東古城煤礦最短自然發(fā)火期及采空區(qū)“三帶”劃分的研究

武澤偉,吳 康,李 洋,梁 然,左學(xué)海

(山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院,山西 大同 037000)

1 工作面概況

左云東古城煤礦Z109綜采工作面位置于22號(hào)煤層中,煤層厚,賦存穩(wěn)定。22號(hào)煤層的平均厚度為17.27 m,含3～9層夾矸,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。其中回采面的最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.79 m3/min,掘進(jìn)面的最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.11 m3/min,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為1.04 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為0.6 m3/t,22號(hào)煤層的揮發(fā)性為39.26%,火焰長(zhǎng)度大于400 mm,煤層具有煤塵爆炸性,煤的吸氧量為0.68 cm3/g,自燃傾向等級(jí)為Ⅱ類(lèi),為自燃傾向類(lèi)煤層。

2 煤層最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)

2.1 煤的自燃傾向性實(shí)驗(yàn)

此次開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)采用的是東古城煤礦22號(hào)煤層Z109綜采工作面的煤樣。通過(guò)煤的工業(yè)性分析得出鑒定結(jié)果見(jiàn)表1.最終結(jié)果顯示,Z109綜采工作面自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi),自燃傾向?yàn)橐鬃匀肌?/p>

表1 煤樣的工業(yè)性分析結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體體積分?jǐn)?shù)

2.2 煤樣的氧化升溫實(shí)驗(yàn)

本次氧化升溫實(shí)驗(yàn)采用的煤樣是山西焦煤東古城煤礦22號(hào)煤層Z109綜采工作面,實(shí)驗(yàn)的儀器主要有程序升溫爐,氣路系統(tǒng),絕熱罐,溫控裝置和氣相色譜儀等部分組成。實(shí)驗(yàn)的原理為模擬煤的自燃氧化過(guò)程,以礦井初始溫度為15～30 ℃加入空氣,在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)生成一氧化碳、二氧化碳、甲烷等產(chǎn)物,對(duì)它們的體積分?jǐn)?shù)和變化規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析,得出煤的臨界和干裂溫度進(jìn)而得出煤的標(biāo)志性氣體測(cè)試出煤的自然發(fā)火期[6]。實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 絕熱氧化反應(yīng)裝置

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先將煤樣表面上的氧化層打磨干凈,然后碎成小煤塊,在利用碎煤機(jī)對(duì)它進(jìn)行碎煤,篩選出大小粒徑為80～120目的煤樣[7]。取50 g放入程序升溫爐內(nèi)進(jìn)行加熱,設(shè)定氣體流量為100 mL/min,下表為煤樣氧化升溫過(guò)程中各氣體濃度的變化,臨界溫度為171 ℃.

2.3 煤的熱分析實(shí)驗(yàn)

在煤樣的比熱測(cè)定中,根據(jù)對(duì)不同溫度的條件下煤樣的比熱進(jìn)行DSC實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試得出實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 不同溫度條件下的煤樣比熱容

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.4.1 指標(biāo)氣體

所謂指標(biāo)氣體就是指在煤的低溫氧化過(guò)程中生成的能夠預(yù)報(bào)煤能否發(fā)生自燃的氣體[8]。煤在熱解時(shí)會(huì)產(chǎn)生多種氣體,一些氣體產(chǎn)生的最低溫度,生成量和煤溫和煤質(zhì)有著密切的關(guān)系。圖2和圖3分別是CO、CO2以及烴類(lèi)氣體變化趨勢(shì)圖。

PPP投資型項(xiàng)目是指社會(huì)資本與政府相互合作進(jìn)行項(xiàng)目建設(shè)的模式。通過(guò)該模式的應(yīng)用，能有效緩解政府巨大的財(cái)政壓力，有利于加快基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程，降低項(xiàng)目建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，減少社會(huì)閑散資本，實(shí)現(xiàn)對(duì)資金科學(xué)合理利用[1]。同時(shí)，為促進(jìn)該模式有效發(fā)揮作用，加強(qiáng)PPP投資型項(xiàng)目管理是必要的，它具有重要作用。

圖2 CO、CO2變化趨勢(shì)

圖3 烴類(lèi)氣體變化趨勢(shì)

由表2和圖2、圖3可以看出:煤的升溫氧化氣體產(chǎn)物的生成規(guī)律,CO在溫度為50 ℃的時(shí)候出現(xiàn),其在溫度低時(shí)生成量較小,在100 ℃以后CO的溫升率急速增加,表明煤在這個(gè)時(shí)候已經(jīng)迅速氧化,CO在這個(gè)過(guò)程中出現(xiàn)最早,體積分?jǐn)?shù)變化率大,與溫度的關(guān)系比較明顯,故選CO成為早期煤炭自然發(fā)火的預(yù)報(bào)預(yù)警氣體。C2H4、C2H6、C3H8的體積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而逐漸增大,C2H6在87 ℃開(kāi)始出現(xiàn),C2H4、C3H8的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的溫度已經(jīng)超過(guò)100 ℃,說(shuō)明煤與氧氣發(fā)生自燃已進(jìn)入到了加速階段。C2H2的生成在225 ℃,此時(shí)煤炭已經(jīng)入激烈的氧化階段。

2.4.2 煤層最短自然發(fā)火期結(jié)果

在絕熱情況下,煤氧化過(guò)程釋放的熱量用于水分的蒸發(fā),煤樣的加熱,使煤從常溫變?yōu)榻徊鏈囟鹊姆Q(chēng)為最短自然發(fā)火期,計(jì)算最短自然發(fā)火期的模型見(jiàn)公式(1):

(1)

其中煤樣在不同溫度下的瓦斯吸附量按照公式(2)計(jì)算:

(2)

在不同的溫度下,煤樣的放熱速率也是不同的,放熱速率的公式見(jiàn)式(3):

(3)

根據(jù)上述的計(jì)算模型,將溫度節(jié)點(diǎn)的各個(gè)參數(shù)代入上述分段計(jì)算,得出由初始溫度到臨界溫度每個(gè)階段所需要的時(shí)間,再將其求和,最終得出煤的最短自然發(fā)火期[9]。解算得到的自然發(fā)火期如表4所示,由于在井下生產(chǎn)過(guò)程中影響煤自燃的因素是非常多的,例如煤的濕潤(rùn)度、通風(fēng)方式以及煤的堆積狀態(tài)等,為了貼近煤礦的實(shí)際情況,在本次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上加入修正系數(shù),經(jīng)過(guò)修正系數(shù)的加入得出一個(gè)比較合理的,符合實(shí)際情況的天數(shù)。例如,山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云東古城煤業(yè)有限公司22號(hào)煤層修正系數(shù)為1.2,最終得到,22號(hào)煤層最短自然發(fā)火期=(11.12+20.18+11.01+12.29+4.92+3.43+2.21+1.21+0.4+0.19)×1.2≈80 d.

表4 實(shí)驗(yàn)煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算

3 東古城煤礦采空區(qū)“三帶”劃分研究

3.1 自燃“三帶”劃分指標(biāo)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法主要有三種,指標(biāo)氣體分析法、測(cè)溫法、示蹤氣體法。最有效的方法是利用采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)的劃分方法,因此使用氧氣體積分?jǐn)?shù)為主,其他手段為輔[10]。采空區(qū)劃分“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5.

表5 采空區(qū)“三帶”劃分指標(biāo)氣體分析標(biāo)準(zhǔn)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方案

在Z109工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷布設(shè)4根束管和2趟熱電偶,測(cè)點(diǎn)編號(hào)依次為1'、2'、3'、4',如圖4所示。Z109工作面布置圖,由于采空區(qū)冒落的煤巖會(huì)壓壞束管和熱電偶,故將它們放入無(wú)縫保護(hù)鋼管中進(jìn)行保護(hù),兩側(cè)的束管末端相互間隔為20 m.隨著工作面的推進(jìn),測(cè)試出采集氣體成分,根據(jù)Z109工作面的推進(jìn)情況,每間隔1～2 d采集一次氣體,記錄成分,主要測(cè)試氧氣和一氧化碳的體積分?jǐn)?shù),并且記錄上束管測(cè)點(diǎn)和工作面的位置、日推近距離。在這些測(cè)點(diǎn)中,當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于10%時(shí)就可以停止該點(diǎn)的測(cè)試工作,測(cè)試時(shí)間近2個(gè)月。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意

3.3 測(cè)定結(jié)果記錄與分析

因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況復(fù)雜的原因,在這次的測(cè)試中,2號(hào)和4號(hào)測(cè)試點(diǎn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)基本保持不變,導(dǎo)致這樣結(jié)果的原因可能是束管有斷裂情況的發(fā)生[11]。2號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)的一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)幾乎為0,因此不再做出記錄,1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表6.根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù),繪制出1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣的體積分?jǐn)?shù)與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系見(jiàn)圖5.

圖5 氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)圖

表6 Z109工作面1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)

表7 采空區(qū)“三帶”劃分測(cè)定

由圖5分析可得,氧氣體積分?jǐn)?shù)大致的趨勢(shì)為逐漸遞減,一開(kāi)始1號(hào)測(cè)點(diǎn)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)在20.55%～21.78%,結(jié)束測(cè)量之后每個(gè)測(cè)點(diǎn)幾乎都在采空區(qū)的深部,氧氣體積分?jǐn)?shù)保持在5%.其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)在距離工作面31 m時(shí),氧氣的體積分?jǐn)?shù)下降到了17.32%,在距離工作面74.5 m時(shí),氧氣的體積分?jǐn)?shù)下降到7.63%;3號(hào)測(cè)點(diǎn)在距離工作面35.9 m時(shí),氧氣的體積分?jǐn)?shù)為17.65%,在距離工作面69 m時(shí),氧氣的體積分?jǐn)?shù)下降到9.52%,從圖5中看出,3號(hào)測(cè)點(diǎn)的斜率更大,表明該測(cè)點(diǎn)的氧氣體積分?jǐn)?shù)下降更快。

3.4 采空區(qū)“三帶”劃分

分析對(duì)比各測(cè)點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù),考慮各種礦井的影響因素,利用氧氣體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)法結(jié)合表5劃分采空區(qū)“三帶”范圍,因此最終得到進(jìn)風(fēng)巷側(cè)的散熱帶寬度為31 m,自燃帶寬度為43.5 m,窒息帶大于74.5 m;回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶寬度為35.9 m,自燃帶寬度為33.1 m,窒息帶大于69 m.綜上,散熱帶范圍為31～35.9 m,自燃帶范圍為33.1～43.5 m,窒息帶范圍為69～74.5 m,存在著進(jìn)風(fēng)巷的一側(cè)自燃帶寬度大于回風(fēng)巷情況[12-13]。

3.5 最小安全推進(jìn)速度

綜上分析可得,Z109工作面氧化升溫帶的最大寬度為43.5 m,最短自然發(fā)火期為80 d,因此根據(jù)式(4)計(jì)算出工作面的最小安全推進(jìn)速度。

Vmin=Lmax/τ

(4)

式中,Vmin為最小安全推進(jìn)距離,m/d;Lmax為工作面氧化升溫帶的最大寬度,m;τ為最短自然發(fā)火期,d.

將所得的數(shù)據(jù)代入上述公式中,計(jì)算得最小安全推進(jìn)速度,這說(shuō)明如果工作面日推進(jìn)量大于0.54 m時(shí),采空區(qū)發(fā)生自燃發(fā)火的危險(xiǎn)性很小;如果工作面在80 d的平均推進(jìn)量小于0.54 m,采空區(qū)將會(huì)有遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

在東古城煤礦Z109工作面1號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量中,有效數(shù)據(jù)天數(shù)為15 d,工作面累計(jì)推進(jìn)距離74.5 m,則工作面正常日平均推進(jìn)速度為大于最小安全推進(jìn)速度,故在正常情況下,采空區(qū)是不會(huì)發(fā)生遺煤自燃的情況。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)煤樣的氧化升溫實(shí)驗(yàn),可以得出東古城煤礦Z109工作面的主要指標(biāo)氣體為CO,輔助指標(biāo)氣體為C2H4,C2H6,當(dāng)出現(xiàn)它們時(shí),說(shuō)明以達(dá)到高溫狀態(tài)。

2) 基于計(jì)算數(shù)學(xué)模型得出最短自然發(fā)火期為80 d,但在實(shí)際的礦井中自然發(fā)火期還受開(kāi)采方法等各種因素的影響,所以還要結(jié)合實(shí)際情況考慮。

3) 對(duì)Z109綜采工作面進(jìn)行氧氣體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定,并且進(jìn)行采空區(qū)“三帶”范圍劃分,散熱帶范圍為31～35.9 m, 氧化自燃帶范圍為33.1～43.5 m,窒息帶范圍為69～74.5 m.

4) 根據(jù)劃分出的Z109工作面采空區(qū)“三帶”范圍,計(jì)算出最小日推進(jìn)安全速度為0.54 m/d,與實(shí)際日推進(jìn)速度作對(duì)比,得出采空區(qū)不會(huì)發(fā)生遺煤自燃。