蔡新勝,毛金峰,張崇禮,楊小龍
(新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830000)
我國(guó)大多數(shù)煤礦目前以CO作為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火指標(biāo)氣體,但在應(yīng)用過(guò)程中逐漸認(rèn)識(shí)到CO的非唯一性[1]。使用CO還存在一些不足和問(wèn)題,因此研究指標(biāo)氣體與煤溫之間對(duì)應(yīng)關(guān)系等新的研究方法慢慢成為預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火更為可靠、準(zhǔn)確的新方向[1-2]。
金川礦業(yè)有限公司塔什店煤礦區(qū)位于庫(kù)爾勒市塔什店鎮(zhèn)以西12 km處,本區(qū)8號(hào)煤層組在全區(qū)發(fā)育,傾角一般在8°~20°。8號(hào)煤層組埋深總趨勢(shì)為:中部深四周淺,南部深北部淺,西部淺東部深,最淺位于測(cè)區(qū)的西北部煤層露頭處,海拔標(biāo)高為990 m左右,最深位于測(cè)區(qū)的中部盆地中心部位,海拔標(biāo)高為410 m左右。井下煤層破碎或通風(fēng)不良時(shí),煤層有自燃現(xiàn)象,自燃發(fā)火期為76 d。
采用智能煤升溫氧化箱,對(duì)煤樣進(jìn)行加熱升溫和程序升溫,如圖1所示。
圖1 程序升溫裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of temperature programming device
將塔什店礦采集的8301工作面的新鮮煤樣取出,進(jìn)行破碎、篩分、縮分、混合等手段制樣。將煤樣放置于程序升溫氧化箱內(nèi)(圖2)試驗(yàn),開(kāi)啟色譜工作站并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,觀察煤自燃產(chǎn)生的各類指標(biāo)氣體的規(guī)律[3]。
圖2 程序升溫加熱系統(tǒng)Fig.2 Temperature programming heating system
整理總結(jié)歸納試驗(yàn)結(jié)果,煤的自燃氧化可以分成三個(gè)大的階段。在常溫到45℃,該煤樣未曾出現(xiàn)CO,45℃后CO開(kāi)始出現(xiàn),該階段生成少量CO,CO2,H2O。在當(dāng)溫度達(dá)到110℃左右時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)C2H6,140℃開(kāi)始出現(xiàn)C2H4,煤處于加速氧化階段,該階段主要表現(xiàn)為隨著溫度的升高,開(kāi)始出現(xiàn)一些其他指標(biāo)氣體,如C2H4等氣態(tài)烴。當(dāng)溫度達(dá)到280℃以后,煤開(kāi)始劇烈氧化,不同氣體濃度增加,當(dāng)溫度再度升高后,就會(huì)導(dǎo)致煤的自燃。
從煤的耗氧速率分析來(lái)看,當(dāng)溫度低于45℃時(shí),煤氧化耗氧速率低于0.4 m3/t,隨著溫度的升高,煤開(kāi)始發(fā)生緩慢氧化,耗氧率逐步增大。此時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)反應(yīng)速率變化點(diǎn),即80℃和160℃,溫度超過(guò)80℃后,氧化速率開(kāi)始增大,當(dāng)溫度達(dá)到80℃時(shí),耗氧率達(dá)到1.13 m3/t,160℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)乙烯,溫度超過(guò)160℃后,煤溫升速率極快,煤開(kāi)始進(jìn)入加速氧化階段。整個(gè)階段沒(méi)有檢出C2H2氣體。
在很多礦井預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火時(shí),CO作為主要的火災(zāi)標(biāo)志氣體得到廣泛的應(yīng)用[4]。低溫氧化過(guò)程中CO生成量與煤溫關(guān)系密切,詳見(jiàn)圖3。由圖可以看出,CO濃度隨溫度的上升呈現(xiàn)單調(diào)上升的曲線,45℃~160℃呈緩慢變化態(tài)勢(shì),其中,45℃~80℃氧化速率較緩,80℃~160℃氧化速率增加,溫度超過(guò)160℃后,CO生成量急劇增加,煤開(kāi)始進(jìn)入加速氧化階段,可作為塔礦自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)的早期指標(biāo)氣體,但無(wú)法定量分析出煤炭氧化過(guò)程中所處的準(zhǔn)確階段,加上現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)量稀釋作用,對(duì)自燃判定往往出現(xiàn)誤判的情況。在正常生產(chǎn)條件下,工作面的配風(fēng)量發(fā)生變化不大,為了更好地預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火,可采用⊿CO(一氧化碳增量)來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]。
圖3 CO隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of the change of CO with temperature
圖4 溫度與CO濃度差Fig.4 Difference between temperature and CO concentration
連續(xù)統(tǒng)計(jì)采空區(qū)幾天的CO濃度,計(jì)算每天的濃度差值,帶入回歸的數(shù)學(xué)模型,即可分析出溫度與CO濃度差之間的關(guān)系。
通過(guò)數(shù)據(jù)回歸分析,得到了回歸數(shù)學(xué)模型:
y=y0+A1e-x/t
通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證,得出了待定系數(shù):
y0=-0.076 69,A1=0.023 18,t=-64.992 58,代入回歸模型:
y=-0.076 69+0.023 18ex/64.992 58
其中,x為煤體溫度,y為CO濃度差。
在煤溫達(dá)到100℃前,⊿CO<100 PPm,煤溫達(dá)到140℃前,⊿CO<500 PPm,即煤溫超過(guò)100℃后,CO呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),出現(xiàn)第一次升溫速率增加點(diǎn),140℃后煤體進(jìn)入加速氧化階段。
經(jīng)試驗(yàn)CO2/CO比值如圖5所示。當(dāng)該比值大于50時(shí),表明此時(shí)煤體溫度在50℃左右,煤開(kāi)始發(fā)熱;比值小于10后,煤體溫度為70℃以上,CO2/CO的比值隨溫度變化呈現(xiàn)指數(shù)形式下降,CO產(chǎn)生量劇增,溫度達(dá)到160℃后,CO2/CO的比值開(kāi)始小于2。C2H6/C2H4指標(biāo)研究如圖6所示。
圖5 CO2/CO比值-變化曲線Fig.5 Changing curve of CO2/CO ratio
圖6 C2H6/C2H4指標(biāo)-變化曲線Fig.6 Changing curve of C2H6/C2H4 index
通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)獲取的塔什店煤礦自然發(fā)火指標(biāo)氣體得知,確定采用CO、CO2/CO及C2H6/C2H4作為煤自然發(fā)火預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)指標(biāo)氣體。由于煤礦井下條件復(fù)雜,受風(fēng)量和注氮的影響,單純采用CO指標(biāo)對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大影響。濃度比值法由于同比消除了風(fēng)量和注氮的稀釋作用影響,可優(yōu)先采用濃度比值法進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè),單氣體作為輔助指標(biāo)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)。
緩慢氧化階段,由于CO、CO2出現(xiàn)較早,且塔什店煤礦煤層CO2中含量較低,可優(yōu)先采用CO2/CO作為預(yù)測(cè)指標(biāo),當(dāng)該比值大于50時(shí),表明此時(shí)煤體溫度在50℃以下,煤開(kāi)始發(fā)熱;當(dāng)該比值開(kāi)始小于10時(shí),煤溫處于70℃左右;當(dāng)比值小于5時(shí),煤溫處于110℃;當(dāng)溫度達(dá)到140℃以后,CO2/CO的比值開(kāi)始小于3,同時(shí)乙烷伴隨著出現(xiàn)。
加速氧化階段,煤的耗氧量大大增加,C2H6在130℃開(kāi)始出現(xiàn),160℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)C2H4。