崔家寨礦6號煤層井田兩翼煤炭燃燒特性的試驗研究

王玉懷，任建軍，索 航，余 博

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.河北省礦井災(zāi)害防治重點實驗室，北京東燕郊 101601)

0 引言

礦井火災(zāi)是煤礦的重大災(zāi)害之一，礦井火災(zāi)不僅使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時它也是導(dǎo)致礦工傷亡的主要因素［1］［2］［3］。煤炭自然發(fā)火是煤礦火災(zāi)的主要致因之一。據(jù)統(tǒng)計，我國國有重點煤礦中具有自然發(fā)火傾向的礦井約占51.3%，在國有重點煤礦中，每年因煤炭自燃形成的火災(zāi)約360次，煤炭氧化自熱形成的火災(zāi)隱患約4000次［4］。煤炭自燃過程中會產(chǎn)生 CO、CO2、煙塵等，這是造成火災(zāi)時期人員傷亡的主要原因。據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計，在礦井火災(zāi)事故中的遇難者95%以上死于煙霧中毒［5］。

崔家寨礦煤種以褐煤、長焰煤為主，各煤層均有自然發(fā)火危險，曾出現(xiàn)多次煤層自然發(fā)火事故或隱患。為了解該礦煤炭自燃過程中有害氣體及煙霧的釋放規(guī)律，指導(dǎo)礦井預(yù)防和治理井下火災(zāi)，采用錐形量熱儀對崔家寨礦6號煤層煤樣的燃燒特性進行了試驗研究。

1 實驗儀器工作原理

本次試驗采用英國燃燒測試技術(shù)公司(FTT)公司的錐形量熱儀(CONE)進行煤樣的測試工作，測試儀器主要由燃燒室、載重臺、氧分析儀、煙測量系統(tǒng)、通風(fēng)裝置及有關(guān)輔助設(shè)備等六部分組成。1993年國際標準化組織正式出版了利用錐形量熱儀來測試材料火災(zāi)特性的標準——ISO5660［6］。目前，經(jīng)不斷研制和改進，錐形量熱儀現(xiàn)在已成為研究火災(zāi)和評定材料燃燒性能的理想試驗儀器。

CONE是一種根據(jù)氧耗原理設(shè)計的測定材料燃燒放熱的儀器。所謂氧耗原理是指物質(zhì)完全燃燒時每消耗單位質(zhì)量的氧會產(chǎn)生基本上相同的熱量，即氧耗燃燒熱(E)基本相同［7］。1980年Huggett應(yīng)用氧耗原理對常用易燃聚合物及天然材料進行了系統(tǒng)計算，得到了氧耗燃燒熱(E)的平均值為13.1kJ/g，材料間的E值偏差為5%。所以，在實際測試中，測定出燃燒體系中氧氣的變化，就可換算出材料的燃燒放熱。

2 實驗結(jié)果及其分析

2.1 試驗測試結(jié)果

測試的煤樣取自崔家寨礦6煤層，為了便于對比和分析，井田東翼11606工作面和西翼西翼11605工作面各取兩個煤樣。實驗遵守的標準是ISO5660，采用水平實驗法，測試時輻射能量取為50 kW/m2，標定常數(shù) c 取 0.039694［8］。

試驗過程中分別測試了4個煤樣燃燒過程中釋放的CO、熱釋放速率、總釋放熱、煙生成速率及總生煙量等參數(shù)，各參數(shù)的數(shù)據(jù)如圖1～6所示。

2.2 試驗結(jié)果分析

通過以上的數(shù)據(jù)分析，可以出如下結(jié)論:

2.2.1 煤樣點燃時間(Tign)

煤樣的點燃時間反映煤樣被點燃的容易程度，點燃時間越短，說明煤樣越容易燃燒。四種煤樣的點燃和熄滅時間見表。井田西翼的兩個煤樣的點燃時間遠小于東翼煤樣的點燃時間，而4個煤樣中3個煤樣的熄滅時間相差不明顯。因此，同樣條件下，崔家寨礦6號煤層井田西翼11606工作面區(qū)域發(fā)火可能性高于東翼11605工作面區(qū)域。

表1 各煤樣的點燃與熄滅時間

2.2.2 CO濃度及產(chǎn)生量

CO是煤炭自燃過程中釋放出的主要有害氣體之一，研究煤樣燃燒過程中CO的釋放規(guī)律對預(yù)防和處理井下煤炭自燃具有非常重要的意義。4個煤樣燃燒過程中CO釋放情況見圖1，實驗結(jié)果表明，東翼11606工作面煤樣的平均產(chǎn)生CO量超過西翼，幾乎達到西翼11605工作面的2倍。因此，東翼11606工作面附近區(qū)域的火災(zāi)CO的危險性最大。

圖1 煤樣燃燒過程中的CO釋放情況

表2 各煤樣燃燒過程中的的CO產(chǎn)生量

2.2.3 熱釋放速率(HRR)和總釋放熱(THR)

熱釋放速率(HRR)是表征火災(zāi)強度的最重要參數(shù)之一，其峰值(PHHR)表征了材料燃燒時的最大熱釋放程度?？傖尫艧崾遣牧蠌狞c燃到火焰熄滅所釋放的熱量總和。煤樣的熱釋放速率和總釋放熱方面:西翼煤樣的熱釋放速率和總釋放熱要遠高于東翼兩個煤樣的總釋放熱。因此，西翼11605工作面附近一旦發(fā)生火災(zāi)后，將產(chǎn)生大量的熱量。

圖2 煤樣燃燒過程中熱釋放速率變化情況

圖3煤樣燃燒過程中總釋放熱變化情況

表3 各煤樣燃燒過程中的熱釋放速率(HRR)

2.2.4 煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)

煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)是表示材料燃燒時產(chǎn)生煙霧能力程度的參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)表明，西翼11605工作面第一個點煤樣總生煙量最高，遠遠超過其他煤樣;從發(fā)生火災(zāi)時煙霧速率和總量上考慮，西翼11605工作面附近區(qū)域發(fā)生火災(zāi)后的危害最大。東翼11606工作面第一個點的煤樣的總生煙量比較高。剩余兩個煤樣在煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)上差別不大。

圖4 煤樣燃燒過程中煙生成速率變化情況

圖5 煤樣燃燒過程中總生煙量變化情況

2.2.5 比消光面積(SEA)

圖6 煤樣燃燒過程中比消光面積變化情況

比消光面積越大，對救災(zāi)和人員疏散越不利。實驗數(shù)據(jù)表明，井田西翼煤樣的第一個煤樣的SEA的平均值遠遠大于其他煤樣，第二個煤樣的SEA也超過了東翼的兩個煤樣。因此，西翼一旦發(fā)生火災(zāi)，救災(zāi)難度將超過東翼。

表4 各煤樣燃燒過程中產(chǎn)生的比消光面積

4 結(jié)論

1)井田西翼的兩個煤樣的點燃時間遠小于東翼煤樣的點燃時間。

2)東翼工作面煤樣燃燒產(chǎn)生的CO超過西翼工作面煤樣。

3)西翼煤樣燃燒后產(chǎn)生的熱量超過東翼工作面煤樣。

4)在煙釋放速率和總生煙量方面，井田兩翼煤樣出現(xiàn)了一定的差異。在這兩個參數(shù)上，西翼11605工作面第一個點煤樣最高，東翼11606工作面第一個點的煤樣次之。其余兩個煤樣差別不大。

5)西翼煤樣燃燒后的比消光面積超過東翼工作面煤樣，其中西翼一個煤樣比消光面積的平均值是東翼煤樣的5.5～6.8倍。

［1］ 鮮學(xué)福，王宏圖，姜德義，劉保縣.我國煤礦礦井防滅火技術(shù)研究綜述［J］.中國工程科學(xué)，2001，3(12):28－32.

［2］ 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［3］ 周福寶，白蘭永，楊綠剛.巷道噴涂防治煤炭自燃新技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

［4］ 王剛，程衛(wèi)民.礦井火災(zāi)防治實用措施［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2013.

［5］ Jukka Hietaniemi，Raija Kallonen，Esko Mikkola.Burning characteristics of selected substances:production of heat，smoke and chemical species［J］.Fire and Materials，1999，23(4):171－185.

［6］ Babrauskas V，Grayson S J.Heat release in fires［M］.London:Chapman ＆ Hall，1995.

［7］ 王慶國，張軍.錐形量熱儀的工作原理及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003，(6):36 －39.

［8］ 王玉懷，馬尚權(quán)，潘德祥.煤礦井下可燃材料燃燒特性的試驗研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2006，3(1):1－4.