| 煤礦煤層自然發火規律研究--重在參詳采空區、指標氣體、自然“三帶”等 | |||
導讀：[柳塔煤礦1-2煤層自然發火規律研究]為掌握柳塔煤礦1-2煤層的自然發火規律,實驗研究了1-2煤層煤自燃特性基礎參數及指標性氣體,得出CO可作為1-2煤層煤自燃早期預測預報的指標性氣體。現場對12201綜采工作面采空區進行煤自燃三帶測試,分析O2和CO 2種主要氣體濃度隨時間和推進度變化規律,得到以O2臨界濃度為標準劃分的1-2煤層煤自燃氧化帶范圍為從工作面向采空區深部48～150 m。
含硫量/%自燃傾向性等級自燃傾向性1－2煤0．950．86Ⅰ容易自燃粒50g作為實驗煤樣。2)實驗過程。將50g粒度為0．18～0．42mm的煤樣置于銅質煤樣罐內，將煤樣罐置于程序控溫箱內，然后連接好進氣氣路、出氣氣路和溫度探頭，并檢查氣路的氣密性。測試時向煤樣內通入50mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對煤樣進行加熱，當達到指定測試溫度時，恒定溫度5min后采取氣樣進行氣體成分和濃度分析。3)指標氣體分析。對1－2煤層煤樣實驗過程中的氣體生成情況進行分析，得出其濃度變化趨勢如圖1、圖2。圖1CO、CO2變化趨勢圖2CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8變化趨勢圖從圖1、圖2可以看出，1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過程中有規律的出現CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢;而在上述溫度范圍內煤樣沒有生成C2H2氣體。CO、CO2、CH43種氣體均在30℃時出現，CH4的生成量相對較小，CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達到70℃之后其生成量迅速增加，該溫度下煤開始迅速氧化，物理吸附已經越來越弱而化學吸附和化學反應則占據主要位置。30℃時出現少量的C3H8，70℃時出現C2H6，濃度不大但隨溫度升高呈現有規律的變化;C2H4出現的最晚，90℃時出現并呈現出有規律的變化。C2H2在整個過程中都沒有出現，說明其出現的溫度高于200℃，一旦有C2H2出現則表明煤已經發生劇烈的化學反應。綜上，1－2煤層應以CO作為指標性氣體，并輔以C2H4、C2H2來掌握煤炭自燃情況;CO的出現說明煤已經開始發生氧化反應，C2H4?
等級自燃傾向性1－2煤0．950．86Ⅰ容易自燃粒50g作為實驗煤樣。2)實驗過程。將50g粒度為0．18～0．42mm的煤樣置于銅質煤樣罐內，將煤樣罐置于程序控溫箱內，然后連接好進氣氣路、出氣氣路和溫度探頭，并檢查氣路的氣密性。測試時向煤樣內通入50mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對煤樣進行加熱，當達到指定測試溫度時，恒定溫度5min后采取氣樣進行氣體成分和濃度分析。3)指標氣體分析。對1－2煤層煤樣實驗過程中的氣體生成情況進行分析，得出其濃度變化趨勢如圖1、圖2。圖1CO、CO2變化趨勢圖2CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8變化趨勢圖從圖1、圖2可以看出，1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過程中有規律的出現CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢;而在上述溫度范圍內煤樣沒有生成C2H2氣體。CO、CO2、CH43種氣體均在30℃時出現，CH4的生成量相對較小，CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達到70℃之后其生成量迅速增加，該溫度下煤開始迅速氧化，物理吸附已經越來越弱而化學吸附和化學反應則占據主要位置。30℃時出現少量的C3H8，70℃時出現C2H6，濃度不大但隨溫度升高呈現有規律的變化;C2H4出現的最晚，90℃時出現并呈現出有規律的變化。C2H2在整個過程中都沒有出現，說明其出現的溫度高于200℃，一旦有C2H2出現則表明煤已經發生劇烈的化學反應。綜上，1－2煤層應以CO作為指標性氣體，并輔以C2H4、C2H2來掌握煤炭自燃情況;CO的出現說明煤已經開始發生氧化反應，C2H4出現說明煤溫已達到90℃?
圖3采空區“三帶”測試示意圖采空區氣體和煤自燃“三帶”進行了觀測和分析，并對工作面的推進度每天進行統計。采空區氧氣濃度隨時間和推進度的變化趨勢如圖4、圖5。圖4測點O2濃度隨時間變化趨勢從圖4可知，回順O2濃度較膠運O2濃度下降快，且呈現明顯的規律性。采空區O2濃度的大小反映遺煤氧化的供氧條件，按照遺煤的自燃氧化狀況，將采空區分為散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。目前的劃分依據主要按采空區漏風風速大孝采空區溫升速度與溫度梯度大小和O2濃度3種方法［4］。根據柳塔煤礦具體的氣體成分及參考國內外的劃分依據，將1－2煤層采空區自燃“三帶”以O2濃度為劃分標準并描述為:自工作面向采空區深部O2濃度＞18%的范圍為散熱帶，O2濃度在8%～18%的范圍為氧化帶，O2濃度＜8%的范圍為窒息帶［5］。按照上述劃分標準，從圖5可得各測點所劃分的“三帶”范圍，見表3。圖5測點O2濃度隨推進度的變化表3各測點劃分的“三帶”范圍m測點散熱帶氧化帶窒息帶膠運1#＜7373～186＞186膠運2#＜7171～182＞182回順3#＜2323～123＞123回順4#＜1717～118＞118由表3可知，由膠運1#和回順3#所得氧化帶范圍與膠運2#和回順4#所得氧化帶范圍存在偏差，為了減少偏差，將2個范圍進行擬合分析。以工作面為基準線，由膠運1#和回順3#所得氧化帶范圍為abcd，由膠運2#和回順4#所得氧化帶范圍為ABCD;取2個范圍的疊加部分為最終的氧化帶范圍，即aBCd。取采空區的中軸線為x軸，與氧化帶范圍相交，可得1－2煤層的自燃“三帶”范圍，如圖6。1)從工作面向采空區深部0～48m的范圍為散熱帶。2)48～150m的范圍為氧化帶�！�32·(第44
圖3采空區“三帶”測試示意圖采空區氣體和煤自燃“三帶”進行了觀測和分析，并對工作面的推進度每天進行統計。采空區氧氣濃度隨時間和推進度的變化趨勢如圖4、圖5。圖4測點O2濃度隨時間變化趨勢從圖4可知，回順O2濃度較膠運O2濃度下降快，且呈現明顯的規律性。采空區O2濃度的大小反映遺煤氧化的供氧條件，按照遺煤的自燃氧化狀況，將采空區分為散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。目前的劃分依據主要按采空區漏風風速大孝采空區溫升速度與溫度梯度大小和O2濃度3種方法［4］。根據柳塔煤礦具體的氣體成分及參考國內外的劃分依據，將1－2煤層采空區自燃“三帶”以O2濃度為劃分標準并描述為:自工作面向采空區深部O2濃度＞18%的范圍為散熱帶，O2濃度在8%～18%的范圍為氧化帶，O2濃度＜8%的范圍為窒息帶［5］。按照上述劃分標準，從圖5可得各測點所劃分的“三帶”范圍，見表3。圖5測點O2濃度隨推進度的變化表3各測點劃分的“三帶”范圍m測點散熱帶氧化帶窒息帶膠運1#＜7373～186＞186膠運2#＜7171～182＞182回順3#＜2323～123＞123回順4#＜1717～118＞118由表3可知，由膠運1#和回順3#所得氧化帶范圍與膠運2#和回順4#所得氧化帶范圍存在偏差，為了減少偏差，將2個范圍進行擬合分析。以工作面為基準線，由膠運1#和回順3#所得氧化帶范圍為abcd，由膠運2#和回順4#所得氧化帶范圍為ABCD;取2個范圍的疊加部分為最終的氧化帶范圍，即aBCd。取采空區的中軸線為x軸，與氧化帶范圍相交，可得1－2煤層的自燃“三帶”范圍，如圖6。1)從工作面向采空區深部0～48m的范圍為散熱帶。2)48～150m的范圍為氧化帶�！�32·(第44
圖6“三帶”范圍分析圖3)＞150m的范圍為窒息帶。CO氣體作為1－2煤層煤自燃的指標性氣體，對其研究有著重要的意義。根據實測分析，采空區CO濃度隨時間和推進度的變化趨勢如圖7、圖8。圖7測點CO濃度隨時間變化趨勢圖8測點CO濃度隨推進度的變化從圖7可知，CO濃度的變化都會出現波峰，預測遺煤氧化發生在這個波峰范圍之內。有學者［6］提出在神東特殊的開采條件下，采用CO濃度分布數據作為劃分采空區自然發火“三帶”的依據，且在部分工作面采空區進行了“三帶”劃分。從圖8可知，CO濃度隨推進度的變化并沒有明顯變化規律，因此采用CO濃度臨界值劃分柳塔煤礦1－2煤層采空區煤自燃“三帶”范圍結果不準確。3結論1)通過對煤樣的工業分析和煤自燃傾向性的色譜吸氧法鑒定，得到柳塔煤礦1－2煤層的含硫量為0．86%，吸氧量為0．95cm3/g干煤，為I級容易自燃煤層。2)1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過程中有規律的出現CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢，1－2煤層自燃指標氣體選取CO氣體。3)通過現場布置測試系統分析，得到O2濃度隨時間和推進度變化逐漸降低，而CO濃度沒有比較明顯的變化規律，因此1－2煤層工作面采空區煤自燃“三帶”劃分應以O2濃度臨界值為標準，且“三帶”范圍是:從工作面向采空區深部0～48m的范圍為散熱帶，48～150m的范圍為氧化帶，＞150m的范圍為窒息帶。參考文獻:［1］王德明．礦井火災學［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2008．［2］董建立，鄧五先．安一井S4101工作面采空區自燃“三帶”觀測及防止自然發火的措施［J］．礦業安全與環保，2006，33(4):56－58．［3］
圖6“三帶”范圍分析圖3)＞150m的范圍為窒息帶。CO氣體作為1－2煤層煤自燃的指標性氣體，對其研究有著重要的意義。根據實測分析，采空區CO濃度隨時間和推進度的變化趨勢如圖7、圖8。圖7測點CO濃度隨時間變化趨勢圖8測點CO濃度隨推進度的變化從圖7可知，CO濃度的變化都會出現波峰，預測遺煤氧化發生在這個波峰范圍之內。有學者［6］提出在神東特殊的開采條件下，采用CO濃度分布數據作為劃分采空區自然發火“三帶”的依據，且在部分工作面采空區進行了“三帶”劃分。從圖8可知，CO濃度隨推進度的變化并沒有明顯變化規律，因此采用CO濃度臨界值劃分柳塔煤礦1－2煤層采空區煤自燃“三帶”范圍結果不準確。3結論1)通過對煤樣的工業分析和煤自燃傾向性的色譜吸氧法鑒定，得到柳塔煤礦1－2煤層的含硫量為0．86%，吸氧量為0．95cm3/g干煤，為I級容易自燃煤層。2)1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過程中有規律的出現CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢，1－2煤層自燃指標氣體選取CO氣體。3)通過現場布置測試系統分析，得到O2濃度隨時間和推進度變化逐漸降低，而CO濃度沒有比較明顯的變化規律，因此1－2煤層工作面采空區煤自燃“三帶”劃分應以O2濃度臨界值為標準，且“三帶”范圍是:從工作面向采空區深部0～48m的范圍為散熱帶，48～150m的范圍為氧化帶，＞150m的范圍為窒息帶。參考文獻:［1］王德明．礦井火災學［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2008．［2］董建立，鄧五先．安一井S4101工作面采空區自燃“三帶”觀測及防止自然發火的措施［J］．礦業安全與環保，2006，33(4):56－58．［3］
圖6“三帶”范圍分析圖3)＞150m的范圍為窒息帶。CO氣體作為1－2煤層煤自燃的指標性氣體，對其研究有著重要的意義。根據實測分析，采空區CO濃度隨時間和推進度的變化趨勢如圖7、圖8。圖7測點CO濃度隨時間變化趨勢圖8測點CO濃度隨推進度的變化從圖7可知，CO濃度的變化都會出現波峰，預測遺煤氧化發生在這個波峰范圍之內。有學者［6］提出在神東特殊的開采條件下，采用CO濃度分布數據作為劃分采空區自然發火“三帶”的依據，且在部分工作面采空區進行了“三帶”劃分。從圖8可知，CO濃度隨推進度的變化并沒有明顯變化規律，因此采用CO濃度臨界值劃分柳塔煤礦1－2煤層采空區煤自燃“三帶”范圍結果不準確。3結論1)通過對煤樣的工業分析和煤自燃傾向性的色譜吸氧法鑒定，得到柳塔煤礦1－2煤層的含硫量為0．86%，吸氧量為0．95cm3/g干煤，為I級容易自燃煤層。2)1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過程中有規律的出現CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數上升趨勢，1－2煤層自燃指標氣體選取CO氣體。3)通過現場布置測試系統分析，得到O2濃度隨時間和推進度變化逐漸降低，而CO濃度沒有比較明顯的變化規律，因此1－2煤層工作面采空區煤自燃“三帶”劃分應以O2濃度臨界值為標準，且“三帶”范圍是:從工作面向采空區深部0～48m的范圍為散熱帶，48～150m的范圍為氧化帶，＞150m的范圍為窒息帶。參考文獻:［1］王德明．礦井火災學［M］．徐州:中國礦業大學出版社，2008．［2］董建立，鄧五先．安一井S4101工作面采空區自燃“三帶”觀測及防止自然發火的措施［J］．礦業安全與環保，2006，33(4):56－58．［3］ |
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圖1 （CO、CO2變化趨勢）
圖2（CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8變化趨勢圖）
圖3（采空區“三帶”測試示意圖）
圖4（測點O2濃度隨推進度的變化）
圖5（“三帶”范圍分析圖）
圖6（測點CO濃度隨時間變化趨勢）
圖7（測點 CO 濃度隨推進度的變化）