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        張雙樓煤礦回撤工作面自然發(fā)火預(yù)警標(biāo)志氣體及臨界值確定

        2022-04-22 07:42:52段曉平魏連江
        山東煤炭科技 2022年3期

        段曉平 陸 愿 魏連江

        (1.江蘇徐礦股份有限公司張雙樓礦,江蘇 沛縣 221600;2.中國礦業(yè)大學(xué),江蘇 徐州 221116 )

        煤礦采煤工作面自燃是礦井主要災(zāi)害之一,煤自燃影響礦井生產(chǎn)且產(chǎn)生有毒有害氣體。采煤工作面煤層自燃通常依靠檢測標(biāo)志性氣體進(jìn)行預(yù)警和防治。各個(gè)煤礦由于地質(zhì)條件不同,工作面自然發(fā)火標(biāo)志氣體濃度指標(biāo)及預(yù)警臨界值不能一概而論。

        王文清將神東礦區(qū)5個(gè)不同煤層為研究對象,分析得出正常開采條件下,回風(fēng)隅角CO指標(biāo)臨界值為9×10-5,當(dāng)上升至3.5×10-4時(shí),采空區(qū)遺煤已達(dá)臨界溫度(60~70 ℃)[1]。康宇對某礦10+11#煤層煤樣進(jìn)行自然發(fā)火氣體產(chǎn)物模擬試驗(yàn)最后優(yōu)選出CO、C2H4、C2H2、C2H4/C2H6、C3H8/C2H6作為該礦10+11#煤層煤自然發(fā)火預(yù)測指標(biāo)[2]。

        張雙樓煤礦由于特殊的地質(zhì)條件,遺煤分布及上覆巖層附近存在黃鐵礦等特殊因素,不能照搬照抄上述預(yù)測煤自燃的方法進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警,需要確定張雙樓礦預(yù)測預(yù)警煤層自然發(fā)火的指標(biāo)及其臨界值。因此本文針對張雙樓煤礦工作面采空區(qū)遺煤分布、煤柱裂隙、圍巖變形及破碎等引起煤自燃參數(shù)特征,分析各主要發(fā)火因素哪一因素是主控因素,對回撤工作面煤樣進(jìn)行煤升溫氧化試驗(yàn),得出延期回撤期間自然發(fā)火標(biāo)志氣體濃度指標(biāo)及預(yù)警臨界值確定值[3-8]。

        1 試驗(yàn)及礦井工作面概況

        1.1 礦井及回撤工作面概況

        張雙樓礦為低瓦斯礦井,本采區(qū)7煤結(jié)構(gòu)簡單,屬穩(wěn)定的厚煤層。直接頂多為泥巖,直接底為砂質(zhì)泥巖,均厚6.86 m。7煤老頂細(xì)砂巖裂隙發(fā)育,局部構(gòu)造裂隙發(fā)育處頂板有淋水現(xiàn)象。7201工作面位于-500 m水平西一采區(qū),東起東風(fēng)井保護(hù)煤柱,西距-500 m西二運(yùn)輸上山約70 m,南至7煤煤層開采上限以下,北部為7403工作面采空區(qū)。工作面煤厚為3.80 m,采用綜合機(jī)械化采煤,一次采全高回采工藝,全部垮落法管理頂板;走向長度為1030 m,工作面平均傾斜長度194 m,工作面平均傾角22°,回采速度3.78 m/d。

        7201工作面為礦井煤層邊界工作面,區(qū)段保護(hù)煤柱在受到采掘活動影響下,煤柱煤體出現(xiàn)破碎、裂隙,形成漏風(fēng)通道,使工作面采空區(qū)供氧充足。7201工作面回采末期,工作面煤層厚度變化,平均煤厚4.8 m,在沿頂開采時(shí)留有1 m底煤,受采動影響煤體破裂出現(xiàn)裂隙,此時(shí)采空區(qū)垮落沉積不實(shí),采空區(qū)漏風(fēng)和較長回撤周期為底煤氧化蓄熱提供了有利條件,使得采空區(qū)底部遺煤自燃危險(xiǎn)性增大。根據(jù)計(jì)劃安排,采取先將回采結(jié)束的工作面封閉,后期恢復(fù)通風(fēng)繼續(xù)拆除支架的辦法完成工作面回撤??偦爻窌r(shí)間94 d,已超過煤層最短自然發(fā)火周期47 d。

        1.2 試驗(yàn)裝置及方案

        首先按照國家標(biāo)準(zhǔn)取樣規(guī)定(引用)在開采工作面取樣地點(diǎn)取出大塊煤樣,立即用塑料布進(jìn)行嚴(yán)格密封,運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,制樣前先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜樱瑢ζ溥M(jìn)行破碎并篩分出40~80目的顆粒50 g作為試驗(yàn)煤樣。將1 g粒度為40~80目的煤樣置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi),將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi),然后連接好進(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。測試時(shí)向煤樣內(nèi)通入100 mL/min的干空氣,在程序控溫箱控制下對煤樣進(jìn)行加熱,當(dāng)達(dá)到指定測試溫度時(shí),恒定溫度5 min后采取氣樣進(jìn)行氣體成分和濃度分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 指標(biāo)氣體

        從7201工作面提取煤樣,按照試驗(yàn)過程對所取煤樣進(jìn)行測試,記錄升溫氧化過程產(chǎn)生的指標(biāo)氣體隨溫度變化趨勢,結(jié)果如圖1。

        圖1 7201工作面煤樣氧化升溫CO、CO2、 CH4、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8濃度隨溫度變化趨勢

        由圖1可知,煤樣在30~300 ℃溫度范圍的氧化過程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2氣體,且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢;CO、CO2、CH4三種氣體均在30℃左右時(shí)即開始出現(xiàn),CO的生成量在低溫氧化階段較小,煤溫達(dá)到155~160 ℃之后其生成量迅速增加,這說明該溫度下煤已經(jīng)開始迅速氧化,物理吸附已經(jīng)越來越弱而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)則占據(jù)了主要位置。CH4在30 ℃就出現(xiàn),且伴隨整個(gè)試驗(yàn)過程,說明煤樣中賦存有CH4氣體;當(dāng)溫度達(dá)到35 ℃左右,出現(xiàn)了C3H8氣體,變化較平緩;當(dāng)溫度超過100 ℃時(shí)開始有少量C2H4、C2H6,并呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化;升溫過程中一直到達(dá)260 ℃左右才出現(xiàn)C2H2氣體。綜上所述,煤樣開采的指標(biāo)氣體應(yīng)該以CO作為主指標(biāo),以C2H4、C2H6、C2H2、C3H8及其相關(guān)系數(shù)為輔助指標(biāo)。

        當(dāng)工作面產(chǎn)生CO說明煤溫已經(jīng)超過30 ℃,如果CO的上升趨勢比較緩慢,說明煤溫沒有超過100 ℃,如果CO的變化趨勢出現(xiàn)明顯的上升拐點(diǎn),或者產(chǎn)生C2H4、C2H6,說明此時(shí)煤溫已經(jīng)超過100℃,此時(shí)煤體已經(jīng)進(jìn)入快速氧化階段;當(dāng)煤溫超過130 ℃,煤中分子鏈開始斷裂,煤的氧化即將進(jìn)入劇烈階段。

        2.2 C2H6/CH4、C3H8/C2H6值隨溫度變化趨勢

        圖2展示了C2H6/CH4與C3H8/CH4在數(shù)值上隨溫度的增加表現(xiàn)出先增加后減小趨勢,C3H8/C2H6隨煤溫的升高表現(xiàn)出先減小后再增加的趨勢。C2H6/CH4曲線在130 ℃左右速率劇增,210 ℃后呈下降趨勢,C3H8/CH4曲線在150 ℃之前上下波動平緩,而150 ℃之后迅速上升,C3H8/C2H6曲線在110~160 ℃范圍內(nèi),曲線呈下降趨勢,160~300℃呈上升趨勢,200 ℃后,比值劇增,說明煤樣已經(jīng)進(jìn)入劇烈氧化階段。圖3中可以發(fā)現(xiàn)C2H6/CH4和C3H8/CH4在130~150 ℃左右出現(xiàn)了曲線突變,這與CO2氣體產(chǎn)生開始迅速增加的溫度點(diǎn)相對應(yīng),說明當(dāng)煤體超過該溫度范圍后,進(jìn)入劇烈氧化階段,鏈烷比發(fā)生突變。上述鏈烷比指標(biāo)雖然能夠判斷煤自燃的程度,但是規(guī)律性不太明顯,因此不能作為判斷煤自燃的輔助指標(biāo)。

        圖2 7201工作面煤樣氧化升溫過程

        圖3 7201工作面煤樣氧化升溫過程烯烷比隨溫度變化

        2.3 烯烷比和CO增加速率

        煤的低溫氧化階段,CO顯示較為靈敏,但是抗干擾能力較弱,無法準(zhǔn)確定位燃燒階段,而C2H4、C2H2等是煤氧化到一定溫度時(shí)出現(xiàn)的產(chǎn)物,故他們可以作為煤自燃的指標(biāo)氣體。為提高預(yù)判的準(zhǔn)確度,提出利用CO增加速率與烯烷比為輔助指標(biāo),來判斷煤自燃的發(fā)展階段。

        如圖3所示,煤溫超過90 ℃,產(chǎn)生少量C2H4、C2H6氣體,說明此時(shí)煤溫已經(jīng)超過100 ℃,此時(shí)煤體已經(jīng)進(jìn)入快速氧化階段;如果檢測到C2H4開始呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢說明煤溫已經(jīng)超過130 ℃,煤中分子鏈開始斷裂,煤的氧化即將進(jìn)入劇烈階段。依據(jù)CO增加速率和烯烷比的數(shù)值不同,可以將煤氧化的整個(gè)過程劃分為六個(gè)階段,每個(gè)階段的臨界預(yù)警指標(biāo)見表1,每個(gè)階段對應(yīng)不同的溫度。工作面煤樣氧化升溫過程中各階段臨界指標(biāo)見表2。

        表1 7201工作面煤樣氧化升溫過程各階段烷烯比值

        表2 7201工作面煤樣氧化升溫過程中各階段臨界指標(biāo)

        綜上所述,對于張雙樓煤樣,生產(chǎn)過程中以CO為煤自燃的主要預(yù)測指標(biāo),同時(shí)輔之以臨界預(yù)警指標(biāo)來判斷煤溫,準(zhǔn)確掌握煤炭自燃所處的階段,采取相應(yīng)措施。

        2.4 煤自燃機(jī)理及主控因素分析

        煤自燃發(fā)生的機(jī)理認(rèn)為煤自燃必須具備四個(gè)條件,即煤具有自燃傾向性且呈破碎狀態(tài)堆積、有連續(xù)的通風(fēng)供氧條件、煤氧化過程中生成的熱量大于散去的熱量、前面三個(gè)條件共存時(shí)間大于煤的自然發(fā)火期,最終導(dǎo)致煤自燃。

        張雙樓煤礦7201工作面直接頂特別是煤中含有以黃鐵礦形式存在的硫,黃鐵礦中的二價(jià)鐵離子易與空氣中的水分和氧相互作用,更容易氧化放出熱量,將會對煤的自燃起加速作用。煤柱煤體出現(xiàn)破碎、裂隙,形成漏風(fēng)通道,使工作面采空區(qū)供氧充足。受采動影響煤體破裂出現(xiàn)裂隙,此時(shí)采空區(qū)垮落沉積不實(shí),采空區(qū)漏風(fēng)和較長回撤周期為底煤氧化蓄熱提供了有利條件,使得采空區(qū)底部遺煤自燃危險(xiǎn)性增大,給工作面回撤及礦井安全生產(chǎn)帶來較大的安全隱患。本工作面在停采后封閉、撤面時(shí)間較長,總回撤時(shí)間已超過煤層最短自然發(fā)火周期,增加了采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)性。

        3 結(jié)論

        (1)張雙樓礦煤自燃指標(biāo)應(yīng)該以CO作為主指標(biāo),以C2H4、C2H6、C2H6、C3H8、烯烷比和CO增加速率為輔助指標(biāo)。

        (2)煤溫在80~90 ℃之間,煤體CO產(chǎn)生速率發(fā)生了突變,判定該煤樣的臨界溫度80~90 ℃。

        (3)采用烯烷比和CO增加速率作為輔助指標(biāo),根據(jù)其數(shù)值不同準(zhǔn)確判斷煤自燃所處的階段。

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