李國芳 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)一直是困擾我國煤炭開采的主要災(zāi)害之一[1]。它不僅會燒毀和凍結(jié)資源,甚至導(dǎo)致次生災(zāi)害造成嚴重的財產(chǎn)和人員傷亡[2,3]。在我國的煤炭資源開發(fā)以及利用的整個過程中,開采深度超過800m已有200多處,超過1000m已有47處,僅山東省就占21處[4]。深井開采由于地溫高,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,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,由此帶來了較大的危險性[5]。本文以山東省巨野礦區(qū)3煤層煤樣為研究對象,采用大型煤自然發(fā)火試驗測試煤從30℃自燃氧化升溫到170℃過程,測定煤自燃過程以及指標(biāo)氣體變化規(guī)律。通過計算得到高地溫環(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)火試驗裝置研究高地溫礦井煤樣自燃過程特征及指標(biāo)性氣體變化規(guī)律。試驗裝置如圖1所示。
試驗使用的煤樣為塊煤,2t,使用破碎機破碎后裝入試驗裝置,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)火溫度所需實際時間。試驗中,爐內(nèi)煤體最高溫度從試驗開始29.7℃升至167.9℃,歷時69d,除去因停電、降溫、維護等客觀因素而造成煤自然發(fā)火試驗時間延長,按原始地溫為37.82℃計算,得出煤樣自然發(fā)火期為46d。
圖1 煤自然發(fā)火試驗裝置
表1 煤樣工業(yè)分析及真密度
煤樣在自然發(fā)火試驗過程中煤樣溫度與時間之間的關(guān)系如圖2所示。
圖2 煤樣溫度與時間之間的關(guān)系
由此可以得到,在初期階段,煤樣氧化具有相對較慢的增速,當(dāng)達到42d以上的通風(fēng)時間,氧化升溫速率開始明顯加快,對應(yīng)臨界溫度50℃~65℃。試驗進行48d之后,煤樣氧化升溫速率加快,對應(yīng)為干裂溫度105℃~115℃。進行到50.6d時,煤氧化溫度對應(yīng)為活性溫度℃140~150℃。當(dāng)煤體溫度超過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350℃,超過燃點。
表2 不同地溫時煤自然發(fā)火期
煤樣自然發(fā)火期受到地溫的影響,由表2可得,通過試驗得到在采空區(qū)環(huán)境的溫度為20℃時,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,煤樣試驗最短自然發(fā)火期減少為34d。地溫升高22℃,試驗最短自然發(fā)火期減少了25d。因此,高地溫礦井煤自然發(fā)火期會顯著地縮短,增加了煤出現(xiàn)自燃火災(zāi)的危險程度。
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)生量會出現(xiàn)顯著變化。因此,確定合適煤自燃特征參數(shù)對預(yù)測煤自燃程度、對煤自燃預(yù)警與防治意義重大。針對新巨龍公司煤樣選取CO、C2H6、C2H4等分析,進一步確定合適的煤自燃預(yù)報指標(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,超過煤自燃臨界溫度之后,CO氣體產(chǎn)量增長速度明顯加快。溫度超過110℃以后,CO增長率突然降低,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,在煤的氧化溫度為56.5℃時達到最小值。說明煤在低溫階段氧化過程中產(chǎn)生的CO2主要是煤中原有的CO2脫附。
由圖5可知,煤樣在試驗的初始階段未產(chǎn)生C2H4,C2H4在煤樣溫度超過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排除風(fēng)流變化對煤自燃產(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,在煤溫達到50℃左右時比值最大,隨后呈下降趨勢,煤氧化溫度超過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,烯烷比在120℃左右達到最大值。
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時的放熱強度,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,在達到最大值后迅速減少。
(2)上限漏風(fēng)強度同煤溫之間具有一定關(guān)系,溫度的不斷升高,會使上限漏風(fēng)強度先下降后上升;當(dāng)煤的氧化溫度高于100℃以后,上限漏風(fēng)強度迅速上升。煤自燃極限參數(shù)在50℃~60℃達到極值。
(3)煤樣的臨界溫度與煤自燃極值點溫度基本上相似。根本的原因就是煤溫升高的過程中,同環(huán)境溫度的差值就會增大,因此需要大量的散熱;處于臨界點之前的氧化放熱具有相對較小的增加幅度,對氧化放熱量、散熱量的增長率兩者相比較,前者相對較小,達到臨界點時,氧化速率就會出現(xiàn)明顯的增加,同時帶來其放熱量的上升,帶來增長率的翻轉(zhuǎn)。
(4)煤的極限參數(shù)極值點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,帶來臨界點溫度的增加,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)強度自然發(fā)火期顯著縮短,在地溫為42℃時,煤自然發(fā)火期相比地溫為20℃時,煤樣上限漏風(fēng)強度自然發(fā)火期減少25d。
(2)利用煤自然發(fā)火試驗裝置得出煤自燃指標(biāo)氣體(CO、C2H4、C2H4/C2H6)及其對應(yīng)特征溫度,測定了煤自燃特征參數(shù),為煤自燃火災(zāi)的監(jiān)測預(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;煤的上限漏風(fēng)強度隨著煤溫升高,表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢,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。