北徐樓煤礦三下煤層自然發(fā)火規(guī)律研究

摘要：論文以北徐樓煤礦三下煤層為研究對(duì)象，運(yùn)用煤氧化反應(yīng)和表面反應(yīng)熱自燃機(jī)理，通過(guò)取樣進(jìn)行自然發(fā)火特性實(shí)驗(yàn)及對(duì)該礦三下煤層自然發(fā)火情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究得出該礦三下煤層自然發(fā)火特點(diǎn)及規(guī)律。

關(guān)鍵詞：三下煤層 自然發(fā)火 實(shí)驗(yàn) 規(guī)律

1 北徐樓煤礦三下煤層開(kāi)采概況

北徐樓煤礦為低瓦斯礦井，其三下煤平均埋深-850m，平均厚度7m。三下煤呈玻璃光澤，以亮煤為主，鏡暗煤次之。條帶狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，含黃鐵礦，高發(fā)熱量煤層。

在開(kāi)采過(guò)程中常面臨煤層自然發(fā)火的影響，自2010年9月份北徐樓煤礦三下煤層首采工作面開(kāi)采以來(lái)，因自然發(fā)火而被迫封閉處理4次，每次從封閉到啟封、再到正常開(kāi)采時(shí)間少則兩月，多則半年，嚴(yán)重影響了北徐樓煤礦的正常采掘安排，給礦方造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。

據(jù)此，本課題從該礦三下煤層的自然發(fā)火特性實(shí)驗(yàn)入手，根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及對(duì)煤層自然發(fā)火主要影響因素的分析，研究得出了三下煤層的自然發(fā)火規(guī)律。

2 煤自燃機(jī)理研究現(xiàn)狀

煤自燃問(wèn)題自十七世紀(jì)即開(kāi)始研究探索，近十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度、采用不同的方法對(duì)煤自燃的機(jī)理進(jìn)行了研究，并取得一些新進(jìn)展，主要體現(xiàn)在利用熱分析技術(shù)研究煤自燃機(jī)理、從煤的活化能入手研究煤自燃機(jī)理、從煤分子結(jié)構(gòu)模型入手研究煤的自燃機(jī)理、從煤巖相學(xué)角度研究煤的自燃機(jī)理、從煤氧化反應(yīng)和表面反應(yīng)熱的角度研究煤自燃機(jī)理等幾個(gè)方面。

對(duì)煤氧化反應(yīng)和表面反應(yīng)熱煤自燃機(jī)理的研究，Ltay[1]研究了煤的氧化機(jī)理，指出煤的低溫氧化從外層開(kāi)始，遵從核反應(yīng)收縮模型，反應(yīng)速度是由空氣從氧化層的擴(kuò)散控制。Continillo[2]研究了化學(xué)吸附氧及化學(xué)反應(yīng)的速率，指出在不同的溫度區(qū)域，該速率遵從不同的變化規(guī)律。徐精彩[3]根據(jù)測(cè)定煤表面氧反應(yīng)熱研究煤的自燃機(jī)理，得出不同的煤其表面反應(yīng)熱不同，并與煤體溫度有關(guān)。何萍[4]通過(guò)對(duì)煤氧化過(guò)程中氧化的形成特征的研究，選擇出煤自燃指標(biāo)。

3 三下煤自然發(fā)火特點(diǎn)及規(guī)律研究

3.1 三下煤自然發(fā)火特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

3.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和原理。實(shí)驗(yàn)選取目前普遍采用的“XK-Ⅲ型”煤低溫自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置由三大部分組成，分別為爐體、通氣管路和控制檢測(cè)。

煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)通過(guò)模擬煤氧接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放熱引起煤溫升高而發(fā)火這一過(guò)程，主要考察在煤氧化放熱升溫過(guò)程中，相應(yīng)氣體的產(chǎn)生順序、變化規(guī)律、煤溫變化情況、氧氣消耗情況以及測(cè)算最短自然發(fā)火期等。該裝置能夠有效模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，采空區(qū)漏風(fēng)相當(dāng)于氧氣進(jìn)入發(fā)生煤氧接觸，實(shí)驗(yàn)起始溫度設(shè)定在井下溫度變化范圍之內(nèi)，選取在25℃左右。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果。采集北徐樓煤礦三下煤層塊狀煤樣，用塑料編織袋裝填煤樣約0.7t，破碎后裝入爐體。煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體產(chǎn)物及其濃度變化見(jiàn)表1。

由煤樣氧化升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：CO2出現(xiàn)的最早，其次是CH4，然后是CO，再次是C2H4；由于常溫下CO2就已經(jīng)存在，因此難以作為標(biāo)志性氣體，而CH4在礦井賦存中也已常態(tài)化，且CH4在開(kāi)始升溫階段呈現(xiàn)出不明顯的變化特征，因此把CO作為煤在氧化過(guò)程中的首選標(biāo)志性氣體；而C2H4的出現(xiàn)，表明煤已進(jìn)入了加速氧化階段，對(duì)應(yīng)煤溫度超過(guò)200℃。

3.1.3 煤層最短自然發(fā)火期[5]實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 三下煤自然發(fā)火情況統(tǒng)計(jì)研究

3.2.1 三下煤自然發(fā)火情況統(tǒng)計(jì)。北徐樓煤礦三下煤層自然發(fā)火情況，見(jiàn)表2。

3.2.2 自然發(fā)火統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)及規(guī)律。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及長(zhǎng)期跟蹤觀測(cè)可以看出，三下煤層自然發(fā)火特點(diǎn)及統(tǒng)計(jì)規(guī)律如下：①煤體自燃氧化過(guò)程中，通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，容易加快煤體氧化過(guò)程；②煤體自燃時(shí)，伴隨大量有毒有害的有機(jī)氣體產(chǎn)生；③綜放工作面在切眼、停采線處，采空區(qū)自燃火災(zāi)較多；④工作面采空區(qū)是煤自燃最主要的區(qū)域，但采空區(qū)自燃火災(zāi)不易滅火，且封閉一段時(shí)間后啟封易復(fù)燃。

參考文獻(xiàn)：

[1]Itay M.Hill C R.Glasser D. Study of the low temperature oxidation of coal.Fuel Processing Technology，1989，21（2）：81-97.

[2]Continillo G.Galiero G.Maffettone P L.etc.Characterization of chaotic in the spontaneous combustion of coal stockpiles.Symposium on combustion，1996.1585-1592.

[3]賀敦良，徐精彩.煤炭表面反應(yīng)熱與自燃性探討[J].煤礦安全，1990（6）：31-36.

[4]何萍，唐修義.煤氧化過(guò)程中氣體的形成特征與煤自燃指標(biāo)氣體選擇[J].煤炭學(xué)報(bào)，1994，19（6）：635-643.

[5]中國(guó)煤科總院重慶研究院.北徐樓煤礦三下煤最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)報(bào)告.