李國(guó)芳 牛紅杰 王冬冬
(山東新巨龍能源有限責(zé)任公司,山東 菏澤 274918)
煤自燃火災(zāi)一直是困擾我國(guó)煤炭開(kāi)采的主要災(zāi)害之一[1]。它不僅會(huì)燒毀和凍結(jié)資源,甚至導(dǎo)致次生災(zāi)害造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)和人員傷亡[2,3]。在我國(guó)的煤炭資源開(kāi)發(fā)以及利用的整個(gè)過(guò)程中,開(kāi)采深度超過(guò)800m已有200多處,超過(guò)1000m已有47處,僅山東省就占21處[4]。深井開(kāi)采由于地溫高,煤自燃起始溫度高,發(fā)火期短。圍巖溫度升高改變了煤體蓄熱條件,煤氧化放熱性增強(qiáng),其中向采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象的加重,是由于煤體、工作面風(fēng)流這兩者產(chǎn)生的熱風(fēng)壓引起,由此帶來(lái)了較大的危險(xiǎn)性[5]。本文以山東省巨野礦區(qū)3煤層煤樣為研究對(duì)象,采用大型煤自然發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試煤從30℃自燃氧化升溫到170℃過(guò)程,測(cè)定煤自燃過(guò)程以及指標(biāo)氣體變化規(guī)律。通過(guò)計(jì)算得到高地溫環(huán)境中煤自燃特性和自燃極限參數(shù),為采空區(qū)自然發(fā)火防治提供了指導(dǎo)依據(jù)。
采用新型煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置研究高地溫礦井煤樣自燃過(guò)程特征及指標(biāo)性氣體變化規(guī)律。試驗(yàn)裝置如圖1所示。
試驗(yàn)使用的煤樣為塊煤,2t,使用破碎機(jī)破碎后裝入試驗(yàn)裝置,煤樣工業(yè)分析如表1所示。煤自然發(fā)火期為煤樣從原始地溫升高至發(fā)火溫度所需實(shí)際時(shí)間。試驗(yàn)中,爐內(nèi)煤體最高溫度從試驗(yàn)開(kāi)始29.7℃升至167.9℃,歷時(shí)69d,除去因停電、降溫、維護(hù)等客觀因素而造成煤自然發(fā)火試驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng),按原始地溫為37.82℃計(jì)算,得出煤樣自然發(fā)火期為46d。
圖1 煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置
表1 煤樣工業(yè)分析及真密度
煤樣在自然發(fā)火試驗(yàn)過(guò)程中煤樣溫度與時(shí)間之間的關(guān)系如圖2所示。
圖2 煤樣溫度與時(shí)間之間的關(guān)系
由此可以得到,在初期階段,煤樣氧化具有相對(duì)較慢的增速,當(dāng)達(dá)到42d以上的通風(fēng)時(shí)間,氧化升溫速率開(kāi)始明顯加快,對(duì)應(yīng)臨界溫度50℃~65℃。試驗(yàn)進(jìn)行48d之后,煤樣氧化升溫速率加快,對(duì)應(yīng)為干裂溫度105℃~115℃。進(jìn)行到50.6d時(shí),煤氧化溫度對(duì)應(yīng)為活性溫度℃140~150℃。當(dāng)煤體溫度超過(guò)170℃之后,升溫速率急劇升高,在保持較好的通風(fēng)供氧條件下,煤氧化溫度急劇升高,一天左右即可超過(guò)350℃,超過(guò)燃點(diǎn)。
表2 不同地溫時(shí)煤自然發(fā)火期
煤樣自然發(fā)火期受到地溫的影響,由表2可得,通過(guò)試驗(yàn)得到在采空區(qū)環(huán)境的溫度為20℃時(shí),煤樣發(fā)生自燃的最短自然發(fā)火期為59d,隨著地溫的升高,逐漸減小。當(dāng)?shù)販厣叩?2℃時(shí),煤樣試驗(yàn)最短自然發(fā)火期減少為34d。地溫升高22℃,試驗(yàn)最短自然發(fā)火期減少了25d。因此,高地溫礦井煤自然發(fā)火期會(huì)顯著地縮短,增加了煤出現(xiàn)自燃火災(zāi)的危險(xiǎn)程度。
隨著煤溫升高以及氧化程度增加,反應(yīng)產(chǎn)生氣種類和產(chǎn)生量會(huì)出現(xiàn)顯著變化。因此,確定合適煤自燃特征參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)煤自燃程度、對(duì)煤自燃預(yù)警與防治意義重大。針對(duì)新巨龍公司煤樣選取CO、C2H6、C2H4等分析,進(jìn)一步確定合適的煤自燃預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體。
CO濃度在低溫階段(20℃~80℃)隨煤氧化溫度升高變化規(guī)律如圖3,煤自燃全過(guò)程中產(chǎn)生氣體濃度和供風(fēng)量與溫度關(guān)系如圖4,C2H4和C2H6產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系如圖5。
圖3可以得出,在低溫階段,CO氣體濃度隨溫度的增加而不斷增加。隨著煤溫升高,CO氣體逐漸增加,超過(guò)煤自燃臨界溫度之后,CO氣體產(chǎn)量增長(zhǎng)速度明顯加快。溫度超過(guò)110℃以后,CO增長(zhǎng)率突然降低,增大供風(fēng)量稀釋了CO氣體。由圖4可以看出,在煤的氧化過(guò)程低溫階段,CO2氣體產(chǎn)生量較大,隨著煤的氧化溫度的升高呈先下降后升高的趨勢(shì),在煤的氧化溫度為56.5℃時(shí)達(dá)到最小值。說(shuō)明煤在低溫階段氧化過(guò)程中產(chǎn)生的CO2主要是煤中原有的CO2脫附。
由圖5可知,煤樣在試驗(yàn)的初始階段未產(chǎn)生C2H4,C2H4在煤樣溫度超過(guò)80℃后產(chǎn)生,據(jù)此可判斷C2H4是煤裂解產(chǎn)生的氣體。在試驗(yàn)的初始階段就出現(xiàn)了C2H6,可判斷為煤解吸脫附產(chǎn)生的,在超過(guò)裂解溫度后,裂解產(chǎn)生的C2H6大幅增加。
圖3 低溫階段(20℃~80℃)CO的濃度
圖4 氣體濃度和供風(fēng)量與溫度的關(guān)系
圖5 C2H4和C2H6產(chǎn)生量與溫度的關(guān)系
(1)CO2/CO
CO2和CO氣體的比值可以用來(lái)排除風(fēng)流變化對(duì)煤自燃產(chǎn)生氣體的影響,能夠更準(zhǔn)確地反應(yīng)煤自燃的程度。在50℃之前,CO2與CO的比值隨煤溫升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),在煤溫達(dá)到50℃左右時(shí)比值最大,隨后呈下降趨勢(shì),煤氧化溫度超過(guò)100℃之后CO2/CO的比值趨于穩(wěn)定。
烯烷比是判定煤自燃程度的重要依據(jù)之一,其比值與溫度的關(guān)系如圖7。單一指標(biāo)氣體受井下環(huán)境因素影響不能準(zhǔn)確判斷井下自然發(fā)火情況,烯烷比配合其他指標(biāo)氣體能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤自燃發(fā)展程度。烯烷比隨煤的氧化溫度升高總體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),烯烷比在120℃左右達(dá)到最大值。
圖6 CO2/CO比值與溫度之間的關(guān)系
圖7 C2H4/C2H6比值與溫度的關(guān)系
煤自燃極限參數(shù)主要指的是使其實(shí)現(xiàn)自燃的外界極限條件,具體分為極限氧濃度、下限漏風(fēng)強(qiáng)度以及最小浮煤厚度。松散煤體自燃發(fā)生的可能有:氧濃度的下限值同環(huán)境相比較較大,同上限漏風(fēng)強(qiáng)度相比較小以及最小煤體厚度小于松散煤體厚度[5]。
式中:
Cmin-松散煤體的下限氧濃度,%;
C1-空氣中的氧濃度,%;
Qmax-松散煤體的上限漏風(fēng)強(qiáng)度,cm/s;
λe- 松散煤體的等效導(dǎo)熱系數(shù),J/(cm·s·K);
hmin-松散煤體的最小浮煤厚度,cm;
q-煤體溫度為T時(shí)的放熱強(qiáng)度,J/(cm3·s);
T-煤體溫度,℃;
Ty-煤體圍巖體溫度,℃;
Tg-風(fēng)流溫度,℃;
h-松散煤體的煤厚,cm;
Q-漏風(fēng)強(qiáng)度,cm/s;
Cg- 空氣比熱容,J/(kg·K);
ρg-空氣的密度,kg/m3。
根據(jù)公式(1)到(3)計(jì)算得出,同條件下煤樣的自燃極限參數(shù)呈如下變化規(guī)律:
(1)煤樣的極限參數(shù)中最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著煤樣溫度的升高,數(shù)值體現(xiàn)為先上升后下降的變化趨勢(shì),在達(dá)到最大值后迅速減少。
(2)上限漏風(fēng)強(qiáng)度同煤溫之間具有一定關(guān)系,溫度的不斷升高,會(huì)使上限漏風(fēng)強(qiáng)度先下降后上升;當(dāng)煤的氧化溫度高于100℃以后,上限漏風(fēng)強(qiáng)度迅速上升。煤自燃極限參數(shù)在50℃~60℃達(dá)到極值。
(3)煤樣的臨界溫度與煤自燃極值點(diǎn)溫度基本上相似。根本的原因就是煤溫升高的過(guò)程中,同環(huán)境溫度的差值就會(huì)增大,因此需要大量的散熱;處于臨界點(diǎn)之前的氧化放熱具有相對(duì)較小的增加幅度,對(duì)氧化放熱量、散熱量的增長(zhǎng)率兩者相比較,前者相對(duì)較小,達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí),氧化速率就會(huì)出現(xiàn)明顯的增加,同時(shí)帶來(lái)其放熱量的上升,帶來(lái)增長(zhǎng)率的翻轉(zhuǎn)。
(4)煤的極限參數(shù)極值點(diǎn)的溫度同煤化程度具有正相關(guān)關(guān)系,根本原因就是氧化程度的不斷升高,帶來(lái)臨界點(diǎn)溫度的增加,相反處于低溫環(huán)境下,氧化性也就相應(yīng)的比較低。
(1)采用煤自然發(fā)火試驗(yàn)研究得到高地溫環(huán)境煤自燃特性,得到隨著地溫的升高煤的上限漏風(fēng)強(qiáng)度自然發(fā)火期顯著縮短,在地溫為42℃時(shí),煤自然發(fā)火期相比地溫為20℃時(shí),煤樣上限漏風(fēng)強(qiáng)度自然發(fā)火期減少25d。
(2)利用煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置得出煤自燃指標(biāo)氣體(CO、C2H4、C2H4/C2H6)及其對(duì)應(yīng)特征溫度,測(cè)定了煤自燃特征參數(shù),為煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供依據(jù)。
(3)煤的下限氧濃度及最小浮煤厚度隨著煤溫升高,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);煤的上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著煤溫升高,表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì),煤的自燃極限參數(shù)的極值出現(xiàn)溫度與煤的臨界溫度相近。