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        工作面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)試驗(yàn)研究

        2021-07-08 08:30:16唐文杰
        山東煤炭科技 2021年6期

        唐文杰

        (潞安化工集團(tuán)有限公司市場技術(shù)部,山西 長治 046202)

        1 引言

        煤在氧化反應(yīng)中,會(huì)產(chǎn)生多種不同的氣體,這些氣體都有最低反應(yīng)溫度和氣體的生成量,同時(shí),煤溫之間的關(guān)系與煤種的氧化自燃程度有很大關(guān)系,而對于巖層的自然發(fā)火預(yù)測工作還沒有開展過。根據(jù)前人總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),煤自燃可以通過自燃過程中產(chǎn)生的氣體來判斷煤是否自然發(fā)火,該種氣體被稱為標(biāo)志性氣體?!睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定,開采一類和二類自燃煤層時(shí),需要明確煤層自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體。煤炭開采過程中通過試驗(yàn)測試,優(yōu)選出最適合的指標(biāo)氣體,為煤炭自然火災(zāi)早期預(yù)報(bào)提供必要的前提條件,同時(shí)也使得在實(shí)際開采過程中的煤炭自燃防治工作更具有針對性[1-3]。

        2 煤樣氧化溫升過程的氣體產(chǎn)物特性分析

        (1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        煤自然發(fā)火氣體的反應(yīng)產(chǎn)物模擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理示意圖,具體如圖1,其通常是由應(yīng)用程序溫度控制箱、氣體分析測量儀、溫度操控系統(tǒng)、流量控制操作設(shè)備等構(gòu)成。

        圖1 指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

        (2)實(shí)驗(yàn)過程

        ① 樣品選取

        從礦井83022 工作面現(xiàn)采煤層選取,經(jīng)密封儲(chǔ)存郵運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。采樣前先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?,然后對煤樣進(jìn)行破碎,并篩分出40~80 目的顆粒。

        ② 實(shí)驗(yàn)步驟

        將粒度為40~80 目的混合煤樣50 g 置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi),將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi),連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心),檢查氣路的氣密性。當(dāng)煤溫達(dá)到30 ℃時(shí)向煤樣內(nèi)通入50 mL/min 的干空氣,并將測試爐調(diào)整至0.8 ℃/min 程序升溫。在反應(yīng)初期每10 ℃分析一次氣體成分和濃度,加速氧化階段每12 min分析一次氣體成分和濃度。

        (3)測試結(jié)果

        ① 測試數(shù)據(jù)

        在上述實(shí)驗(yàn)條件下得到礦井83022 工作面煤樣氣體產(chǎn)物隨溫度的變化。在實(shí)驗(yàn)過程中,隨著溫度的增加,各氣體濃度逐漸發(fā)生變化,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

        表1 煤樣自燃過程指標(biāo)氣體測試結(jié)果(ppm)

        對礦井83022 工作面煤樣測試實(shí)驗(yàn)過程中氣體自動(dòng)生成的實(shí)際狀況展開研究分析,其實(shí)際有效濃度改變的態(tài)勢,具體示意圖如2、圖3。

        圖2 礦井煤樣CO、CO2 變化趨勢圖

        圖3 礦井8#煤樣CH4、C2H6 、C2H4、C3H8 變化趨勢圖

        ③ 指標(biāo)氣體分析

        煤樣在30.0~180.0 ℃的溫度作用,其氧化過程中會(huì)有規(guī)律性的出現(xiàn)一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、丙烷與乙烯等氣體,并且產(chǎn)生量與溫度成正比例關(guān)系;在30.0~200 ℃的溫度內(nèi),煤樣中沒有產(chǎn)生乙炔,但是一氧化碳、二氧化碳、甲烷等氣體均在30 min 內(nèi)產(chǎn)生。在試驗(yàn)初期,一氧化碳量逐漸升高,但是總量較低,煤溫在達(dá)到110.0 ℃以后,其生成量快速上升,此時(shí)煤樣全面進(jìn)入了快速氧化反應(yīng)時(shí)期。30.0~200.0 ℃的溫度范圍內(nèi),沒有生成乙炔氣體。一氧化碳的生成量在低溫氧化時(shí)較低,煤溫到達(dá)110.0 ℃以后,其生成量上升速度增加,表明110.0 ℃后,該煤樣已進(jìn)入快速氧化時(shí)期。煤溫達(dá)到20 ℃、100 ℃和110 ℃時(shí)分別開始出現(xiàn)C2H6氣體、C3H8氣體和C2H4氣體,其濃度不大但隨煤溫升高持續(xù)上升。

        所以,以一氧化碳作為標(biāo)志性氣體,并且結(jié)合乙烯、丙烷與乙炔來分析煤的自然發(fā)火特征。一氧化碳的生成及變化特征能較好表明煤的氧化反應(yīng)程度;乙烯、丙烷產(chǎn)生說明煤溫早已達(dá)到100~110.0 ℃;乙炔的產(chǎn)生表明煤溫早已超越200.0 ℃。煤礦測試現(xiàn)場檢測到乙炔時(shí),就可能已經(jīng)發(fā)生了煤自燃,此時(shí)應(yīng)該立刻采取積極主動(dòng)的防滅火措施手段。

        3 自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體分析與優(yōu)選

        烯烴、炔烴和一氧化碳是煤產(chǎn)生自然發(fā)火氧化反應(yīng)的結(jié)果,是標(biāo)志煤產(chǎn)生自燃氧化反應(yīng)進(jìn)程的重要組分。其中,甲烷與二氧化碳不作為煤自燃氧化反應(yīng)進(jìn)程的特點(diǎn)氣體成分,而乙烷、丙烷氣體則需要參考初始的溫度值與后期溫度變化規(guī)律,來確定這兩種氣體是否可以作為煤自燃指標(biāo)性氣體。

        調(diào)試實(shí)驗(yàn)樣品里,一氧化碳在30.0 ℃時(shí)候開始產(chǎn)生,并且其形成量伴隨著煤溫的增高而增大,180.0 ℃以前,這種變化關(guān)系還基本符合指數(shù)遞增變化規(guī)律。一氧化碳的產(chǎn)生說明煤樣早已開始氧化反應(yīng),一氧化碳的實(shí)際有效濃度愈來愈高,就說明煤樣氧化反應(yīng)愈來愈激烈,其自燃危險(xiǎn)性越大。所以,一氧化碳作為煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的標(biāo)志性氣體是可行的,但是在煤自燃氧化過程中,溫度的預(yù)測還需與其他氣體的溫度變化一起來分析。

        因此,通過對測試樣品的實(shí)驗(yàn)研究,可得出以下結(jié)論:

        (1)一氧化碳是工作面自然發(fā)火的指標(biāo)性氣體之一。一氧化碳的產(chǎn)生,說明煤樣早已開始氧化反應(yīng),一氧化碳的實(shí)際有效濃度愈來愈高,就說明煤樣氧化反應(yīng)愈來愈激烈,危險(xiǎn)性越大。但由于在整個(gè)自然發(fā)火過程中都有一氧化碳產(chǎn)生,因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)用一氧化碳標(biāo)志氣體應(yīng)該分兩部分考察:① 現(xiàn)場氣體檢測中是否存在一氧化碳,如果存在一氧化碳,則表明巖樣開始氧化。② 產(chǎn)生一氧化碳之后,其實(shí)際有效濃度改變態(tài)勢怎樣,如果一氧化碳的濃度持續(xù)加大,則很有可能是巖樣的氧化反應(yīng)程度在加劇;如果一氧化碳濃度變化比較平穩(wěn),這說明低溫氧化得到一定程度的控制;如果一氧化碳濃度持續(xù)下降則表明自燃災(zāi)害得到有效控制。

        (2)乙烯是煤樣局部開始進(jìn)入加速推動(dòng)氧化反應(yīng)時(shí)期的代表性氣體。乙烯的產(chǎn)生說明煤樣局部實(shí)際溫度早已達(dá)到110.0 ℃。

        (3)乙炔的產(chǎn)生,代表著煤樣的局部實(shí)際溫度超越了200.0 ℃。只要在礦井下發(fā)現(xiàn)到了乙炔,就應(yīng)該看作煤層局部早已可能產(chǎn)生明火或者陰燃,采取措施時(shí)需更加謹(jǐn)慎。

        4 應(yīng)用驗(yàn)證

        83022 工作面于2019 年11 月25 日開始回采,截至2020 年10 月31 日,工作面累計(jì)回采進(jìn)度為頭1 088.5 m、尾1 090.5 m。工作面采用預(yù)埋雙管注氮,1#注氮管路進(jìn)入采空區(qū)61 m,2#注氮管路進(jìn)入采空區(qū)31 m,注氮總流量為1600 m3/h,平均日注氮約38 400 m3。工作面束管測點(diǎn)共5 個(gè),分別為23022 巷2 趟、53022 巷2 趟、83022 頂回1 趟。根據(jù)束管監(jiān)測系統(tǒng)每日監(jiān)測數(shù)據(jù)和觀測站觀測數(shù)據(jù)繪制采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志氣體變化曲線如圖4。

        圖4 83022 工作面采空區(qū)束管內(nèi)CO 濃度變化曲線

        由上圖CO 濃度變化曲線可知,83022 綜放工作面采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體CO 濃度維持在較高水平,最高CO 濃度達(dá)67 ppm,但采空區(qū)內(nèi)尚無C2H4出現(xiàn)。采空區(qū)內(nèi)CO 濃度維持在較低水平,采空區(qū)無明顯自然發(fā)火跡象,采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度維持在12%的防火墮化指標(biāo)以下,需加強(qiáng)采空區(qū)注氮,密切關(guān)注采空區(qū)內(nèi)CO 等指標(biāo)氣體變化情況,一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。同時(shí),加強(qiáng)束管監(jiān)控系統(tǒng)日常維護(hù)管理,確保采空區(qū)氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

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