姚紀(jì)凱，王 凱，蔣上榮

(1.陜西有色榆林煤業(yè)有限公司杭來(lái)灣煤礦，陜西 榆林 719099；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引言

煤自燃因發(fā)火地點(diǎn)隱蔽、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、不易察覺(jué)等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅著礦井生產(chǎn)安全和礦工生命安全，是礦井火災(zāi)防治的重點(diǎn)。煤自然發(fā)火主要是由煤與氧反應(yīng)放出熱量多于散熱，從而引起熱量積聚發(fā)生自燃。煤自燃的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是預(yù)防災(zāi)害發(fā)生的有效手段，而煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的判定是現(xiàn)階段廣為采用的預(yù)測(cè)手段之一，該方法能夠?qū)Σ煽諈^(qū)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，根據(jù)區(qū)域范圍制定有效措施，為工作面的安全開(kāi)采提供理論依據(jù)。而煤自燃極限參數(shù)的確定是煤自燃危險(xiǎn)性判定及礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)和防治的理論依據(jù)和重要方法。

杭來(lái)灣煤礦地處陜北侏羅紀(jì)煤田榆神礦區(qū)，主采3#煤層厚度為4.85～11.9 m，采用大采高綜合機(jī)械化開(kāi)采方式，工作面采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)較大，故具有較高的煤自燃危險(xiǎn)性。為了得到該煤層自燃危險(xiǎn)區(qū)域的判定依據(jù)，采用大型煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究了3#煤層自然發(fā)火的過(guò)程，結(jié)合該礦實(shí)際開(kāi)采條件，模擬了現(xiàn)場(chǎng)散熱條件、漏風(fēng)狀況，借助煤氧化反應(yīng)放熱及保持良好的蓄熱環(huán)境使其自行升溫，定期檢測(cè)溫度、氣體成分、濃度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)杭來(lái)灣煤礦3#煤層的自燃傾向性及實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期，推算出實(shí)際開(kāi)采條件下的煤自燃極限參數(shù)，為指導(dǎo)該礦防滅火工作奠定了理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由爐體、供風(fēng)系統(tǒng)及控制檢測(cè)系統(tǒng)3部分組成。爐體總裝煤量為2～3 t，可以創(chuàng)造和井下環(huán)境類(lèi)似的蓄熱環(huán)境?？諌簷C(jī)將空氣從實(shí)驗(yàn)爐底部送入煤樣中，氣體產(chǎn)物從實(shí)驗(yàn)爐頂部排氣口排出。定期在爐體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)采樣，進(jìn)行氣相色譜分析。該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 杭來(lái)灣煤礦3#煤層煤樣實(shí)驗(yàn)條件

圖1 煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

2.1 自然發(fā)火期

在本實(shí)驗(yàn)條件下，煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)爐內(nèi)煤樣溫度從34.8 ℃升至170 ℃的過(guò)程共歷時(shí)41 d，而從170 ℃會(huì)短時(shí)間內(nèi)升到燃點(diǎn)。因此，礦井圍巖溫度按照25 ℃計(jì)算，杭來(lái)灣煤礦3#煤層煤樣實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為52 d。

2.2 耗氧速度

在本實(shí)驗(yàn)條件下，標(biāo)準(zhǔn)氧濃度下的耗氧速度為[3]，測(cè)算得耗氧速度與煤溫的關(guān)系曲線如圖2所示。

(1)

圖2 耗氧速度與煤溫的關(guān)系

從圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)前期，即煤溫在臨界溫度60～75 ℃之前，耗氧速度較低，煤氧復(fù)合反應(yīng)緩慢；當(dāng)煤溫在75～140 ℃范圍時(shí)，煤氧復(fù)合反應(yīng)開(kāi)始增快，耗氧速度開(kāi)始明顯增加，但增加幅度不大；在實(shí)驗(yàn)后期，即煤溫超過(guò)干裂溫度到140 ℃之后，煤氧復(fù)合反應(yīng)劇烈，耗氧速度呈指數(shù)形式迅速增加。說(shuō)明煤在超過(guò)干裂溫度后，煤與氧氣在持續(xù)反應(yīng)，且反應(yīng)劇烈。

2.3 放熱強(qiáng)度

煤自燃過(guò)程中的放熱強(qiáng)度與氧氣濃度成正比，則在標(biāo)準(zhǔn)氧濃度時(shí)的放熱強(qiáng)度為[3]：

q0(T)=q(T)·C0/C

(2)

式中：C—爐內(nèi)測(cè)點(diǎn)實(shí)際氧濃度，%；q0(T)—標(biāo)準(zhǔn)氧濃度時(shí)的氧化放熱強(qiáng)度。

圖3 放熱強(qiáng)度與煤溫的關(guān)系

由圖3可以看出，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合理論分析，與耗氧速率相互對(duì)應(yīng)并互相印證。在臨界溫度之前，煤體放熱量較低，放熱強(qiáng)度較小，說(shuō)明煤氧復(fù)合在該階段以化學(xué)吸附為主。隨煤溫不斷升高，尤其是煤溫超過(guò)140 ℃時(shí)，即超過(guò)干裂溫度后，煤氧化放熱強(qiáng)度呈指數(shù)形式迅速增加，說(shuō)明該階段主要是化學(xué)反應(yīng)，故放熱量較大。所以，煤樣臨界溫度和干裂溫度作為化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)階段劃分的重要的溫度節(jié)點(diǎn)，并作為指導(dǎo)礦井煤自燃防治的重要溫度指標(biāo)之一。

3 煤自燃極限參數(shù)

煤自燃發(fā)生主要由煤氧化復(fù)合反應(yīng)所放熱量與環(huán)境散失熱量的相對(duì)大小決定的，具體表現(xiàn)為浮煤厚度、氧濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度等參數(shù)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采實(shí)際條件，本文測(cè)算中取導(dǎo)熱系數(shù)為0.000 923 J/(cm·s·℃)，煤巖溫度為25 ℃，代入相關(guān)公式測(cè)算。

3.1 最小浮煤厚度

最小浮煤厚度即浮煤散失的熱量與產(chǎn)生的熱量達(dá)到平衡時(shí)的浮煤厚度。經(jīng)推算得其近似計(jì)算式為[3]：

(3)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上式，求得杭來(lái)灣煤礦的最小浮煤厚度hmin為0.418 m。

現(xiàn)如今，因現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采條件的復(fù)雜性，采空區(qū)浮煤厚度的直接測(cè)量比較困難。本文通過(guò)測(cè)試平均采高，并根據(jù)工作面長(zhǎng)度、推進(jìn)速度等參數(shù)間接推算出采空區(qū)中部的浮煤厚度估計(jì)值。

3#煤層平均采高4.5 m，回采率93%，采空區(qū)空隙率30%，則工作面采空區(qū)浮煤厚度可推算如下：

4.5×(1-93%)÷(1-30%)=0.45 m。

a-最小漏風(fēng)極限浮煤厚度；b-最大漏風(fēng)極限浮煤厚度圖4 0.45 m煤厚時(shí)最小及最大漏風(fēng)強(qiáng)度下的極限浮煤厚度

在此浮煤厚度下所測(cè)算出的最小和最大漏風(fēng)強(qiáng)度分別為0.087 cm3/(cm2·s)和4.227 cm3/(cm2·s)，在這兩種漏風(fēng)強(qiáng)度下不同溫度時(shí)的極限浮煤厚度如圖4所示。由圖可以看出，當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度最大時(shí)，不管處于哪個(gè)溫度下的最小浮煤厚度均遠(yuǎn)大于該礦采空區(qū)平均浮煤厚度0.45 m，即風(fēng)流帶走散失的熱量大于自身氧化放出的熱量，不能發(fā)生自燃。當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度最小時(shí)，煤溫處于40～70 ℃時(shí)，同上述情況一樣；而其他溫度下，該礦采空區(qū)平均浮煤厚度大于最小浮煤厚度，即該條件下散失的熱量將小于產(chǎn)生的熱量，形成熱量積聚，故有煤自燃危險(xiǎn)性。

3.2 下限氧濃度

下限氧濃度即保證煤體氧化放熱量與散熱量相同時(shí)所需的最低氧氣量，推得其近似計(jì)算式為[3]

Cmin=

(4)

圖5 0.45 m煤厚時(shí)不同溫度下的下限氧濃度

由圖5可以看出，在30～50 ℃范圍內(nèi)，下限氧濃度隨溫度增高而增大，在50 ℃時(shí)達(dá)到峰值，表明若保證采空區(qū)氧濃度低于該值，則不會(huì)有自燃危險(xiǎn)。經(jīng)測(cè)算，該礦最小浮煤厚度0.418 m時(shí)下限氧濃度的峰值為21.04%，已超過(guò)新鮮風(fēng)流中的氧氣濃度的最大值，因此浮煤不會(huì)發(fā)生氧化自燃。該礦采空區(qū)平均浮煤厚度為0.45 m，>0.418 m，故有煤自燃危險(xiǎn)性。

50 ℃之后下限氧濃度隨著溫度的增加而呈遞減，表明浮煤厚度越厚，煤體蓄熱條件越好，熱量損失越少，維持煤氧化升溫所需的氧氣量就越少。

3.3 上限漏風(fēng)強(qiáng)度

上限漏風(fēng)強(qiáng)度即風(fēng)流帶走的熱量與煤氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生的熱量達(dá)到平衡時(shí)的漏風(fēng)極限值。推得其近似計(jì)算式為[3]：

(5)

圖6 0.45 m煤厚時(shí)不同溫度上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨溫度變化圖

從圖6可以看出，在該礦采空區(qū)浮煤厚度為0.45 m的情況下，上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨煤溫呈指數(shù)形式迅速增大。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件下，當(dāng)浮煤厚度一定時(shí)，煤溫越高，對(duì)應(yīng)的散熱條件也要越好，加大漏風(fēng)強(qiáng)度，可以帶走大量熱量，防止熱量積聚，降低煤自燃危險(xiǎn)性。

4 結(jié)論

(1)杭來(lái)灣煤礦3#煤層煤樣的實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為52 d。

(2)3#煤層耗氧速率和放熱強(qiáng)度氧化過(guò)程中總體呈指數(shù)變化規(guī)律，臨界溫度之前增速緩慢，干裂溫度之后劇烈增加。

(3)杭來(lái)灣煤礦3#煤層煤樣發(fā)生自燃的最小浮煤厚度為0.418 m，即當(dāng)浮煤厚度小于0.418 m時(shí)，煤體無(wú)法積聚熱量引發(fā)自燃。

(4)在杭來(lái)灣煤礦采空區(qū)浮煤厚度為0.45 m的實(shí)際條件下，應(yīng)采取措施將采空區(qū)氧濃度降到18%以下，以防止采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃。