賀海鴻 ，唐 洪 ，劉 華 ，郭 軍

（1.陜西彬長礦業(yè)集團有限公司，陜西 咸陽 712000；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

我國是一個“富煤、貧油、少氣”的國家[1]。近年來，淺埋煤炭資源開采逐漸枯竭，煤炭開采逐漸向深部轉(zhuǎn)移。隨著煤炭開采深度加深，地應(yīng)力逐漸增大，煤巖原始溫度不斷升高，透氣性也隨之降低，導(dǎo)致煤層瓦斯的抽采難度越來越大，礦井瓦斯災(zāi)害日益嚴峻[2-3]。

鑒于深部煤層瓦斯災(zāi)害的形勢日益嚴峻，國內(nèi)許多礦井往往會采取卸壓增透、加密鉆孔、增加抽采負壓，以及延長抽采時間等措施，然而，使用這些措施可能加劇鉆孔附近的漏風現(xiàn)象[4]。以上措施，雖可增加煤層的滲透率以利于瓦斯抽采，但封孔不規(guī)范導(dǎo)致封孔質(zhì)量不佳，造成瓦斯抽采過程中鉆孔漏風嚴重，為易自燃煤層的自燃提供持續(xù)的氧氣供應(yīng)，進而促使煤體發(fā)生自燃[5]。很多高瓦斯礦井，經(jīng)常在煤層瓦斯抽采鉆孔內(nèi)能夠檢測到高體積分數(shù)CO，嚴重影響瓦斯安全高效抽采。若瓦斯抽采時出現(xiàn)煤炭自燃，除了影響煤炭的正常開采，也會威脅井下工作人員的生命安全。因此，開展瓦斯抽采引起煤體自燃規(guī)律的研究并采取預(yù)防措施確保煤礦的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。

為研究抽采鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力分布及裂隙發(fā)育規(guī)律，許多學(xué)者通過對鉆孔周邊煤巖體應(yīng)力應(yīng)變的研究過程中發(fā)現(xiàn)鉆孔周邊裂隙發(fā)育尺度與煤體自身理化結(jié)構(gòu)、煤層壓力情況、礦井水文地質(zhì)以及鉆孔打鉆方式有關(guān)。KONG 等[6]通過單軸壓縮實驗解釋了初始加載過程中裂隙煤體表面附近的受力分析，討論了整個壓縮過程中裂隙的動態(tài)演化；WANG 等[7]以花崗巖為研究對象，通過單軸壓縮實驗分析了巖石在單軸壓縮作用下傾斜裂紋擴展的規(guī)律；武旭等[8]通過單軸壓縮實驗研究巖石裂隙的分布規(guī)律，分析了不同條件下交叉裂隙對巖石強度和巖石變形過程中能量的演化規(guī)律。在煤礦生產(chǎn)中，瓦斯抽采質(zhì)量是一個很重要的指標，盡管抽采技術(shù)得到了進步，但仍有一些新問題，即瓦斯抽采質(zhì)量受漏風的影響較為嚴重。喬元棟等[9]建立了鉆孔漏氣數(shù)值模型，得出鉆孔施工會導(dǎo)致煤體裂隙的發(fā)育，負壓條件下巷道和鉆孔周邊松動圈疊加形成漏氣通道；WANG 等[10]采用流固耦合模型分析巷道和鉆孔周圍漏風的因素，得出受巷道開挖和鉆探的影響，巷道及鉆孔周圍煤體內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫，鉆孔的主要漏風通道為巷道中的空氣；周福寶等[11]建立了孔內(nèi)和孔外漏氣的數(shù)學(xué)模型，分析了鉆孔漏氣機理，并在現(xiàn)場進行了驗證。

煤體自燃主要是煤氧化放熱升溫引起自燃。瓦斯抽采對深部開采有顯著影響，必須增加抽采負壓，但這會加速煤層內(nèi)氣流流動，導(dǎo)致漏風增強，讓煤自燃更容易發(fā)生。為解決這一問題需要多學(xué)科緊密合作開展科學(xué)研究。余高明等[12]指出瓦斯抽采導(dǎo)致采空區(qū)漏風加劇，進而增加采空區(qū)煤自燃的危險性，并分析了采空區(qū)漏風和自燃帶的分布規(guī)律；范加鋒[13]為研究工作面上隅角瓦斯超限問題采用COMSOL 模擬手段，構(gòu)建了非均質(zhì)采空區(qū)多場耦合模型，得出了采空區(qū)抽采瓦斯誘導(dǎo)煤自燃的規(guī)律；周西華等[14]采用模擬和現(xiàn)場相結(jié)合的方法，得出采空區(qū)漏風隨抽采負壓的增加越來越嚴重，對采空區(qū)煤自燃起著促進作用；宋志剛等[15]為防止瓦斯抽采過程中引發(fā)煤自然發(fā)火，使用測漏方法檢測采空區(qū)漏風通道，識別鉆孔內(nèi)CO 來源，分析了煤自燃狀態(tài)。

綜上所述，現(xiàn)階段已對抽采條件下采空區(qū)瓦斯與煤自燃共同災(zāi)害的機理和防治技術(shù)方面進行了大量的研究，但鮮有對瓦斯抽采條件下誘發(fā)鉆孔周邊煤體自燃進行研究的。因此，通過開展不同供風量條件下的煤氧化升溫實驗，獲取煤自燃特性參數(shù)隨風量的變化規(guī)律，探索耗氧速率、CO產(chǎn)生率隨煤溫和風量變化的函數(shù)關(guān)系式，為研究瓦斯抽采誘導(dǎo)煤自燃提供實驗依據(jù)。

1 瓦斯抽采鉆孔周邊煤體漏風特征研究

1.1 鉆孔圍巖應(yīng)力及裂隙分布特征

巷道開挖和鉆孔作業(yè)會導(dǎo)致煤礦井抽采鉆孔周邊出現(xiàn)不同類型的裂隙，這些裂隙的形成和發(fā)育受多種因素影響，主要是巷道空氣、煤層瓦斯和煤巖體受外界擾動時的氣固耦合作用的結(jié)果。通過對巷道卸壓裂隙帶受力及鉆孔抽采裂隙帶圍巖的應(yīng)力及裂隙分布進行研究，可以為抽采鉆孔漏風規(guī)律的研究提供理論依據(jù)。

1.1.1 巷道圍巖應(yīng)力及裂隙分布

煤礦巷道開挖后，煤的原始賦存狀態(tài)會遭到破壞，煤體所承受的應(yīng)力會超過其自身強度極限，導(dǎo)致煤體發(fā)生屈服、破碎等現(xiàn)象。應(yīng)力重新達到平衡后，巷道兩幫煤壁會出現(xiàn)卸壓區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)及原始應(yīng)力區(qū)3 個區(qū)域，即“三帶”，其分布情況如圖1。抽采鉆孔是通過巷道兩幫向煤層打鉆，而未進行鉆孔施工之前，位于巷道周圍的煤巖體處于破碎狀態(tài)受采動影響。卸壓帶內(nèi)部分煤體含有大量貫通裂隙，而鉆孔施工過程類似于對巷道進行微型巷道開挖，在采動的影響下，裂隙動態(tài)變化并相互溝通，從而形成漏風通道。泄壓帶內(nèi)的煤體已經(jīng)破碎，并處于極限平衡狀態(tài)，而裂隙的發(fā)展則主要發(fā)生在集中應(yīng)力帶內(nèi)。

圖1 巷道圍巖“三帶”分布圖Fig.1 Three-zone distribution diagram of roadway surrounding rock

開挖巷道后，圍巖的原始應(yīng)力平衡被打破，使周圍巖體應(yīng)力發(fā)生改變，應(yīng)力由三向變?yōu)閮上?，形成動態(tài)演變過程。圍巖經(jīng)過破碎、塑性和彈性過程后，重新達到應(yīng)力平衡狀態(tài)。巷道周圍煤巖體遭受自身屈服極限，從彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詮埩哑茐?，?dǎo)致大量裂隙出現(xiàn)，松動圈（破碎區(qū)）成為主要的裂隙分布區(qū)域。采動結(jié)束后，在靜壓影響下，圍巖發(fā)生持續(xù)破壞，得以釋放外側(cè)圍巖的彈性勢能，煤巖應(yīng)力重新分布，并最終從彈性區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詤^(qū)。在這一演變過程中，裂隙逐漸減少，繼續(xù)向內(nèi)部延伸，煤巖體最終形成新的動態(tài)平衡，圍巖內(nèi)部應(yīng)力恢復(fù)至原始狀態(tài)，從而使裂隙閉合，巷道圍巖應(yīng)力分布如圖2。

圖2 巷道圍巖應(yīng)力分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress distribution in roadway surrounding rock

1.1.2 鉆孔圍巖應(yīng)力及裂隙分布

與開挖巷道類似，鉆孔作業(yè)時會破壞平衡狀態(tài)下的巷道圍巖應(yīng)力分布，導(dǎo)致應(yīng)力重新分配并形成新的裂隙。相比于巷道的開挖，鉆孔對圍巖的破壞遠小于開挖巷道，因此鉆孔的影響范圍也相對較小。

巷道卸壓應(yīng)力分布如圖3。原有的卸壓帶、集中應(yīng)力帶以及原始應(yīng)力帶必然會受打孔作業(yè)的影響，破壞原有的平衡。在作業(yè)的過程中，應(yīng)力會發(fā)生重新分布，重置“三帶”的分布形式。與之前相比，新“三帶”的位置發(fā)生了變化，并沿徑向向內(nèi)移動。在卸壓區(qū)里，圍巖會發(fā)生塑性變形，并在圍巖內(nèi)部產(chǎn)生較小的殘余應(yīng)力，同時在該區(qū)域內(nèi)裂隙充分發(fā)育。當這些裂隙向內(nèi)發(fā)育時，鉆孔周圍巖石內(nèi)的應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力在集中區(qū)達到最大值后，會逐漸恢復(fù)至原始值。

圖3 巷道卸壓應(yīng)力分布示意圖Fig.3 Schematic diagram of stress distribution of roadway pressure relief

1.2 抽采鉆孔漏風途徑

瓦斯抽采效果以瓦斯抽采濃度為標準，但隨著抽采時間的增加，瓦斯抽采濃度往往會下降，甚至出現(xiàn)CO。這主要是由于煤氣氧化反應(yīng)的發(fā)生，加之鉆孔封堵效果不佳以及側(cè)煤壁受采掘影響產(chǎn)生裂隙、鉆孔施工產(chǎn)生的卸壓影響等因素導(dǎo)致巷道中的空氣進入鉆孔，進而影響瓦斯抽采濃度的降低和CO 的產(chǎn)生。根據(jù)氣體漏出途徑的不同，可以將其分為3 個部分進行研究，即巷道煤壁裂隙帶漏風、鉆孔裂隙帶漏風以及封堵段材料漏風。

1.2.1 巷道煤壁裂隙帶漏風

在煤層打鉆抽采瓦斯過程中，圍巖會被破壞形成裂隙，應(yīng)力重新達到平衡后，形成漏風通道。根據(jù)對巷道圍巖應(yīng)力及裂隙分布的分析可知，煤體變形會產(chǎn)生裂隙，提高煤層透氣性，而彈性區(qū)內(nèi)部裂隙會受到壓力的閉合而形成新的裂隙，導(dǎo)致鉆孔漏風。同時，巷道空氣進入鉆孔會與裂隙煤體發(fā)生煤氧化反應(yīng)產(chǎn)生CO。巷道煤壁卸壓會造成鉆孔漏風的示意圖如圖4。

圖4 巷道煤壁卸壓造成鉆孔漏風示意圖Fig.4 Schematic diagram of borehole air leakage caused by coal wall relief in roadway

綜上所述，合理的封孔深度是保證鉆孔安全抽采的前提，封孔深度不達標時，鉆孔會產(chǎn)生嚴重的漏風現(xiàn)象，基于以上因素封孔的合理深度應(yīng)位于彈性區(qū)，以免抽采盲區(qū)，防止由于開采干擾產(chǎn)生的裂縫，使空氣流入鉆孔，導(dǎo)致抽采瓦斯效率低下，抽出的氣體含有高濃度的CO 氣體。

1.2.2 鉆孔裂隙帶漏風

鉆孔開挖會導(dǎo)致應(yīng)力重新分布，而鉆孔周圍的煤體會受到類似于巷道掘進對煤體造成的應(yīng)力變化，雙重擾動作用會加劇煤體的破壞，裂隙的發(fā)育達到成熟，在鉆孔周邊形成“漏氣圈”。負壓抽采作用下巷道空氣進入鉆孔示意圖，鉆孔周邊裂隙帶漏風示意圖如圖5。

圖5 鉆孔周邊裂隙帶漏風示意圖Fig.5 Schematic diagram of air leakage in fracture zone around borehole

針對鉆孔裂隙帶漏風的問題，巷道壁面噴涂和封孔材料封堵裂隙是當前效果最好的2 種方法。巷道煤壁噴涂漿料一定程度上可阻隔外界氣體進入煤層，可在鉆孔外特定范圍內(nèi)噴涂漿料。而“兩堵一注”帶壓封孔是封孔材料封堵裂隙的常用方法。具體來說，在鉆孔周圍的裂隙注入封堵材料的漿液并施加注漿壓力，使封堵材料滲透擴散到裂隙中，從而封堵漏風通道。

1.2.3 封孔段材料漏風

通過鉆孔抽采瓦斯時，高效率、高濃度的瓦斯抽采的關(guān)鍵是使用良好的封孔材料和工藝。鉆孔密封效果的優(yōu)劣除了影響抽采的瓦斯?jié)舛燃翱卓谪搲海灿绊懼變?nèi)的漏風情況。在封孔段，材料內(nèi)部發(fā)生破裂以及材料與鉆孔內(nèi)壁接觸不良是主要造成鉆孔漏風的2 種形式。

1）封孔材料與鉆孔接觸面不密實導(dǎo)致漏風。鉆孔的封孔手段及封孔材料質(zhì)量的好壞可以直接導(dǎo)致鉆孔漏風；對于封孔手段，若鉆孔中填充的封孔材料的壓力（注漿壓力）不足以與鉆孔內(nèi)壁充分接觸，在抽采瓦斯時，封孔材料與孔壁之間形成的裂隙為鉆孔提供漏風條件。當對傾角鉆孔進行封孔注漿時，若封孔方式不當，未能做好孔口的封堵，則封堵材料會流失，從而導(dǎo)致封堵材料與孔壁接觸不良而產(chǎn)生漏風通道。另外，若封孔材料本身就存在一些缺陷，如封孔材料可塑性交叉、凝固易收縮等自身問題，即使封孔注漿方法得當，則隨時間的增加，也會產(chǎn)生漏風通道。封孔段材料與鉆孔壁接觸不良漏風示意圖如圖6。

圖6 封孔段材料與鉆孔壁接觸不良漏風示意圖Fig.6 Schematic diagram of air leakage in poor contact between sealing section material and the drilling wall

2）封孔材料內(nèi)部破裂導(dǎo)致漏風。封孔材料內(nèi)部也會因為自身的缺陷導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，而導(dǎo)致內(nèi)部產(chǎn)生裂隙的一個原因是材料內(nèi)氣泡較多；其次，凝固過程中，材料因收縮干裂產(chǎn)生裂縫，進而形成漏風現(xiàn)象。當進行抽采時，漏風通道往往出現(xiàn)在封孔段，從而發(fā)生漏風。此外，在抽采過程中，由于鉆孔周圍煤體的變形和位移，封孔材料受到擠壓破壞而產(chǎn)生宏觀裂隙，也會導(dǎo)致封孔失效。鉆孔封孔段材料缺陷漏風示意圖如圖7。

圖7 鉆孔封孔段材料缺陷漏風示意圖Fig.7 Schematic diagram of air leakage due to material defects in drilling and sealing section

1.3 示蹤氣體檢測鉆孔漏風分布規(guī)律

1.3.1 SF6示蹤氣體測漏風原理和測定方案

由于井下巷道不含有SF6，在待測鉆孔周圍新打鉆孔或相鄰鉆孔處以恒定流量釋放SF6，在負壓抽采條件下，示蹤氣體與負壓引流進鉆孔的巷道空氣混合向抽采鉆孔處進行擴散，一段時間之后，示蹤氣體會均勻分布在釋放鉆孔。最終，隨著風流向著抽采鉆孔處運動。在待測鉆孔處使用便攜氣體檢測儀檢測是否存在漏風，通過釋放點和接收點之間的距離、釋放SF6到檢測出SF6的時間差，可計算出鉆孔漏風速率。

由于巷道風流稀釋SF6，導(dǎo)致檢測鉆孔漏風困難，需采取更恰當?shù)姆椒▉泶_保SF6均勻地分布在待測鉆孔中，并保證井下工作人員的安全。基于以上因素，可選擇1 個待測鉆孔作為檢測點，在距其周邊開挖新的鉆孔（孔徑94 mm），封堵孔口并預(yù)留進氣口，然后釋放一定量的SF6到待測鉆孔中，使用SF6氣體檢測儀檢測是否存在漏風。該方法能夠排除其他干擾因素，以確保了漏風來源的準確性，檢測鉆孔漏風示意圖如圖8。

圖8 井下SF6 示蹤氣體檢測鉆孔漏風示意圖Fig.8 Schematic diagram of downhole SF6 tracer gas detection of drilling gas leakage

為了對井下抽采鉆孔漏風進行調(diào)查研究，以進一步判斷鉆孔存在的漏風通道，采用SF6檢測漏風，研究鉆孔漏風的分布規(guī)律。具體方法：在新開鉆孔時使用SF6氣體釋放裝置向鉆孔中注入一定量的氣體，并在待測鉆孔處使用便攜式氣體檢測儀進行檢測，據(jù)此計算鉆孔漏風速率，以分析抽采鉆孔的漏風規(guī)律。

1.3.2 檢測結(jié)果

現(xiàn)場對鉆孔周邊的不同位置釋放示蹤氣體，并進行觀測。通過對釋放點釋放示蹤氣體的初始時間、待測鉆孔接收到示蹤氣體的最終時間以及釋放點與待測點之間的直線距離的記錄，可以定量計算出抽采鉆孔周邊的漏風速率。

首先，根據(jù)工作面的布置情況來確定鉆孔的漏風位置，并在相應(yīng)位置布置SF6釋放裝置和采樣點；之后，釋放SF6并在采樣點進行氣樣采集和分析。通過判斷氣樣中SF6的出現(xiàn)時間及最小漏風速度，得出鉆孔漏風通道的位置和漏風速度υ。

式中：L為漏風源到漏風檢測鉆孔之間的直線距離，m；t為示蹤氣體釋放到檢測出SF6的時間差，s。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析計算得到的煤礦井下215運輸巷本煤層預(yù)抽鉆孔的漏風速率如圖9。

圖9 鉆孔周邊漏風速率計算結(jié)果Fig.9 Calculation results of air leakage rate around borehole

結(jié)合215 工作面及鉆孔周邊裂隙發(fā)育規(guī)律，初步分析可得：通過5 個測點釋放SF6，最終檢測出5 個測點的SF6氣體滲流速度，說明了釋放點與檢測點之間存在漏風通道，距離檢測點越近，鉆孔漏風速率越大。其中，5 個釋放點最小漏風速率在0.19～0.68 m/min 之間，平均速率為0.41 m/min；結(jié)合1#～5#鉆孔之間距離和漏風速率可知，最大釋放點與接受點之間的距離為4.35 m，經(jīng)監(jiān)測該釋放點的漏風速率為0.19 m/min，說明待測鉆孔的漏風范圍大于4.35 m。

2 煤氧化特性實驗條件及過程

1）實驗裝置。實驗采用西安科技大學(xué)自主搭建的煤自燃程序升溫-氣相色譜聯(lián)用系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)主要由空氣瓶、氮氣瓶、程序升溫箱、煤樣反應(yīng)罐、顯示和控制系統(tǒng)、流量傳感器、溫度檢測系統(tǒng)、氣相色譜儀和計算機等組成。

2）實驗煤樣。實驗所用煤樣采自某礦215 工作面回采工作面的新鮮煤塊，選取后迅速使用隔氧密封袋進行密封，以確保煤樣不會被氧化。將煤樣運送至實驗室，在氮氣氛圍中進行破碎，之后篩分出粒徑為0～<0.9 mm、0.9～<3 mm、3～<5 mm、5～<7 mm、7～10 mm 的煤樣，每種粒徑的煤樣取200 g，制成1 kg 的混合煤樣，共制成5 組，標號1#～5#并密封保存。

3）實驗過程及條件。實驗?zāi)M煤自燃升溫過程，將制備好的混合樣稱重1 kg 后裝入程序升溫箱中的煤樣罐內(nèi)，檢查管路氣密性。在常溫條件下向煤樣罐供風30 min，確保排出煤體中吸附的氣體。通入氣體流量分別為：40、60、80、100、120 mL/min，反應(yīng)爐升溫速率設(shè)定為0.3 ℃/min，氣源采用空氣泵壓縮空氣供風，程序升溫實驗條件見表1。

表1 程序升溫實驗條件Table 1 Temperature programming experiment conditions

3 實驗結(jié)果

3.1 氣體產(chǎn)物生成規(guī)律

不同風量條件下氧化氣體產(chǎn)物的體積分數(shù)隨煤溫變化的曲線如圖10～圖12。

圖10 CO 體積分數(shù)隨煤溫的變化曲線Fig.10 Variation curves of CO volume fraction with coal temperature

由圖10 可以看出：隨著煤溫升高，CO 產(chǎn)生量呈指數(shù)級增加；在初期升溫階段，少量CO 產(chǎn)生，主要是由于低溫氧化反應(yīng)導(dǎo)致的，因為在原煤中不含CO；隨后CO 體積分數(shù)隨溫度升高而快速增長，表明煤樣臨界溫度在60～70 ℃之間；在80～140 ℃溫度范圍內(nèi)，CO 體積分數(shù)隨風量的增加而逐漸降低，說明適當減少風量有助于促進煤氧復(fù)合反應(yīng)，但風量過大會稀釋氣體濃度；當煤溫約達到140 ℃時，5 條曲線收斂于1 個點，表明在此溫度下，煤自燃氧化反應(yīng)受溫度和風量的影響相同。然而，隨著風量的增加，CO 體積分數(shù)明顯上升，表明風量成為主要影響氧化反應(yīng)速率的因素。

根據(jù)圖11 可知：CO2體積分數(shù)的變化趨勢與CO 體積分數(shù)類似；在低溫階段，5 組煤樣產(chǎn)生了少量CO2，并主要是由低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生的；隨著煤溫升高，CO2體積分數(shù)逐漸增加；在70～140 ℃之間，CO2體積分數(shù)隨供風量增加而逐漸降低，這表明在此溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的氣體產(chǎn)品被稀釋和散熱的作用占主導(dǎo)；當溫度超過140 ℃時，CO2體積分數(shù)與供風量成正比關(guān)系并急劇上升，這表明在此階段，氧化、分解作用的強度超過了稀釋和散熱的作用，打破了三者之間的平衡，從而開始大量生成CO2氣體。

圖11 CO2 體積分數(shù)隨煤溫的變化曲線Fig.11 Variation curves of CO2 volume fraction with coal temperature

由圖12 可以看出：煤樣的CH4體積分數(shù)隨著煤溫升高而增加，這是因為原始煤層中存在CH4，實驗初期煤樣中的吸附CH4開始解吸，并且隨著煤樣氧化溫度的升高，煤氧復(fù)合反應(yīng)加快，導(dǎo)致CH4氣體生成量急劇增加；在80 ℃，CH4體積分數(shù)出現(xiàn)波動，隨著煤溫的上升，供風量越大，CH4體積分數(shù)越高，即供風量與CH4體積分數(shù)呈負相關(guān)；當煤溫達到140 ℃左右時，5 條曲線相交于1 點，表明此時溫度對CH4生成的促進作用更強，而風量的遏制和稀釋作用減小，這2 種作用達到了平衡。隨著煤溫的升高，煤樣的熱解速度加快，CH4體積分數(shù)隨著風量的增加而急劇上升。

圖12 CH4 體積分數(shù)隨煤溫的變化曲線Fig.12 Variation curves of CH4 volume fraction with coal temperature

3.2 耗氧速率及氣體產(chǎn)生速率分析

不同風量條件下耗氧速率隨煤溫的變化曲線如圖13。

圖13 耗氧速率隨煤溫的變化曲線Fig.13 Variation curves of oxygen consumption rate with coal temperature

由圖13 可以看出：在整個實驗過程中，煤的耗氧速率呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，并且隨著溫度的上升，增長趨勢呈現(xiàn)出加速的趨勢；在70 ℃之前，煤的耗氧速率基本不受風流量的影響，保持在相對較低的水平，這是因為在低溫階段，煤與氧氣之間的反應(yīng)主要以吸附為主導(dǎo)，且煤的氧化消耗量較小，因此耗氧速率較慢；而在80～170 ℃的溫度范圍內(nèi)，煤與氧氣之間的反應(yīng)逐漸加劇，耗氧速率的增長趨勢呈指數(shù)增長，且隨風流量的增加而不斷上升，在此階段，煤與氧氣的反應(yīng)速度較快，消耗的氧氣量也非常大，因此隨著風流量的增加，反應(yīng)速度會變得越來越快。

不同風量條件下CO、CO2產(chǎn)生速率與煤溫之間的變化關(guān)系如圖14、圖15。

圖14 CO 產(chǎn)生速率隨煤溫變化曲線Fig.14 Variation curves of CO production rate with coal temperature

圖15 CO2 產(chǎn)生速率隨煤溫變化曲線Fig.15 CO2 production rate variation curves with coal temperature

由圖14～圖15 可以看出：工作面CO、CO2產(chǎn)生速率有明顯規(guī)律，二者產(chǎn)生率都隨煤溫升高而加快，隨風量的增加而加快，該現(xiàn)象是因為隨著煤溫的上升，煤分子活性結(jié)構(gòu)增多，風量越大越容易與煤體發(fā)生氧化反應(yīng)，與氧氣發(fā)生反應(yīng)的活性結(jié)構(gòu)越多，氧化能力越強，則氣體產(chǎn)物生成速率越大。

3.3 煤自燃特性參數(shù)與風量的關(guān)系

在不同供風量條件下，對煤溫和煤體的耗氧速率進行擬合，其三維曲面擬合圖如圖16。

分析可知，當供風量一定時，煤體的耗氧速率隨煤體溫度的升高而增加，其擬合關(guān)系式為：

式中：x為煤體的溫度，℃；y為煤體升溫所需的供風量，mL/min；z1為煤與氧氣反應(yīng)耗氧量源項。

在不同供風量條件下，對煤溫和煤體CO 產(chǎn)生速率進行擬合，其三維曲面擬合圖如圖17。

分析可知，當供風量一定時，煤體CO 產(chǎn)生率隨煤體溫度的升高而增加，其擬合關(guān)系式為：

式中：z2為煤與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生CO 的源項。

4 結(jié) 語

1）通過研究巷道和鉆孔周邊的應(yīng)力及裂隙分布規(guī)律，進而探究鉆孔周圍裂隙的形態(tài)分布特征，并以此作為依據(jù)，得出瓦斯抽采鉆孔漏風的原因。按鉆孔漏風原因分析，可將鉆孔漏風方式分為：巷道煤壁側(cè)漏風、鉆孔裂隙漏風及封孔段漏風。

2）現(xiàn)場對抽采鉆孔進行漏風測試，結(jié)果表明：5 個釋放點最小漏風速率介于0.19～0.68 m/min 之間，平均漏風速率為0.41 m/min；5#釋放點距待測點距離最遠為4.35 m，其漏風速率為0.19 m/min，即待測鉆孔的漏風范圍應(yīng)大于4.35 m。

3）通過程序升溫實驗研究得到了煤氧化的耗氧速率、氣體產(chǎn)生率等特性參數(shù)隨煤溫和供風量變化的函數(shù)關(guān)系式。