陽(yáng)煤三礦15＃煤層煤自燃特性的實(shí)驗研究

第2期汪長(cháng)明陽(yáng)煤三礦 15#煤層煤自燃特性的實(shí)驗研究陽(yáng)煤三礦15#煤層煤自燃特性的實(shí)驗研究汪長(cháng)明(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037)摘要:通過(guò)對煤自燃特性進(jìn)行實(shí)驗研究,確定煤自燃等級、自燃預報指標性氣體以及最短自然發(fā)火期,以此為依據制定礦井生產(chǎn)與防滅火安全技術(shù)措施，確保有煤自燃傾向的礦井安全高效生產(chǎn)。關(guān)鍵詞:煤自燃特性;自燃預報;指標氣體;最短自然發(fā)火期中圖分類(lèi)號:TD75*2.2文獻標識碼:A文章編號:1671 - 749X(2015 )02 -0005 -04Experimental research on spontaneous combustion characteristicsof 15# coal seam in Yangmei Third Coal MineWANG Chang ming( Chongqing Ressearch Institule , China Coal Technology & Engineering Group Corp , Chongqing 40037 ,China)Abstract: By experimental study of coal spontaneous combustion characteristics， the coal spontaneous combustion grade , in-lex gas and the shortest spontaneous combustion period was confirmed . And then , the safety technical measures for mineproduction and fire prevention were formulated , and the safety and efficient production in the spontaneous combustion minecould be ensured .Key words: coal spontaneous combustion characteristics ; coal spontaneous combustion forecast ; index gas ; the shortestspontaneous combustion period報標志性氣體,并最終確定煤自燃傾向性等級和最0引言短自然發(fā)火期。綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)的廣泛采用,使生產(chǎn)效率1陽(yáng)煤三礦煤自然發(fā)火標志氣體研究大幅提高,但這種采煤方法冒落高度大、采空區遺留煤多、漏風(fēng)嚴重,使得采空區煤炭自燃危險性增大、1.1 陽(yáng)煤三礦15#煤的自燃傾向性自然發(fā)火頻繁1.21。通過(guò)對煤自燃特性進(jìn)行實(shí)驗研取樣地點(diǎn):陽(yáng)泉三礦K8202工作面。究,確定煤自燃等級、自燃預報指標性氣體以及最短實(shí)驗煤樣工業(yè)分析及自燃傾向鑒定結果見(jiàn)自然發(fā)火期,從而為制定礦井生產(chǎn)與防滅火安全技表1。術(shù)措施提供可靠依據。由工業(yè)分析及煤自燃傾向性等級鑒定可知,15#本文采用煤自燃升溫氧化實(shí)驗,依據陽(yáng)煤三礦煤層煤的全硫含量為2.42% ,含硫量較高,增大了15#煤層K8202工作面煤樣自燃特性實(shí)驗結果，結煤自中國煤化工樣的靜態(tài)吸氧量為合類(lèi)似條件綜放面自燃預測預報的統計分析情況,MYHCNMH G和規范,吸氧量大于選取不同溫度下的氣體產(chǎn)物,作為現場(chǎng)自燃預測預0.7 cm'/g,即為容易自燃,因此判定煤樣的自燃等級為容易自燃。而且,現場(chǎng)開(kāi)展防滅火工作時(shí),應加收稿日期:2014-11-14作者簡(jiǎn)介:汪長(cháng)明(1971-),男,重慶永川人1997年畢業(yè)于中國礦強采空區、破碎頂板等自燃危險區域監測，加大礦井業(yè)大學(xué),高級工程師,主要從事煤巖災害防治相關(guān)工作。自燃防治力度,進(jìn)行防滅火技術(shù)的綜合應用,做好高陜西煤炭2015年瓦斯礦井煤層自燃防治工作。發(fā)展的程度有關(guān),可以從中選取-.種或多種煤炭熱表1工業(yè)分析及 自燃傾向等級鑒定結果解伴生氣體,作為煤炭自燃早期預報的指標性氣體。吸氧量研究表明，使用CO、C2H4及C2H2三個(gè)指標,綜.工業(yè)分析/%6全硫真相對項目，自燃編號M。 Ag Vaut /% /drRDSi.ad密度/(cm3. g-')傾向性合地將煤自然發(fā)火分為三個(gè)階段:①CO指標氣體干煤是煤體自燃早期預測預報的良好指標，礦井風(fēng)流中I類(lèi)出現ppm級CO時(shí),煤體處于緩慢氧化階段,溫度在2009 +0201 0.46 4.71 8.25 2.42 1. 401.13(容易自燃)50°C~1509C;②出現ppm級CO和C2H時(shí)的加速1.2自 然發(fā)火標志氣體及預測指標氧化階段;③出現ppm級C0C2H4和C2H2時(shí)的激煤炭自燃的早期預報是井防滅火技術(shù)的重要烈氧化階段,此時(shí)溫度一般大于250C,即將出現明組成部分。預測預報利用先進(jìn)的檢測技術(shù)早期發(fā)現火。應用這三個(gè)指標,不僅可預測火災,而且還可判處于自熱狀態(tài)的煤炭,以便及時(shí)采取有效的技術(shù)措別其階段 ,據此而采取不同的防滅火技術(shù)措施。施處理高溫點(diǎn)或自熱熱源,把火災消滅在萌芽狀態(tài)。1.3煤樣升溫 氧化試驗結果而預測指標的優(yōu)選及指標值的確定是預測準確與否本實(shí)驗應用CO C2H4及C2H2三個(gè)指標氣體,得的關(guān)鍵,國內外學(xué)者對此做了大量的研究工作,提出出K8202工作面煤樣升溫氧化實(shí)驗結果。升溫氧了許多預測方法和指標。最常用的是測定礦內空氣化過(guò)程中氣體產(chǎn) 物及其濃度變化見(jiàn)表2,臨界溫度成份的變化，即氧濃度降低、自熱或自燃的伴生氣體為 170C。煤樣最低溫度、最高溫度和進(jìn)氣溫度對濃度增加。煤炭在熱解過(guò)程中,會(huì )產(chǎn)生一些正常大應關(guān)系如圖1。CO、C2H和C2H隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如氣中不含或含量極低的煤炭熱解伴生氣體，如CO圖2。和烴類(lèi)氣體等,這些熱解伴生氣體的生成量與熱解表2煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體濃度及臨界溫度煤樣及進(jìn)氣溫度/C .CH4CO2C2H4C2 HoC2H202/%TminTmasT。/ppm/ ppm242519. 745.167.8027119. 696.242. 935405819. 655.253. 84919. 629.869.0628919. 605.489. 37980519. 505.865.59410219. 377.48.153. 611913119. 2613.87.555. 7124519.1620. 858.014415215719. 0643. 875. 01617019. 0557.4.04.91808319. 04109.5218. 4200 |500↑- +Tcmin第100-Ta中國煤化工THCNMHG..計5652取樣編號煤樣最高溫度/Tcmax圖1 煤樣最低溫度最高溫度和進(jìn)氣溫度對應關(guān)系圖2CO.C2H4和C2H2隨時(shí)間變化規律第2期汪長(cháng)明陽(yáng)煤三礦 15#煤層煤自燃特性的實(shí)驗研究從圖1由一氧化碳與煤溫變化關(guān)系可以看出，錄,將同一煤層發(fā)生的各次自燃火災逐- - 比較,以其15#煤均在溫度1179時(shí),開(kāi)始出現CO,其CO濃度發(fā)火時(shí)間最短者作為該煤層的最短自然發(fā)火期,中為7.4ppm左右。當溫度在1179C ~ 170C之間,CO間范圍值作為- - 般自然發(fā)火期;②類(lèi)比法。對于新氣體含量增長(cháng)較為緩慢,說(shuō)明煤樣氧化反應處于較建礦井,通過(guò)與煤層的自燃傾向性、地質(zhì)賦存條件和為溫和階段,CO產(chǎn)生速率較慢,而且，空氣溫度Ta開(kāi)采方法相似的生產(chǎn)礦井類(lèi)比,估算煤層的自然發(fā)大于煤樣溫度Tx,說(shuō)明外部向煤樣供熱,通過(guò)空火期。氣對流等方式使煤樣溫度不斷升高;當煤樣氧化到在評價(jià)煤層自然發(fā)火危險性時(shí),一般的方法是170°時(shí),CO氣體含量迅速增加,說(shuō)明煤氧復合反應對其作自然發(fā)火傾向等級鑒定。然而,在現實(shí)過(guò)程處于較為劇烈的階段,同時(shí),煤樣溫度Tm.也達到中所確定的煤自然發(fā)火傾向等級與實(shí)際情況存在較170,說(shuō)明煤氧復合反應進(jìn)人自熱加速階段,即,煤大差異,因此,通過(guò)煤最短自然發(fā)火期評價(jià)煤的自然氧復合反應產(chǎn)生的熱量大于逸散的熱量,部分熱量發(fā)火危險性已成為--種較可靠的方法。發(fā)生積聚從而使得煤樣溫度不斷升高，說(shuō)明了煤體本實(shí)驗將絕熱條件下煤從常溫緩慢氧化、自熱已經(jīng)進(jìn)人了快速氧化升溫階段,如果此時(shí)不采取措升溫到加速氧化臨界溫度所需的時(shí)間計為煤層最短施，煤樣很快就會(huì )燃燒起來(lái)。自然發(fā)火期。通過(guò)差示掃描量熱法( DSC)測定煤樣從圖2可以看出,該礦煤樣在氧化過(guò)程中有規比熱、升溫氧化實(shí)驗確定煤樣加速氧化臨界溫度，以律的出現CO CO2甲烷CH等三種氣體，且三種氣升溫氧化實(shí)驗中氣體產(chǎn)物的濃度變化計算煤樣的放體生成量均隨煤溫的升高而增大。熱速率,根據建立的數學(xué)模型解算實(shí)驗煤樣的最短CO2的含量隨溫度升高總體上呈現上升趨勢，自然發(fā)火期。且變化趨勢與CO基本相同。但是易受井下各種外2.1煤最短自然發(fā)火期解算數學(xué)模型界環(huán)境的影響,難以判別氣樣中的CO2是否是由煤煤炭科學(xué)研究總院重慶分院采用升溫氧化實(shí)驗氧化產(chǎn)生的。所以二氧化碳氣體的含量不能用做判方法,以煤氧復合作用的吸附放熱和化學(xué)反應放熱斷自然發(fā)火早期發(fā)現的標志氣體。作為煤自熱升溫、水份蒸發(fā)、瓦斯解吸的主要熱源，因此,首選的自燃標志氣體是CO。建立絕熱條件下的熱平衡方程，將常溫到煤自然發(fā)火臨界溫度劃分為若干溫度段,計算不同溫度時(shí)煤2煤最短自然發(fā)火期研究氧作用的放熱速率，解算煤的自燃潛伏期,建立了煤自然發(fā)火期是表征煤炭自燃危險性的主要指標最短自然發(fā)火期解算數學(xué)模型4]。之一。自然發(fā)火期是指煤被剝離暴露于空氣中，在由于煤在常溫~363K溫度段內的水分蒸發(fā)量最佳供氧、貯熱條件下,煤體從常溫上升到著(zhù)火溫度較小，所以近似認為水分的蒸發(fā)主要在363K ~ 393K所需要的時(shí)間。理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐證明,不同種溫度段內完成。類(lèi)的煤,由于其內部結構及物化性質(zhì)不同,自然發(fā)火2.2煤層最短自然發(fā)火期實(shí)驗結果期不同;同一煤層,不同通風(fēng)供氧、蓄熱、開(kāi)采條件根據對不同溫度條件下不同煤種煤樣的比熱進(jìn)下，自然發(fā)火期也有很大差異，據統計,同一礦井最行的差示掃描量熱分析測試實(shí)驗室試驗的結果,選長(cháng)與最短自然發(fā)火期相差達1.9~ 10倍”。取以下比熱數據對陽(yáng)泉三礦K8202工作面煤樣進(jìn)傳統的自然發(fā)火期確定方法有:①統計比較法。行自然發(fā)火期解算。如表3所示。針對生產(chǎn)礦井,對煤層的自燃情況作認真統計和記表3 不同溫度條件下的煤樣比熱表項目編號中國煤化工2:455075)0fYHCNMHG351502009 402011.301.311.321.331. 341.361.371.391.40.1.41解算得陽(yáng)泉三礦K8205工作面煤樣實(shí)驗最短自然發(fā)火期為23 d,解算過(guò)程見(jiàn)表4。8陜西煤炭2015年表4實(shí)驗煤樣最短 自然發(fā)火期計算表Vo2VcoVconv。編號/K/(J. (kg. min)-') /(m3. kg~') /%/d/(10 mol●min “974. 139 000. 022 420. 905 310. 600.003144. 07020.013420.31857. 542.20313. 97910.015919. 94383. 193483.868 80.019419. 502 63. 822.94623.773 10.024219. 167 92. 890.023 2. 003783.871 50. 00000.017019. 448 62. 100.437 1. 64904.07750.001 90.013 520. 368 41.651. 354044.201 90. 00330.013520.9864.1. 251.104184. 29460.00490.013 621.45070. 941. 074304. 40160.01000.017 122. 098 50. 740.91(4)通過(guò)對煤樣進(jìn)行自燃特性實(shí)驗，得到了自3結論燃傾向性、自燃指標氣體和最短發(fā)火期等特性參數,(1)通過(guò)靜態(tài)吸氧實(shí)驗,確定陽(yáng)泉三礦K8202.能夠為現場(chǎng)煤自燃預測、預報和防滅火工作提供工作面煤樣自燃傾向性等級屬I(mǎi)類(lèi)，為容易自燃,吸依據。氧量為1.13 cm'/g干煤。參考文獻:(2)通過(guò)升溫氧化實(shí)驗,對比分析了CO、CO2、[1] 于海勇,吳健.放頂煤開(kāi)采理論與實(shí)踐[M].徐CH,等氣體濃度隨煤樣溫度的變化規律,首選的自州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社, 1992. 11.燃標志氣體是CO,可采用C0相對量和變化率為自2]胡社榮,蔣大成.煤層自燃災害研究現狀與防治對策[J].中國地質(zhì)災害與報,2000,11(4) :69-71.燃趨勢預測預報指標，同時(shí)觀(guān)察烯烴類(lèi)氣體濃度的[3]王 德明.礦井火災學(xué)[ M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出發(fā)展趨勢,結合烯烴類(lèi)氣體綜合預報自然發(fā)火。版社,2008.(3)根據煤樣升溫氧化試驗結果,采用最短自[4]余明高，黃之聰,岳超平.煤最短自然發(fā)火期解算然發(fā)火期模型解算得煤樣最短自然發(fā)火期為23d。數學(xué)模型[J].煤炭學(xué)報,2001 ,26(5):516-519.(下接第30頁(yè))對4*煤而言,支架上方的頂煤,在移架過(guò)程中支[1]宋振騏,趙經(jīng)徹,陳立良.關(guān)于綜采放頂煤安全開(kāi)架的反復支撐對頂煤由裂隙煤到放煤口后成為松散采問(wèn)題的認識[J].煤炭學(xué)報, 1995, 20(4):煤而順利放出具重要作用。卸壓移架方式對頂煤實(shí)256- 360.[2]吳健.綜放采場(chǎng)支架- -圍巖關(guān)系的新概念[ A].施的“松弛-加壓”可有效提高頂煤的破碎效果,進(jìn)2000年綜采放頂煤與安全技術(shù)研討會(huì )論文集而實(shí)現對頂煤弱化,提高工作面頂煤的回收率。[C].北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.27-35.3結語(yǔ)[3]索永錄.綜放開(kāi)采堅硬頂煤預先爆破弱化技術(shù)基礎研究[D].西安:西安科技大學(xué),2004.(1)通過(guò)對401 102綜放工作面頂煤的冒放性分[4] 李化敏,周英,蘇承東.放頂煤開(kāi)采支架受力測試析可知,該工作面頂煤屬于易冒放,在回采過(guò)程中不與分析「11.山東科技大學(xué)學(xué)報, 2000, 19(2):需要進(jìn)行頂煤弱化。中國煤化工(2)“卸載移架”和“帶壓移架”兩種不同移架方YHCNMHG.放頂煤工作面支架與圍式對頂煤破碎效果試驗結果表明,“卸載移架"的移巖相互作用特點(diǎn)[ A].2000年綜采放頂煤與安全技術(shù)研討會(huì )論文集[C].北京:煤炭工業(yè)出版社,架方式對提高綜放工作面頂煤回收率是有利的。2000. 6.