極易自燃煤層發(fā)火特性試驗研究

陳芳

摘要：煤炭開采過程中受煤層伴生CO氣體的影響，煤層極易自燃且存在煤層自然監(jiān)測和預(yù)報難度大的問題。本文采用試驗?zāi)M的研究方法對寧夏寧東礦區(qū)煤層發(fā)火特性進行研究，確定了氣體指標(biāo)的選擇、煤層自燃發(fā)火判定參數(shù)及其與煤溫的關(guān)系，找出了在礦井開采條件下靈敏度較高的指標(biāo)氣體及其對應(yīng)的特征溫度，明確了礦區(qū)煤自然氧化升溫過程中的自燃特性參數(shù)，這對建立和完善寧東礦區(qū)煤層自燃監(jiān)測預(yù)報及預(yù)報技術(shù)體系具有重要意義。

Abstract： Coal mining process is affected by the associated CO gas in the coal seam. The coal seam is easy to spontaneous combustion and the difficult problem for coal seam is natural monitoring and prediction. In this paper， the characteristics of the coal seam ignition in Ningdong mining area of Ningxia are studied by the method of experimental simulation. The selection of gas index， the determination parameters of spontaneous combustion and the relation with the coal temperature are determined， and the index gas with high sensitivity and its corresponding characteristic temperature under the condition of mine mining is found out. The spontaneous combustion characteristic parameters of coal spontaneous combustion in the east mining area of Ningxia are specified，which has a great significance to establish and improve the monitoring and forecasting technology system for spontaneous combustion of coal seam in Ningdong mining area.

關(guān)鍵詞：煤層；自燃；氣體指標(biāo)；發(fā)火特性

Key words： coal seam；spontaneous combustion；gas index；ignition characteristics

中圖分類號：TD752 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）29-0088-03

1 概述

煤自燃是在常溫常壓下，煤與空氣中的氧自發(fā)反應(yīng)升溫的過程。寧夏寧東礦區(qū)煤質(zhì)屬低硫、低灰、特低磷、較高發(fā)熱量、高化學(xué)反應(yīng)性，容易自然，煤層最短發(fā)火周期21天。綜采（放）工作面在正常回采過程中，采空區(qū)、上隅角、回風(fēng)流都會出現(xiàn)CO超限，其值在15～70ppm之間變化。由于技術(shù)裝備水平所限，對CO產(chǎn)生機理及自燃威脅程度掌握不清。本文試圖通過試驗研究的方法探索煤層自燃發(fā)火的規(guī)律及其重要影響參數(shù)，為自燃發(fā)火預(yù)測預(yù)報提供依據(jù)和技術(shù)支持，確保安全生產(chǎn)。

2 煤自燃特性試驗

2.1 試驗裝置

為了科學(xué)、合理、有效的模擬煤自燃的整個過程，本試驗采用XKIII型煤自燃發(fā)火模擬試驗平臺，操作過程中充分考慮了各個重要環(huán)節(jié)和影響因素。該實驗臺由爐體、氣路及控制檢測三部分組成。氣樣數(shù)據(jù)采集采用人工采集法。每天人工取樣進行色譜分析預(yù)報一次，分析參數(shù)為分析參數(shù)為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2。

2.2 試驗條件

試驗的煤樣粒度、質(zhì)量、頻度及其試驗條件如表1-表2所示。

2.3 試驗過程

試驗周期為16天，起始日期：2017年12月5日，結(jié)束日期：2017年12月20日。試驗爐內(nèi)溫度從31.2℃逐漸上升至169.9℃，溫度升幅達130℃，根據(jù)煤自燃發(fā)火情況，除去停電、降溫等因素影響，試驗結(jié)果表明試驗煤樣自然發(fā)火周期為實際實驗自燃發(fā)火期為16天。綜合分析煤層賦存地區(qū)地質(zhì)條件、圍巖溫度等因素，計算可知煤樣實驗自燃發(fā)火期為19天。

2.4 試驗結(jié)果分析

2.4.1 溫度數(shù)據(jù)分析

最高溫度點溫度與供風(fēng)時間的關(guān)系如圖1，中心軸各測點溫度分布與供風(fēng)時間關(guān)系見圖2。

從圖1-圖4分析可以得出以下結(jié)論：

①整個實驗過程中變化比較明顯的時間節(jié)點有三個，分別是第9天、第16天和第16.7天。持續(xù)供風(fēng)在9天以前，煤樣升溫較慢；9天之后煤樣溫度升溫開始變快，達到其臨界溫度（62.5℃）；在16天、16.7天時，分別出現(xiàn)兩次加速升溫過程，于此同時達到干裂溫度（121.1℃）和裂變溫度（150℃）。

②實驗前期爐內(nèi)中心軸這一核心區(qū)域溫度升的快，當(dāng)煤體溫度高于79.7℃時，伴隨著耗氧量增加，高溫點逐漸向供氧充分、空隙大的爐邊緣轉(zhuǎn)移。

③隨著煤體溫度的升高，在正常供風(fēng)條件下，煤體升溫逐漸加快。當(dāng)煤溫低于臨界溫度時，適當(dāng)增加供風(fēng)量，顯示煤體升溫速度下降。而當(dāng)煤溫超過121.2℃后，增加供風(fēng)量，高溫點溫度則會迅速上升。

井下工作面大量的實例表明，一旦采空區(qū)出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆時，增加工作面供風(fēng)量能夠使著火時間縮短，而減小風(fēng)量，自燃會受到抑制。

④當(dāng)煤體溫度過了121.2℃時，煤體升溫加快，平均升溫幅度超過16.8℃/天。當(dāng)煤溫過了169.9℃時，煤體升溫速度極速上升，在供風(fēng)充足的前提下，在24小時的時間內(nèi)煤體溫度就可以可超過燃點。

⑤實驗結(jié)果表明，高溫火區(qū)煤體窒息熄滅的氧濃度在2～3%以下。從實驗結(jié)果來看，煤溫超過110℃后，盡管爐內(nèi)下側(cè)的溫度較高，在氧濃度低于2%區(qū)域煤體溫度變化幅度不大，當(dāng)氧氣濃度位于4～5%這一區(qū)間時，煤溫出現(xiàn)上升趨勢。

2.4.2 氣體數(shù)據(jù)分析

自然升溫過程中，實驗爐頂層取氣點各種指標(biāo)氣體濃度及其對應(yīng)的爐內(nèi)最高的溫度見圖4，煤樣自然升溫過程中各種指標(biāo)氣體比值及其對應(yīng)的爐內(nèi)最高溫度見圖5。

①有機氣體出現(xiàn)溫度。

煤樣在升溫氧化過程中，C2H6和C2H4在升溫初始階段就氧化產(chǎn)生少量氣體，而當(dāng)煤溫達到50℃左右時，C2H6 和C2H4逐漸減少至消失，說明C2H6和C2H4脫附完成。

②一氧化碳濃度與溫度的關(guān)系。

在煤自燃的整個過程中，相對靈敏的一氧化碳作為一種指標(biāo)氣體，當(dāng)煤層自身溫度出現(xiàn)升高時，一氧化碳就會溢出，一氧化碳的溢出量伴隨著溫度呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律遞增。

③二氧化碳/一氧化碳。

CO2/CO數(shù)值在實驗初期就存在，并且其伴隨著溫度上升過程CO2/CO數(shù)值也逐漸增長，當(dāng)溫度在48.9℃時，CO2/CO值到峰值；伴隨溫度持續(xù)的增加，當(dāng)溫度在57.7℃時，CO2/CO值逐步降至最低點后進而出現(xiàn)升高的趨勢。

④鏈烷比。

鏈烷比作為研究指標(biāo)氣體濃度和溫度之間相互關(guān)系的參考標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)可以精準(zhǔn)的指導(dǎo)我們?nèi)ヅ袛鄬嶒灲Y(jié)果，從而避免一些其他因素的影響。在煤樣自然溫度升高的開始便出現(xiàn)C2H4氣體，其烷烯比（C2H4/C2H6）隨溫度的升高而逐漸上升。

3 試驗結(jié)論

綜合上述分析可以得出以下結(jié)論：

①寧夏鴛鴦湖礦區(qū)煤樣實際自燃發(fā)火期為16天，根據(jù)該礦區(qū)井下實際圍巖溫度為25℃計算該礦煤樣實驗自燃發(fā)火期為18天。

②實驗結(jié)果表明，隨著煤體溫度逐漸升高，煤體氧化放熱強度、一氧化碳產(chǎn)生率、耗氧速度和升溫速度呈現(xiàn)增加的趨勢。

③根據(jù)實驗中各類氣體指標(biāo)、對應(yīng)比值、溫度變化率與溫度的相互關(guān)系，可將鴛鴦湖礦區(qū)煤從常溫逐步升高至170℃的過程分成5個階段，以更好的指導(dǎo)對煤層自燃程度進行預(yù)報。

④氣體分析結(jié)果表明，氣體指標(biāo)可以有效的體現(xiàn)出該地區(qū)的煤體的溫度特征，以及煤分子在整個自然升溫過程中變化情況。

⑤煤自燃過程中，產(chǎn)生的熱量q0（t）位于qmax和qmin之間，說明在實驗過程中，符合最大最小放熱量關(guān)系。

4 防滅火建議

①正常生產(chǎn)情況下，利用束管監(jiān)測系統(tǒng)每班至少對采空區(qū)、上隅角、回風(fēng)流等各測點采集氣樣，進行色譜分析一次，異常情況下每班至少兩次，分析參數(shù)為O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2，分析結(jié)果每天必須送礦長、總工程師審閱，出現(xiàn)異常必須立即采取措施處理。

②工作面每班必須設(shè)專職瓦斯檢查員開展人工檢測預(yù)報工作，檢測參數(shù)為O2、CO、CO2、CH4和溫度。工作面上隅角必須設(shè)置CO監(jiān)測傳感器和O2報警儀。

③嚴(yán)格按工作面設(shè)計風(fēng)量配風(fēng)，防止風(fēng)量過大向采空區(qū)供氧。

④定期對采空區(qū)氣體檢測。采空區(qū)預(yù)埋檢測管采用￠50塑料管，內(nèi)置￠6束管，埋入采空區(qū)90m、60m、30m、10m，每班人工對預(yù)埋管內(nèi)氣體檢測一次，檢測內(nèi)容為CO、O2。各檢測管內(nèi)CO超過100ppm進行取樣分析。

⑤通風(fēng)隊要安排專人定期觀測地表塌陷和裂縫情況，對出現(xiàn)的裂縫要及時充填，杜絕地表裂隙造成采空區(qū)漏風(fēng)。

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