吳恩全

(陜西有色榆林煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000)

礦井火災是我國煤礦面臨的主要災害之一,近年來煤礦井下自燃火災事故和因煤自燃誘發(fā)的瓦斯爆炸事故表明,未能及時發(fā)現煤自燃早期征兆和未能及早采取預防措施是主要的致災原因[1-4]。在煤氧化生成的氣體中,CO體積分數與煤溫存在一定規(guī)律性的對應關系[5],具有非常高的規(guī)律性、敏感性和可測性,雖然CO也容易受外界環(huán)境的影響,如井下爆破、汽車尾氣、老火區(qū)氣體運移等,但可以通過現場分析排除或者結合CO體積分數變化趨勢來進行監(jiān)測預警[6-8]。長期以來,國內外對煤炭自燃所產生的標志性氣體進行的大量實驗研究表明,CO在一定程度上可以預測預報采空區(qū)遺煤自然發(fā)火[9-11]。《煤礦安全規(guī)程》和《煤礦防滅火細則》中要求礦井開采容易自燃和自燃煤層時,必須根據CO指標或采空區(qū)溫度確定自然發(fā)火預警閾值,實現煤自然發(fā)火的早期預測預報。

通過分析國內外學者的研究成果可知[12-17],目前確定CO指標臨界值一般是根據實驗測試和現場觀測得到。由于實驗測試與井下現場環(huán)境存在較大差距,現場觀測一般也不能直接得到煤自燃CO指標臨界值?；诖?本文以紅石巖煤礦2號煤層12408工作面為研究對象,通過實驗室模擬和煤礦現場觀測獲取煤層自燃特性和現場參數條件,利用建立的數學預測模型,確定煤自燃標志氣體CO指標臨界值,為礦井采空區(qū)自然發(fā)火的早期預測預報提供指導。

1 CO指標臨界值的確定方法

對于未發(fā)生過煤自然發(fā)火現象的礦井,現場觀測只能得到煤在低溫氧化階段的CO體積分數指標,煤自燃高溫階段的CO體積分數指標需要通過實驗和建模預測得到。本文提出的CO指標臨界值確定方法是在煤程序升溫氧化過程實驗研究的基礎上,對煤層回采工作面現場進行考察,分析現場自然發(fā)火標志氣體的變化規(guī)律。結合礦井生產條件參數分析工作面CO來源,推導出基于實驗條件下氣體產生速率的CO體積分數指標預測數學模型,計算得出煤層工作面回風隅角CO安全管理濃度及煤層自然發(fā)火標志氣體臨界值,并以紅石巖煤礦作為試驗礦井進行實例應用。

2 實驗室分析研究

利用程序升溫實驗研究煤自燃過程中各種氣體產物與煤溫的對應關系,為現場預測氣體指標提供數據基礎。

2.1 實驗方法和結果

煤樣取自紅石巖煤礦2號煤層12408工作面,剝去其表面氧化層后破碎篩分為100目作為實驗煤樣,將50 g粒徑小于100目的煤樣裝入罐內,持續(xù)通入100 mL/min的干空氣,升溫速率設置為1.0 ℃/min,進行煤自燃程序升溫試驗,得到實驗結果如表1所示。

2.2 實驗結果分析

1) CO在40 ℃時開始出現,靈敏性強,其濃度隨著煤溫變化呈現階段性變化規(guī)律,根據CO氣體濃度以及其變化速率可推測得到當前煤自燃程度以及煤溫。

2) C2H4從90～100 ℃時開始出現,表明測試煤樣所代表的煤層局部進入了加速氧化階段,必須采取切實有效的防滅火措施,否則煤的自燃過程將不可逆轉。

3) 在實驗溫度內,沒有檢測到C2H2,說明一旦C2H2出現,煤溫已經超過200 ℃,煤層局部可能出現明火。

表1 紅石巖煤礦2號煤層煤樣升溫氧化氣體產物體積分數記錄表/10-6

3 現場氣體考察分析

現場氣體考察能夠更加直觀地獲取在生產條件下工作面煤自燃標志氣體的變化規(guī)律和主要來源,其主要方法是考察工作面上隅角、回風巷、采空區(qū)內部氣體成分的變化規(guī)律(主要是CO指標氣體的變化規(guī)律),以此來確定煤礦現場自然發(fā)火標志氣體。

3.1 現場考察結果

對12408工作面回采期間回風隅角和回風巷氣體進行為期30 d的采樣分析,在此期間12408回采工作面回風隅角和回風巷CO一直為0.12408工作面回風隅角和回風流溫度如圖1所示,穩(wěn)定在18～20 ℃之間,綜合分析表明,在正常生產條件下,紅石巖2號煤層氧化比較平緩,基本上沒有CO產生。

3.2 考察結果分析

通過對試驗煤層12408綜采工作面回風隅角和回風巷氣體成分進行分析發(fā)現,在正?；夭蛇^程中,回風隅角幾乎檢測不到CO氣體的存在。從以往的礦井人工取樣分析可知,礦井在正常開采中也沒有出現工作面回風隅角CO超限現象,說明試驗煤層在常溫下發(fā)生低溫氧化產生CO,但由于煤礦現場地質條件等各方面原因,試驗煤層未出現劇烈氧化現象,導致CO體積分數較小,幾乎檢測不到。這也和氧化升溫試驗中試驗煤樣在30 ℃溫度下就產生CO,但出現的體積分數值非常低的現象基本吻合。在現場實際檢測過程中,偶爾發(fā)現體積分數極小的C2H6和C3H8氣體,經分析認為可能是煤層原生賦存的氣體。結合煤層實驗室分析,可以確定將CO氣體作為煤層早期自燃預報的標志氣體。

考慮研究生自入學開始已經或多或少進入課題和實驗室,“納米材料”課程開設時間是研究生入學后第一學期,因此課程目標還包括課堂分析科研成果案例,并進行小組討論實現思維碰撞。同時利用課下活動時間,組織研究生進入學院科研團隊實驗室了解基本實驗方法、操作與設備等,從而引導學生加入科學研究最前沿的“陣地”,在聽到“炮火聲”的地方,激發(fā)學生對科研的熱情,教給學生專業(yè)的科研方法。

圖1 工作面各地點溫度變化

4 CO體積分數指標預測模型

煤自燃是一個復雜的非線性動態(tài)過程,根據相關研究可知,煤自燃過程中存在一個臨界溫度點,是劃分煤緩慢氧化階段和加速氧化階段的分界點,一般在60～90 ℃之間,因此,計算煤自燃達到臨界溫度時所對應的CO產生速率,并結合其他參數進行煤自燃的早期預報預警,對制定煤自燃防滅火措施具有重要意義[18-19]。

4.1 煤樣CO產生速率

根據煤自燃程序升溫實驗結果,計算煤樣CO產生速率。沿煤樣罐中心軸處dx煤樣的CO產生率為:

SVCOdx=qdc

(1)

式中:S為煤樣罐的橫截面積,cm2;VCO為某一溫度下煤樣產生CO的速率,mL/(min·m3);q為煤樣罐中通氣量,mL/min;c為某一溫度下煤樣產生CO量,10-6.

將式(1)兩邊分別積分可得:

(2)

式中:c2、c1分別為煤樣罐進出口氣體中CO產生量,10-6;L為煤樣罐的裝煤高度,cm.

由式(1)、式(2)可以得到:

(3)

4.2 建立預測模型

工作面正常開采條件下,忽略井下爆破作業(yè)、膠輪車尾氣產生的影響,工作面回風隅角CO氣體主要來源于采空區(qū)內遺煤長期低溫氧化產生。為了計算方便,將回采過程中破碎的煤體理想化為采空區(qū)散熱帶的遺煤量,將采空區(qū)的長期遺煤理想化為采空區(qū)內氧化帶的遺煤量,則工作面回風隅角CO氣體可近似地認為是采空區(qū)散熱帶和氧化帶的遺煤氧化產生。代入采空區(qū)散熱帶和氧化帶遺煤不同的氧化修正系數,對應不同溫度條件下的CO氣體產生率,可以建立預測正常開采條件下的工作面回風隅角CO體積分數數學模型如下[20]:

CCO=(V1+V2)/QL

(4)

采空區(qū)散熱帶和氧化帶遺煤氧化的CO生成量由下式計算:

采空區(qū)散熱帶煤體氧化CO產生量:

V1=K1L1IH(1-φ)VCO

(5)

采空區(qū)氧化帶遺煤氧化CO產生量:

V2=K2L2IH(1-φ)VCO

(6)

由式(4)、式(5)和式(6)相結合可以得到:

(7)

式中:K1為采空區(qū)散熱帶氧化修正系數,取0.5～0.7;L1為采空區(qū)散熱帶的寬度,m;K2為采空區(qū)氧化帶氧化修正系數,綜采面取0.1～0.3;L2為采空區(qū)氧化帶的寬度,m;I為工作面長度,m;H為工作面采高,m;φ為工作面回采率,%;Q為工作面供風量,m3/min;η為工作面漏風率,一般取0.06～0.1.

假設工作面回風巷道漏風忽略不計,則工作面回風巷CO體積分數指標預測數學模型為:

(8)

式中:CCOl為工作面回風巷CO體積分數。

5 CO指標臨界值確定

根據試驗煤層氧化升溫實驗和現場考察綜合分析可知,在溫度為30～50 ℃時,CO生成量較小,但CO產生速率上升較大,當溫度超過60 ℃時,CO生成量急劇增加,產生速率迅速上升,表明此時煤樣氧化的速度加快,在此階段之前是煤炭自燃早期預測預報與防治的最佳時機。當溫度達到90～100 ℃時,開始出現C2H4氣體,說明煤樣進入了加速氧化自燃階段。因此,將60 ℃和90 ℃作為試驗煤層自然發(fā)火預測預報的關鍵臨界溫度點,利用推導出的CO體積分數指標預測模型計算該臨界溫度下回風隅角和回風巷的CO臨界值。

12408綜采工作面長度140.8 m,采高H=3.1 m,工作面回采率為95%.根據該煤層的采空區(qū)自燃“三帶”實測數據和現場氣體考察結果,散熱帶寬度取30 m,修正系數取0.5,氧化帶寬度取100 m,修正系數取0.1.工作面風量為1 100 m3/min,采空區(qū)漏風率按照6%計算,則漏風量為66 m3/min.

根據以上分析,結合煤自燃程序升溫實驗結果,代入工作面既定參數,得到試驗工作面回風隅角和回風巷CO體積分數指標預測值如表2所示。

表2 試驗工作面CO體積分數指標臨界值預測計算值

根據表2預測結果可知,當試驗工作面回風隅角CO體積分數小于27.94×10-6或回風巷CO體積分數小于1.68×10-6時,工作面采空區(qū)遺煤處于緩慢氧化階段;若回風隅角CO體積分數超過464.92×10-6或回風巷CO體積分數超過27.9×10-6時,說明采空區(qū)遺煤開始進入加速氧化階段。據此,可以確定在正常開采條件下,試驗工作面回風隅角和回風巷CO安全管理濃度分別為27×10-6、2×10-6,CO自燃指標臨界值分別為465×10-6、28×10-6.

6 結 語

通過建立數學預測模型,結合實驗測試和現場考察,研究了基于氣體生成速率的煤自燃CO指標臨界值確定方法,并在紅石巖煤礦進行了應用,得到了試驗煤層煤自燃CO指標臨界值,取得主要結論如下:

1) 提出了一種基于氣體生成速率的煤自燃CO指標臨界值確定方法,該方法是在實驗室煤樣自燃標志氣體優(yōu)選結果的基礎上,對煤層回采工作面現場進行考察,統計分析礦井日常的自然發(fā)火指標觀測數據。當現場考察無法得出指標臨界值時,通過理論分析建立預測數學模型,可以直接計算預測工作面回風隅角CO的安全管理濃度以及自燃臨界值。

2) 根據實驗條件和煤礦現場參數,建立了煤樣CO產生速率計算模型和CO指標臨界值預測模型,可計算預測在不同煤溫不同地點的CO產生速率和CO臨界值,為礦井早期煤自燃預測預報工作提供指導。

3) 應用該方法確定了紅石巖煤礦12408綜采工作面回風隅角和回風巷的CO安全管理濃度分別為27×10-6、2×10-6,CO自燃指標臨界值分別為465×10-6、28×10-6,保障了礦井現場防滅火工作的順利進行。