陳 立,郭鑫禾,武江河

(河北工程大學(xué)資源學(xué)院,河北邯鄲056038)

綜采放頂煤工藝的廣泛應(yīng)用,在提高煤礦經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí),也加劇了采空區(qū)遺煤的自燃,嚴(yán)重影響了礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。而且不同的礦區(qū)和煤層,其預(yù)測(cè)指標(biāo)和“三帶”劃分依據(jù)也并不相同[4-5]。孫勇[6]以采空區(qū)溫度和O2濃度為依據(jù),利用數(shù)值模擬方法確定了采空區(qū)自燃“三帶”范圍;魏引尚[7-8]以CO作為自燃“三帶”預(yù)測(cè)指標(biāo)和劃分依據(jù)來(lái)分析確定自燃“三帶”位置;尚秀廷[9]以采空區(qū)風(fēng)速、O2濃度為依據(jù),對(duì)輕放面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分,并確定了輕放面采空區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域。針對(duì)小屯礦煤炭自燃的諸多影響條件及其復(fù)雜性,在煤樣氧化熱解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,采用氣體采樣系統(tǒng),對(duì)采空區(qū)的氣體成分進(jìn)行了分析,以C2H2作為指標(biāo)預(yù)測(cè)該礦自燃“三帶”范圍,為該礦區(qū)遺煤自燃“三帶”的劃分提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 氧化熱解實(shí)驗(yàn)

在小屯礦14252工作面采集新鮮煤樣9個(gè),現(xiàn)場(chǎng)封裝;為了保證煤樣的充分氧化熱解,將煤樣制成2～10mm的顆粒,裝入氧化熱解裝置的煤樣加熱管,進(jìn)行氧化熱解實(shí)驗(yàn)。

1.2 自燃“三帶”測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1.2.1 采樣系統(tǒng)的制作

采樣系統(tǒng)由采樣器、輸氣管和抽氣泵組成。氣體采樣器用直徑150mm,壁厚5mm,長(zhǎng)500mm的鋼管焊接而成,如圖1所示。管壁上打10mm孔60個(gè),管壁內(nèi)焊接襯墊16目不銹鋼金屬絲網(wǎng),采樣器一側(cè)焊接有鋁塑管接頭。濾芯和外筒為濾塵器,其技術(shù)要求如下:

(1)濾塵器外筒用直徑168mm的鋼管制作,進(jìn)氣眼直徑5mm,數(shù)量不少于50個(gè);

(2)濾芯直徑100mm,濾芯骨架上包裹兩層直徑120mm不銹鋼篩網(wǎng);

(3)接頭處管頭帶絲扣,要求能與6mm鋁塑管的管件螺紋聯(lián)結(jié)。

采空區(qū)抽樣氣體輸氣管采用高強(qiáng)度鋁塑管,直徑18mm;內(nèi)外壁為高強(qiáng)度塑料,中間夾層為鋁合金;抽氣泵是整個(gè)氣體采集系統(tǒng)的動(dòng)力裝置,試驗(yàn)選用了2X-8型旋片真空泵。

1.2.2 測(cè)點(diǎn)的布置

為了檢測(cè)采空區(qū)氧化熱解氣體成分變化情況,按照采樣測(cè)點(diǎn)設(shè)置的總要求和原則[10],在工作面上、下端頭和工作面采空區(qū)分別布置測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)均埋設(shè)氣體采樣器。

1號(hào)測(cè)點(diǎn)分別在工作面上端頭敷設(shè),2、3、4、5、6號(hào)測(cè)點(diǎn)采用沿工作面傾向均勻敷設(shè)的方法,在輕放支架底放溜槽后部采空區(qū)布設(shè),7號(hào)測(cè)點(diǎn)在工作面下端頭敷設(shè)(圖2)。

2 測(cè)定結(jié)果與分析

2.1 氧化熱解實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到14252工作面煤樣氧化熱解產(chǎn)生的CO、C2H2兩種氣體隨溫度的變化情況(圖3)。當(dāng)煤溫升至80℃～120℃后,解析出以C2H2為主的烯烴類(lèi)氣體產(chǎn)物,而礦井空氣中一般不含C2H2。因此,C2H2可作為小屯礦14252工作面遺煤自燃的主要預(yù)測(cè)指標(biāo),只要在井下空氣中檢測(cè)到C2H2氣體,即可說(shuō)明已有煤炭自燃。CO在100℃～120℃段曲線(xiàn)單調(diào)遞減,從120℃又開(kāi)始增加,其隨溫度變化不定,可作為輔助判斷指標(biāo)。

2.2 自燃“三帶”測(cè)定實(shí)驗(yàn)

利用自制的氣體采樣系統(tǒng),得到小屯礦14252綜放面采空區(qū)的氣體成分變化的數(shù)據(jù),如圖4所示。

由圖4可以看出除4#和6#測(cè)點(diǎn)在距工作面為40m時(shí)才發(fā)現(xiàn)C2H2氣體外,其余測(cè)點(diǎn)均在距工作面為30～127m范圍內(nèi)出現(xiàn)。由此可知:(1)在仰斜開(kāi)采條件下,小屯礦14254綜放面采空區(qū)的自燃帶為距工作面30～127m的范圍,自燃帶的寬度為97m;(2)在距工作面小于30m的范圍內(nèi),未發(fā)現(xiàn)C2H2氣體,說(shuō)明這個(gè)范圍內(nèi)漏風(fēng)、散熱條件較好,煤的氧化作用不強(qiáng),耗氧量低,為散熱帶;(3)在距工作面大于127m的范圍內(nèi),也未出現(xiàn)C2H2氣體,進(jìn)入窒息帶。

此外對(duì)CO、CO2、CH4的實(shí)測(cè)結(jié)果分析表明,在距工作面40～110m之間,其濃度急劇增加,尤其在62～89m范圍內(nèi),煤炭氧化比較劇烈,各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)波峰。

3 結(jié)論

1)確定C2H2為小屯礦14252綜放面遺煤自燃預(yù)測(cè)的主要指標(biāo),并將其含量作為該礦采空區(qū)遺煤自燃“三帶”的劃分依據(jù);CO氣體可作為預(yù)測(cè)遺煤自燃的輔助指標(biāo),需配合主要預(yù)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行綜合判定。

2)對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行采樣分析,得到自燃“三帶”的分布范圍:散熱帶0～30m,自燃帶30～127m,窒息帶＞127m。該數(shù)據(jù)為峰峰礦區(qū)的采空區(qū)遺煤自燃“三帶”范圍的劃分提供了參考。

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