基于氣體生成速率的煤自燃CO指標(biāo)臨界值確定方法

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(zāi)是我國(guó)煤礦面臨的主要災(zāi)害之一,近年來(lái)煤礦井下自燃火災(zāi)事故和因煤自燃誘發(fā)的瓦斯爆炸事故表明,未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤自燃早期征兆和未能及早采取預(yù)防措施是主要的致災(zāi)原因[1-4]。在煤氧化生成的氣體中,CO體積分?jǐn)?shù)與煤溫存在一定規(guī)律性的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5],具有非常高的規(guī)律性、敏感性和可測(cè)性,雖然CO也容易受外界環(huán)境的影響,如井下爆破、汽車(chē)尾氣、老火區(qū)氣體運(yùn)移等,但可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析排除或者結(jié)合CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警[6-8]。長(zhǎng)期以來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)煤炭自燃所產(chǎn)生的標(biāo)志性氣體進(jìn)行的大量實(shí)驗(yàn)研究表明,CO在一定程度上可以預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)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(xì)則》中要求礦井開(kāi)采容易自燃和自燃煤層時(shí),必須根據(jù)CO指標(biāo)或采空區(qū)溫度確定自然發(fā)火預(yù)警閾值,實(shí)現(xiàn)煤自然發(fā)火的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果可知[12-17],目前確定CO指標(biāo)臨界值一般是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得到。由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試與井下現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在較大差距,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)一般也不能直接得到煤自燃CO指標(biāo)臨界值?；诖?本文以紅石巖煤礦2號(hào)煤層12408工作面為研究對(duì)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬和煤礦現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)獲取煤層自燃特性和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)條件,利用建立的數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,確定煤自燃標(biāo)志氣體CO指標(biāo)臨界值,為礦井采空區(qū)自然發(fā)火的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供指導(dǎo)。

1 CO指標(biāo)臨界值的確定方法

對(duì)于未發(fā)生過(guò)煤自然發(fā)火現(xiàn)象的礦井,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)只能得到煤在低溫氧化階段的CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo),煤自燃高溫階段的CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和建模預(yù)測(cè)得到。本文提出的CO指標(biāo)臨界值確定方法是在煤程序升溫氧化過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,對(duì)煤層回采工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察,分析現(xiàn)場(chǎng)自然發(fā)火標(biāo)志氣體的變化規(guī)律。結(jié)合礦井生產(chǎn)條件參數(shù)分析工作面CO來(lái)源,推導(dǎo)出基于實(shí)驗(yàn)條件下氣體產(chǎn)生速率的CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型,計(jì)算得出煤層工作面回風(fēng)隅角CO安全管理濃度及煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體臨界值,并以紅石巖煤礦作為試驗(yàn)礦井進(jìn)行實(shí)例應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)室分析研究

利用程序升溫實(shí)驗(yàn)研究煤自燃過(guò)程中各種氣體產(chǎn)物與煤溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系,為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)氣體指標(biāo)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)果

煤樣取自紅石巖煤礦2號(hào)煤層12408工作面,剝?nèi)テ浔砻嫜趸瘜雍笃扑楹Y分為100目作為實(shí)驗(yàn)煤樣,將50 g粒徑小于100目的煤樣裝入罐內(nèi),持續(xù)通入100 mL/min的干空氣,升溫速率設(shè)置為1.0 ℃/min,進(jìn)行煤自燃程序升溫試驗(yàn),得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) CO在40 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn),靈敏性強(qiáng),其濃度隨著煤溫變化呈現(xiàn)階段性變化規(guī)律,根據(jù)CO氣體濃度以及其變化速率可推測(cè)得到當(dāng)前煤自燃程度以及煤溫。

2) C2H4從90～100 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn),表明測(cè)試煤樣所代表的煤層局部進(jìn)入了加速氧化階段,必須采取切實(shí)有效的防滅火措施,否則煤的自燃過(guò)程將不可逆轉(zhuǎn)。

3) 在實(shí)驗(yàn)溫度內(nèi),沒(méi)有檢測(cè)到C2H2,說(shuō)明一旦C2H2出現(xiàn),煤溫已經(jīng)超過(guò)200 ℃,煤層局部可能出現(xiàn)明火。

表1 紅石巖煤礦2號(hào)煤層煤樣升溫氧化氣體產(chǎn)物體積分?jǐn)?shù)記錄表/10-6

3 現(xiàn)場(chǎng)氣體考察分析

現(xiàn)場(chǎng)氣體考察能夠更加直觀地獲取在生產(chǎn)條件下工作面煤自燃標(biāo)志氣體的變化規(guī)律和主要來(lái)源,其主要方法是考察工作面上隅角、回風(fēng)巷、采空區(qū)內(nèi)部氣體成分的變化規(guī)律(主要是CO指標(biāo)氣體的變化規(guī)律),以此來(lái)確定煤礦現(xiàn)場(chǎng)自然發(fā)火標(biāo)志氣體。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果

對(duì)12408工作面回采期間回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷氣體進(jìn)行為期30 d的采樣分析,在此期間12408回采工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷CO一直為0.12408工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)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(chǎn)條件下,紅石巖2號(hào)煤層氧化比較平緩,基本上沒(méi)有CO產(chǎn)生。

3.2 考察結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)煤層12408綜采工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷氣體成分進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在正?；夭蛇^(guò)程中,回風(fēng)隅角幾乎檢測(cè)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(kāi)采中也沒(méi)有出現(xiàn)工作面回風(fēng)隅角CO超限現(xiàn)象,說(shuō)明試驗(yàn)煤層在常溫下發(fā)生低溫氧化產(chǎn)生CO,但由于煤礦現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件等各方面原因,試驗(yàn)煤層未出現(xiàn)劇烈氧化現(xiàn)象,導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)較小,幾乎檢測(cè)不到。這也和氧化升溫試驗(yàn)中試驗(yàn)煤樣在30 ℃溫度下就產(chǎn)生CO,但出現(xiàn)的體積分?jǐn)?shù)值非常低的現(xiàn)象基本吻合。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中,偶爾發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)極小的C2H6和C3H8氣體,經(jīng)分析認(rèn)為可能是煤層原生賦存的氣體。結(jié)合煤層實(shí)驗(yàn)室分析,可以確定將CO氣體作為煤層早期自燃預(yù)報(bào)的標(biāo)志氣體。

考慮研究生自入學(xué)開(kāi)始已經(jīng)或多或少進(jìn)入課題和實(shí)驗(yàn)室,“納米材料”課程開(kāi)設(shè)時(shí)間是研究生入學(xué)后第一學(xué)期,因此課程目標(biāo)還包括課堂分析科研成果案例,并進(jìn)行小組討論實(shí)現(xiàn)思維碰撞。同時(shí)利用課下活動(dòng)時(shí)間,組織研究生進(jìn)入學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)室了解基本實(shí)驗(yàn)方法、操作與設(shè)備等,從而引導(dǎo)學(xué)生加入科學(xué)研究最前沿的“陣地”,在聽(tīng)到“炮火聲”的地方,激發(fā)學(xué)生對(duì)科研的熱情,教給學(xué)生專(zhuān)業(yè)的科研方法。

圖1 工作面各地點(diǎn)溫度變化

4 CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型

煤自燃是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)過(guò)程,根據(jù)相關(guān)研究可知,煤自燃過(guò)程中存在一個(gè)臨界溫度點(diǎn),是劃分煤緩慢氧化階段和加速氧化階段的分界點(diǎn),一般在60～90 ℃之間,因此,計(jì)算煤自燃達(dá)到臨界溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的CO產(chǎn)生速率,并結(jié)合其他參數(shù)進(jìn)行煤自燃的早期預(yù)報(bào)預(yù)警,對(duì)制定煤自燃防滅火措施具有重要意義[18-19]。

4.1 煤樣CO產(chǎn)生速率

根據(jù)煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果,計(jì)算煤樣CO產(chǎn)生速率。沿煤樣罐中心軸處dx煤樣的CO產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(jìn)出口氣體中CO產(chǎn)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(yù)測(cè)模型

工作面正常開(kāi)采條件下,忽略井下爆破作業(yè)、膠輪車(chē)尾氣產(chǎn)生的影響,工作面回風(fēng)隅角CO氣體主要來(lái)源于采空區(qū)內(nèi)遺煤長(zhǎng)期低溫氧化產(chǎn)生。為了計(jì)算方便,將回采過(guò)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(zhǎng)期遺煤理想化為采空區(qū)內(nèi)氧化帶的遺煤量,則工作面回風(fēng)隅角CO氣體可近似地認(rèn)為是采空區(qū)散熱帶和氧化帶的遺煤氧化產(chǎn)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(shù),對(duì)應(yīng)不同溫度條件下的CO氣體產(chǎn)生率,可以建立預(yù)測(cè)正常開(kāi)采條件下的工作面回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)數(shù)學(xué)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(jì)算:

采空區(qū)散熱帶煤體氧化CO產(chǎn)生量:

V1=K1L1IH(1-φ)VCO

(5)

采空區(qū)氧化帶遺煤氧化CO產(chǎn)生量:

V2=K2L2IH(1-φ)VCO

(6)

由式(4)、式(5)和式(6)相結(jié)合可以得到:

(7)

式中:K1為采空區(qū)散熱帶氧化修正系數(shù),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(shù),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(zhǎng)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(fēng)量,m3/min;η為工作面漏風(fēng)率,一般取0.06～0.1.

假設(shè)工作面回風(fēng)巷道漏風(fēng)忽略不計(jì),則工作面回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型為:

(8)

式中:CCOl為工作面回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)。

5 CO指標(biāo)臨界值確定

根據(jù)試驗(yàn)煤層氧化升溫實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)考察綜合分析可知,在溫度為30～50 ℃時(shí),CO生成量較小,但CO產(chǎn)生速率上升較大,當(dāng)溫度超過(guò)60 ℃時(shí),CO生成量急劇增加,產(chǎn)生速率迅速上升,表明此時(shí)煤樣氧化的速度加快,在此階段之前是煤炭自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防治的最佳時(shí)機(jī)。當(dāng)溫度達(dá)到90～100 ℃時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)C2H4氣體,說(shuō)明煤樣進(jìn)入了加速氧化自燃階段。因此,將60 ℃和90 ℃作為試驗(yàn)煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵臨界溫度點(diǎn),利用推導(dǎo)出的CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型計(jì)算該臨界溫度下回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷的CO臨界值。

12408綜采工作面長(zhǎng)度140.8 m,采高H=3.1 m,工作面回采率為95%.根據(jù)該煤層的采空區(qū)自燃“三帶”實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)氣體考察結(jié)果,散熱帶寬度取30 m,修正系數(shù)取0.5,氧化帶寬度取100 m,修正系數(shù)取0.1.工作面風(fēng)量為1 100 m3/min,采空區(qū)漏風(fēng)率按照6%計(jì)算,則漏風(fēng)量為66 m3/min.

根據(jù)以上分析,結(jié)合煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果,代入工作面既定參數(shù),得到試驗(yàn)工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)值如表2所示。

表2 試驗(yàn)工作面CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)臨界值預(yù)測(cè)計(jì)算值

根據(jù)表2預(yù)測(cè)結(jié)果可知,當(dāng)試驗(yàn)工作面回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)小于27.94×10-6或回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)小于1.68×10-6時(shí),工作面采空區(qū)遺煤處于緩慢氧化階段;若回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)464.92×10-6或回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)27.9×10-6時(shí),說(shuō)明采空區(qū)遺煤開(kāi)始進(jìn)入加速氧化階段。據(jù)此,可以確定在正常開(kāi)采條件下,試驗(yàn)工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷CO安全管理濃度分別為27×10-6、2×10-6,CO自燃指標(biāo)臨界值分別為465×10-6、28×10-6.

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建立數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)考察,研究了基于氣體生成速率的煤自燃CO指標(biāo)臨界值確定方法,并在紅石巖煤礦進(jìn)行了應(yīng)用,得到了試驗(yàn)煤層煤自燃CO指標(biāo)臨界值,取得主要結(jié)論如下:

1) 提出了一種基于氣體生成速率的煤自燃CO指標(biāo)臨界值確定方法,該方法是在實(shí)驗(yàn)室煤樣自燃標(biāo)志氣體優(yōu)選結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)煤層回采工作面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察,統(tǒng)計(jì)分析礦井日常的自然發(fā)火指標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)考察無(wú)法得出指標(biāo)臨界值時(shí),通過(guò)理論分析建立預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型,可以直接計(jì)算預(yù)測(cè)工作面回風(fēng)隅角CO的安全管理濃度以及自燃臨界值。

2) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件和煤礦現(xiàn)場(chǎng)參數(shù),建立了煤樣CO產(chǎn)生速率計(jì)算模型和CO指標(biāo)臨界值預(yù)測(cè)模型,可計(jì)算預(yù)測(cè)在不同煤溫不同地點(diǎn)的CO產(chǎn)生速率和CO臨界值,為礦井早期煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供指導(dǎo)。

3) 應(yīng)用該方法確定了紅石巖煤礦12408綜采工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷的CO安全管理濃度分別為27×10-6、2×10-6,CO自燃指標(biāo)臨界值分別為465×10-6、28×10-6,保障了礦井現(xiàn)場(chǎng)防滅火工作的順利進(jìn)行。