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        礦井煤層自燃程度精細劃分與預(yù)警方法研究

        2021-10-28 04:55:42蔡國斌
        煤炭科學(xué)技術(shù) 2021年10期
        關(guān)鍵詞:煤體預(yù)警分級

        郭 軍,金 彥,文 虎,劉 蔭,蔡國斌

        (1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點實驗室,陜西 西安 710054)

        0 引 言

        煤自燃隱患所誘發(fā)的礦井火災(zāi)一直是制約煤炭工業(yè)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。就我國煤炭工業(yè)而言,絕大部分的開采礦區(qū)都由自燃和易自燃煤層占據(jù)[1]。全國多個礦區(qū)均在一定程度上受到煤層自然發(fā)火隱患的威脅,井下煤炭資源開采和作業(yè)人員的生命安全難以得到切實的保障[2]。雖然科技的發(fā)展使得煤自燃事故的發(fā)生頻率逐漸下降,但是我國煤火災(zāi)害防治的形勢依舊嚴(yán)峻。煤自燃作為一個復(fù)雜的煤氧復(fù)合反應(yīng),不同反應(yīng)階段內(nèi)的煤體活性基團反應(yīng)主體不同,導(dǎo)致釋放的氣體種類、體積分?jǐn)?shù)等存在差異,煤火災(zāi)害防治措施也相應(yīng)不同[3]。因此煤層自然發(fā)火分級預(yù)警技術(shù)成為了井下煤火隱患防控的重要一環(huán)。目前,煤層自燃預(yù)警技術(shù)大多是通過氣體指標(biāo)分析、溫度探測、高位元素氣體示蹤等方法進行發(fā)火進程預(yù)報[4]。近年來,伴隨近距離煤層開采技術(shù)應(yīng)用、小煤柱開采、綜采放頂技術(shù)推廣等因素,使得井下環(huán)境愈發(fā)復(fù)雜,煤層火災(zāi)隱患覆蓋面廣。并且現(xiàn)有的煤層自燃指標(biāo)體系沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),甚至部分礦區(qū)預(yù)警指標(biāo)體系不完備,難以準(zhǔn)確判斷煤層自然發(fā)火進程,煤層火災(zāi)事故時有發(fā)生。針對煤層火災(zāi)事故發(fā)生的特點,眾多學(xué)者進行了相應(yīng)研究,西安科技大學(xué)首次建立了國內(nèi)最大的自然發(fā)火試驗平臺,進行了煤自然發(fā)火相關(guān)參數(shù)變化的研究,針對煤自燃發(fā)生的特性參數(shù)深入研究[4];為明確指標(biāo)氣體同煤溫波動之間的關(guān)聯(lián)性,文獻[5]根據(jù)易燃煤層工作面氧化自然發(fā)火特性參數(shù)進行了深入研究,分析了煤自燃指標(biāo)氣體同煤溫波動之間的關(guān)聯(lián)性,為不同預(yù)警階段的預(yù)警指標(biāo)氣體優(yōu)選提供了依據(jù);文獻[6]提出從能量傳動角度來分析煤層火災(zāi)發(fā)展的趨勢,為煤層發(fā)火預(yù)警體系的建立提供了理論依據(jù);文獻[7-8]在煤自燃進程指標(biāo)氣體生成規(guī)律的研究中發(fā)現(xiàn),低溫氧化階段,微觀煤分子中的芳核結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定,接觸氧氣時,氧原子主要的攻擊對象是支鏈脂肪族結(jié)構(gòu),通過氧化物的形式進入煤體,進而生成各類氣體,為煤火災(zāi)害的初期預(yù)測、防控提供了理論支持。筆者采集了工作面新鮮煤樣,并采用大型自然發(fā)火試驗收集煤自燃氣體的產(chǎn)生規(guī)律參數(shù),確定煤層自然發(fā)火進程中的分級特征溫度點、判定指標(biāo)氣體及相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)閾值。建立了完備的煤層自燃分級預(yù)警體系,結(jié)合現(xiàn)場工作面發(fā)火實例應(yīng)用,驗證了該體系對于礦井煤層火災(zāi)進程預(yù)測預(yù)報的可行性。對于煤層自燃隱患辨識、煤火災(zāi)害發(fā)展進程預(yù)測及主動煤火災(zāi)害防控具有一定的理論指導(dǎo)意義。

        1 煤層自然發(fā)火試驗

        1)試驗裝置。試驗所采用的是XK-Ⅶ型煤自然發(fā)火試驗臺。爐體的主體結(jié)構(gòu)呈內(nèi)徑為120 cm的圓柱體,通過保溫層與外部監(jiān)控層進行爐體內(nèi)部環(huán)境的檢測與調(diào)控,創(chuàng)造一個接近真實井下環(huán)境的蓄熱條件,通過內(nèi)置氣體傳輸設(shè)備,保證試驗過程中生成氣體的流動均勻及氣樣的提取分析。

        2)試驗條件及過程。從某礦工作面內(nèi)的易自燃煤層進行煤樣采集,使用顎式破碎機進行現(xiàn)場煤樣粉碎,混合成1 700 kg試驗煤樣裝入試驗臺中,密封卸煤口,隨后進行試驗設(shè)備氣密性及運轉(zhuǎn)情況檢測,試驗時通入空氣流量0.1~1.5 m3/h,進而進行該礦煤樣自然發(fā)火特性參數(shù)試驗測試。試驗過程煤樣自然氧化生成的氣體經(jīng)爐體頂蓋空間由出口排出爐體。試驗過程中,爐內(nèi)最高煤溫將達到170 ℃,溫度每升高10 ℃采集1次氣樣進行色譜分析,記錄不同溫度下的氣體種類和體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)。具體試驗條件如下:

        平均粒徑D50/mm3.05試驗煤高/cm185質(zhì)量/kg1 700.60煤樣體積/cm32 091 240塊煤密度/(g·cm-3)1.32孔隙率0.383 9供風(fēng)量/(m3·h-1)0.1~1.5

        通過收集到的試驗數(shù)據(jù)進行實際井下煤層自然發(fā)火進程的宏觀特性表征參數(shù)推斷,為易燃煤層自然發(fā)火進程分級預(yù)警體系的建立提供數(shù)據(jù)支持。

        2 試驗結(jié)果與分級預(yù)警

        傳統(tǒng)的煤自燃預(yù)測預(yù)報分級標(biāo)準(zhǔn)是將煤自燃隱患孕育的特征過程大致分為潛伏階段、自熱階段和燃燒階段3個階段[9-10]。通過分析特征數(shù)據(jù)點位進行特征溫度區(qū)間劃分,進而確定發(fā)火進程危險等級、指標(biāo)氣體、各級閾值,從而建立完備的易燃煤層自然發(fā)火分級預(yù)警體系。

        2.1 煤層發(fā)火進程區(qū)間劃分

        煤自燃進程預(yù)測預(yù)報時,CO一直是常用的指標(biāo)氣體之一,其存在貫穿整個煤層自然發(fā)火過程。因此首先考慮通過CO、CO2體積分?jǐn)?shù)波動情況進行煤層自然發(fā)火初期過程的劃分,自然發(fā)火試驗過程收集的CO、CO2體積分?jǐn)?shù)如圖1所示。

        圖1 CO、CO2體積分?jǐn)?shù)與煤溫關(guān)系Fig.1 CO and CO2 generation as function of coal temperature

        從圖1中可以看出,自40 ℃開始,CO體積分?jǐn)?shù)快速上升,符合煤體進入低溫氧化階段的特征[11];同時可以反推40 ℃之前煤體應(yīng)當(dāng)處于物理吸附狀態(tài),部分水、賦存氣解吸,CO2體積分?jǐn)?shù)在40 ℃之前的平滑曲線也可以很好地證明這一點;60~90 ℃煤分子表面結(jié)構(gòu)活性基團與氧原子接觸反應(yīng),自燃進程達到煤氧復(fù)合反應(yīng)自加速溫度,圖中CO曲線出現(xiàn)了明顯的二次激增趨勢[12]。

        煤溫達到100 ℃左右時,雖然CO體積分?jǐn)?shù)快速下降,但是從CO2曲線可以看出體積分?jǐn)?shù)迅速增加,此時煤分子中的非芳香結(jié)構(gòu)支鏈和橋鍵與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成CO2;130 ℃左右,CO2體積分?jǐn)?shù)激增的現(xiàn)象表明此時煤體的溫度接近熱解溫度,是即將進入活性反應(yīng)階段的標(biāo)志[9,13-14]。

        在煤自燃進程反應(yīng)高溫氧化階段,煤分子結(jié)構(gòu)中的各類基團吸收能量達到活躍狀態(tài),反應(yīng)加劇,各類結(jié)構(gòu)在不同程度上裂解、裂化,大量活性結(jié)構(gòu)反應(yīng)生成CH4、C2H4、C2H6等烷烴、烯烴類氣體。由此可以選定CO和CO2作為煤層自然發(fā)火反應(yīng)低溫氧化階段的標(biāo)志性氣體,而CH4、C2H4、C2H6等烷烴、烯烴類氣體則是煤高溫氧化階段的標(biāo)志,氣體產(chǎn)物的變化能夠反映煤體氧化程度,并用以推測煤體內(nèi)部結(jié)構(gòu)反應(yīng)序列[10,15]。具體的烷、烴氣體體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)如圖2所示。

        圖2 CH4、C2H4、C2H6體積分?jǐn)?shù)與煤溫關(guān)系Fig.2 CH4、C2H4 and C2H6 generation as function of coal temperature

        由圖2可以看出:當(dāng)煤溫低于80 ℃時,CH4體積分?jǐn)?shù)波動較為平緩。這是由于在煤體低溫氧化蓄熱階段,煤分子間的范德華力逐漸減弱,CH4解除吸附狀態(tài)進入空氣中,相對增量較少。140 ℃之后煤氧復(fù)合反應(yīng)加劇,CH4體積分?jǐn)?shù)驟然升高。因此CH4體積分?jǐn)?shù)快速激增的突變點可以作為煤層自燃反應(yīng)進入裂變階段的標(biāo)志。而試驗之初沒有檢測到C2H4存在,在約40 ℃時才出現(xiàn)少量的C2H4,可以將C2H4出現(xiàn)的特征點位作為煤體進入解附狀態(tài)的判定。C2H6作為一種飽和化合物,可以像甲烷一樣較穩(wěn)定地賦存在煤層中,在未達到裂解溫度之前由氣體脫附作用而產(chǎn)生。但C2H6曲線的波動并不具有良好的規(guī)律性,因此C2H6并不適合單獨作為氣體預(yù)警指標(biāo)[10,16-17]。

        2.2 煤層發(fā)火特征溫度點確定

        對比分析試驗數(shù)據(jù),為了深入劃分煤層自燃預(yù)警等級??紤]利用氣體體積分?jǐn)?shù)比值波動情況進行煤層自然發(fā)火進程各階段主體反應(yīng)特征溫度點位的確定,進行煤層自然發(fā)火進程精確分級[4,18]。

        據(jù)理論研究,煤層耗氧速度應(yīng)與氧氣體積分?jǐn)?shù)成正比,可以通過煤氧復(fù)合產(chǎn)生的CO速率及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氧氣體積分?jǐn)?shù)波動,反映煤氧復(fù)合三步化學(xué)反應(yīng)的進程,即Graham系數(shù),G計算如下

        G=φ(CO)/φ(O)2×100%

        (1)

        式中:G為Graham系數(shù)的計算值;φ(CO)、φ(O2)分別為風(fēng)流中CO、O2體積分?jǐn)?shù)的變化量絕對值,%。

        依照算式可得G值變化情況如圖3所示。

        圖3 試驗G值與煤溫對應(yīng)關(guān)系Fig.3 Relationship between G and coal temperature

        由圖3可以看出,G在煤自然發(fā)火反應(yīng)升溫過程中整體呈上升趨勢。當(dāng)煤溫從常溫升至60 ℃的過程中,φ(CO)/φ(O2)的值上升緩慢,說明在該階段煤氧復(fù)合反應(yīng)較弱。60 ℃后發(fā)生突變快速升高,此時接近臨界溫度,化學(xué)反應(yīng)逐漸增強;煤溫在90~140 ℃時,G波動平緩,此過程中CO和CO2的體積分?jǐn)?shù)均呈增長趨勢且增長的強度相差較小。當(dāng)G大于0.02時,煤溫已達到或高于臨界溫度,各類鏈結(jié)結(jié)構(gòu),斷裂生成活性結(jié)構(gòu)接觸氧氣快速反應(yīng);當(dāng)G大于2時,煤溫超過熱解溫度,鄰近干裂溫度,G呈現(xiàn)激增趨勢,此時煤層火災(zāi)隱患危險性直線上升;從圖中可以推斷現(xiàn)場測得G約12時,就可以認為目標(biāo)煤層即將進入完全燃燒階段,應(yīng)當(dāng)采取最為極端的煤火災(zāi)害防控手段[4,19-22]。

        氣體復(fù)合指標(biāo)曲線及試驗分析如圖4所示。當(dāng)煤溫低于40 ℃時,φ(CO2)/φ(CO)波動平滑,此時煤體反應(yīng)活性低下,處于穩(wěn)定狀態(tài)[23-24];40 ℃左右,φ(C2H4)/φ(C2H6)曲線出現(xiàn)起始點,φ(CO2)/φ(CO)驟然上升達到峰值,可以推斷此時煤體升溫導(dǎo)致范德華力削弱,物理吸附作用增強;60 ℃后,φ(CH4)/φ(C2H6)繼續(xù)快速下跌,但是φ(C2H4)/φ(C2H6)保持相對穩(wěn)定,此時煤體物理吸附即將達到飽和,化學(xué)反應(yīng)啟動,煤體反應(yīng)活性逐漸加強[25];80 ℃后,φ(C2H4)/φ(C2H6)曲線增大,顯然是因為結(jié)構(gòu)斷裂速度過快,各活性基團結(jié)構(gòu)反應(yīng)不充分;110 ℃后,煤體自燃反應(yīng)進入裂解階段,煤體芳環(huán)支鏈結(jié)構(gòu)等發(fā)生快速斷裂,煤氧復(fù)合反應(yīng)劇烈,煤自燃隱患危險性達到最大,并且φ(C2H4)/φ(C2H6)遠高于φ(CH4)/φ(C2H6)和φ(CO2)/φ(CO),全面燃燒即將發(fā)生[9,26-29]。

        圖4 試驗復(fù)合指標(biāo)比值與煤溫關(guān)系Fig.4 Experimental composite index ratio concentrations to coal temperature

        對比φ(C2H4)/φ(C2H6)、φ(CH4)/φ(C2H6)、φ(CO2)/φ(CO),確定波動趨勢、拐點、峰值點等數(shù)據(jù)特征,能夠在單因素指標(biāo)劃分煤層自然發(fā)火進程溫度范圍的基礎(chǔ)上,進一步確定預(yù)警體系的特征溫度點,具體見表1。

        表1 煤自然發(fā)火特征溫度劃分區(qū)間Table 1 Characteristic temperature intervals of coal spontaneous combustion

        2.3 煤層自然發(fā)火分級預(yù)警體系建立

        依據(jù)煤自燃階段精細劃分理論與方法,結(jié)合《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于煤自燃監(jiān)測、標(biāo)志氣體、臨界值、發(fā)火征兆及火災(zāi)的管理規(guī)定?;诿簶幼匀话l(fā)火試驗,提出了適用于礦井的煤自燃分級預(yù)警指標(biāo)體系,該指標(biāo)體系主要包含可以表征煤自燃溫度的氣體指標(biāo)(CO、G值、O2、C2H4、φ(C2H4)/φ(C2H6)),確定了易自燃煤層分級預(yù)警的溫度范圍和氣體指標(biāo)臨界值,以期實現(xiàn)礦井煤層自然發(fā)火精準(zhǔn)預(yù)警及煤火災(zāi)害主動防治,見表2。

        表2 煤層自然發(fā)火分級預(yù)警體系及指標(biāo)臨界值Table 2 Multi-stages warning system of coal seam and threshold values

        3 現(xiàn)場應(yīng)用

        1)工作面概況。某礦工作面標(biāo)高為+770—+800 m,走向長度1 048 m,傾斜寬度240 m。煤層傾角0°~6°,平均2°,煤厚16.8~21.7 m,平均厚度18.7 m。工作面采用“一面兩巷”布置,2條巷道及開切眼均沿煤層底板布置,兩巷道相互平行。工作面通風(fēng)配量1 671 m3/min。

        2)現(xiàn)場煤自燃程度預(yù)測。統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立指標(biāo)氣體波動(圖5)發(fā)現(xiàn)CO體積分?jǐn)?shù)自2019-04-01開始出現(xiàn)上升趨勢(4月1日前為正常觀測值,低于預(yù)警初值),但是比照煤自燃分級預(yù)警方法,結(jié)合CO、O2體積分?jǐn)?shù)與火災(zāi)系數(shù),發(fā)現(xiàn)4月7日前煤層未達到預(yù)警范圍,是否存在煤層自燃隱患情況不明確;4月7日開始CO體積分?jǐn)?shù)超過200×10-6,O2體積分?jǐn)?shù)低于12%,G為0.19,說明此時煤層自燃達到1級灰色預(yù)警,進入低溫氧化階段;隨后,CO體積分?jǐn)?shù)與G持續(xù)上升,結(jié)合O2體積分?jǐn)?shù)發(fā)現(xiàn)在4月7日—5月12日,煤層自燃進程一直處于灰色預(yù)警階段;直至5月13日,CO體積分?jǐn)?shù)降低至287×10-6,G達到0.5,煤自燃進入2級藍色預(yù)警階段,推測溫度在50~60 ℃,煤層自然發(fā)火反應(yīng)到達自熱階段,這一階段持續(xù)到5月14日,至此確認目標(biāo)位置存在自然發(fā)火隱患;此后開始采取相應(yīng)的防控措施,根據(jù)每日監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,CO體積分?jǐn)?shù)及火災(zāi)系數(shù)開始降低,在5月15日時由藍色預(yù)警降低至灰色預(yù)警。根據(jù)分級預(yù)警協(xié)同防控措施方法,對采空區(qū)按照預(yù)警級別實施防滅火方案,具體要求見表3。

        表3 分級預(yù)警協(xié)同防控措施Table 3 Coordinated prevention and control measures under different warning levels

        圖5 工作面關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)波動情況Fig.5 Fluctuation of key index parameters in working face

        3)效果分析。通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),結(jié)合煤自燃程度的分級與自燃主動分級協(xié)同防控方法,該礦工作面開展相應(yīng)的防滅火工作,整個過程中現(xiàn)場CO體積分?jǐn)?shù)與火災(zāi)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。煤層在4月7日出現(xiàn)低溫氧化,5月13日進入自熱階段,隨后在動態(tài)推進、封閉堵風(fēng)、注惰降氧的防滅火措施下,5月13日后由藍色預(yù)警降至灰色預(yù)警,煤層的自燃隱患得到有效緩解,防滅火工作取得了較好的效果。

        4 結(jié) 論

        1)在原有煤自燃三階段劃分理論基礎(chǔ)上,通過試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析確定了煤層自然發(fā)火過程當(dāng)中的特征溫度點:T0為20~40 ℃;T1為40~60 ℃;T2為60~90 ℃;T3為80~120 ℃;T4為110~150 ℃;T5為130~160 ℃;T6為150~250 ℃。

        2)分析了眾多表征煤自燃反應(yīng)進程的指標(biāo)氣體及預(yù)警指標(biāo),通過對大量數(shù)據(jù)的分析,確定了精準(zhǔn)表征煤自燃六級預(yù)警的指標(biāo):CO、CH4、C2H4、C2H6濃度、φ(CO2)/φ(CO)、Graham系數(shù)、鏈烷比等。建立了較為完備的煤層自然發(fā)火進程分級預(yù)警體系,定量確定了各級判定閾值。

        3)實例應(yīng)用檢驗了所構(gòu)建預(yù)警體系的可靠性。通過對某礦采空區(qū)煤自燃程度及趨勢的分析,確定煤自然發(fā)火分級預(yù)警級別,按照采空區(qū)煤自燃主動分級協(xié)同防控方法實施防滅火工作,結(jié)果表明本文構(gòu)建的煤層自然發(fā)火分級預(yù)警體系能夠有效指導(dǎo)實際工作面開展煤火防治工作。

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