐点温度相同。各煤样CO、CO₂和C2H₄气体产生率具有明显的阶段性,且CO和CO₂最大产生率的温度相同。单一气体只能对煤早期自燃发火进行预测预报,但矿井下风量等环境因素对单一气体量有较大影响,使得预测不准确、不及时。复合气体指标可消除环境因素的影响,且不同复合气体可对煤低中高温的自燃氧化进程进行预测,分析煤的氧化状态。依据四种复合气体CO₂/CO、CH₄/C2H6、C2H₄/C2H6、C3H8/C2H6随温度的变化趋势,结合煤氧化特性,可预测煤样的氧化进程及煤体温度。同时对三种煤样进行升降温实验,得到升降温过程中CO,O₂,C2H₄差量及差率的变化规律,进而分析煤的氧化状态。通过对各煤样的低温氧化实验,基于CO浓度与煤温间的线性函数关系,根据计算模型求解出各煤样的特征温度和活化能,同时结合TG-DSC研究数据,分析了不同自燃性煤活化能的低温表征规律。结果表明:低温氧化阶段,不同自燃性煤活化能变化规律具有明显差异。当不同煤样的温度到达各自活性温度时,其活化能迅速降低,且活化能变化阶段点对应煤自燃氧化过程发生转变的特征温度。根据不同氧化阶段活化能大小及其变化规律与理论模型拟合函数的交点计算出煤自燃特征温度,将煤的低温氧化过程分为表面氧化阶段、氧化自燃阶段、加速氧化阶段和深度氧化阶段。煤自燃研究机理的成果最终都会归合为煤氧化燃烧的如何防治。为了研究二氧化碳和氮气防治煤氧化燃烧的不同效果,利用TG-DSC联用分析系统测试了不同自燃性煤不同试验条件下质量和能量的变化,同时分析了自燃性和升温速率对煤氧化燃烧过程的影响。在不同氮气-空气比例和二氧化碳-空气比例混合气体失重曲线中,煤氧化前三个阶段及特征温度T1、T2、T3差异较小。直至着火温度T4时,随着N₂和CO₂的增多,TG-DTG曲线差异增大,燃烧滞后现象更明显,对应的特征温度T4和T5升高。同时DSC曲线向高温区移动,曲线变平缓,氧化燃烧缓慢,且放热强度逐渐降低,放热峰值减小,对应峰温升高,CO₂抑制煤氧化燃烧效果明显强于N₂。同时自燃性和升温速率也影响着煤氧化燃烧过程。煤样在正常空气氛围下氧化燃烧活化能及指数因子均小于在惰性气体条件下,且在CO₂工况中煤活化能和指前因子明显比N₂工况中小,但由于指前因子相比活化能呈数量级的减少,实际煤的氧化反应速率是降低的,煤自燃受到抑制。