高突礦井煤炭自燃預測預報指標參數的研究

邢偉德

(河南平寶煤業有限公司,河南省平頂山市,467000)

高突礦井煤炭自燃預測預報指標參數的研究

邢偉德

(河南平寶煤業有限公司,河南省平頂山市,467000)

闡述了煤炭自燃預測預報理論,對平寶公司己組煤層樣進行程序升溫氧化測試,結果表明,煤樣中釋放的CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4等氣體,均不適合作為預報煤炭早期自燃的標志性氣體,但煤樣低溫氧化中火災系數R1和R2在60～80℃時,有拐點特征出現,可作為預報煤炭自燃的早期信號。

煤炭自燃 指標氣體 火災系數

煤炭自燃是礦井主要災害之一,它不僅凍結了煤炭資源,而且危害井下作業人員生命和健康。如果能及時、準確地預測預報煤炭早期自熱,可將煤炭自燃火災處理在萌芽之中,達到防止火災或減少損失的目的。目前,煤炭自燃火災的早期識別和判斷主要依據煤炭自燃過程中析出的氣體成分和氣體濃度的變化。

1 煤炭自燃預測預報理論

煤炭自燃預測預報主要有測溫法和氣體分析法兩種。平寶公司采用氣體分析法對高突煤層自燃預測預報指標參數進行研究,依據煤炭在自熱氧化過程中,放出一定的熱量和熱解釋放出CO、C2H4等氣體的特點,通過檢測分析采掘空間是否發生煤炭自燃,優選適合平寶公司己組煤層的指標氣體,并確定其臨界值,進行煤炭自燃的早期預測預報。

模擬實驗的基本原理是:用一定量的空氣流或氧氣流與裝在一定裝置內的煤樣均勻地充分接觸,同時對煤樣以一定的溫度加熱或程序升溫至一定溫度,分析煤中放出的氣體成分及含量,得出隨溫度升高而變化的規律,從而優選出指標氣體,并建立各種指標氣體含量與煤溫的定量關系圖。應用模擬實驗結果,根據井下氣體組成和含量的變化,即可推知煤炭自熱溫度變化狀況,以達到預測預報煤炭自燃這一目的。

2 實驗過程及實驗結果

2.1 實驗過程

平寶公司礦井井田位于平頂山礦區李口向斜北翼東段,主采煤層為戊9-10煤層和己15及己16-17煤層。礦井主采煤層均具有突出危險性、煤塵爆炸性、自然發火傾向性。其中首采己二采區己組煤層瓦斯含量16.46 m3/t,瓦斯壓力1.38 MPa,自然發火周期79 d,最短32 d。煤樣取自己二采區東翼己15-12010、西翼己16-17-12041采掘工作面新暴露的表面,采樣后立即放入塑料袋中并加以密封,運至實驗室。

煤樣程序升溫氧化實驗前,從裝有原始煤樣的密封袋中抽取一定的氣體進行氣相色譜分析,得到煤樣在升溫氧化前的氣體情況。通過分析,可看出在常溫常壓下煤樣氧化的組分,分析結果見表1。

煤樣粉碎處理。打開煤樣袋將煤樣粉碎、過篩和稱量,然后按不同的粒度和空氣流量進行實驗流量和粒度的考察。

表1 煤樣常溫常壓下氧化后各種氣體濃度%

煤樣低溫氧化實驗。把粉碎好的粒徑為0.198～0.35 mm的煤樣,分別裝入煤樣罐內,打開高壓空氣瓶,調節空氣穩壓閥,直到用皂膜流量計測到出氣口的空氣流量為100 ml/min,然后進行程序升溫,升溫速率為3℃/min,每升溫10℃后進行恒溫穩定3 min,然后用抽氣泵自動抽取煤罐氣樣進行色譜分析。

2.2 實驗結果

煤樣低溫氧化熱解析出氣體CO、CO2、C2H4、C2H6、C3H8濃度與溫度之間的關系以及低溫氧化過程中氧濃度隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同煤樣各氣體濃度與溫度關系

3 實驗結果分析

根據實驗結果,煤樣程序升溫中析出氣體初始溫度及氣體濃度如表2所示。從實驗結果可得出如下規律:

表2 煤樣程序升溫中最早出現氣體的溫度及氣體濃度

(1)煤樣程序升溫中,己15煤煤樣首先出現的是C2H6,隨后,當溫度上升到60℃左右時,己15煤煤樣和己16-17煤煤樣均出現了CO;煤樣溫度的進一步升高,己15煤煤樣分別出現C3H8和C2H4氣體,而己16-17煤煤樣先后出現C2H6、C3H8和C2H4氣體,兩煤樣出現氣體產物有一定差別。

(2)己15煤和己16-17煤煤樣氣體產物量快速增長的溫度以及趨勢幾乎相同:當煤溫上升至130～140℃時,CO和CO2產生量快速增加;當煤溫上升至150～160℃時,C2H4和C2H6產生量快速增加;當煤溫上升至180℃左右時,C3H8產生量快速增加;相應地,當煤樣氧化中氣體產物快速增長時,即煤樣溫度在140～160℃氧濃度快速下降。

(3)煤樣氧化溫度達200℃,兩煤樣均未出現乙炔氣體(C2H2)。

(4)煤樣火災系數R1(+ΔCO2/-ΔO2)和R2(+ΔCO/-ΔO2)隨溫度關系見圖2和圖3。

可見,兩煤樣火災系數R1、R2隨實驗煤樣溫度增加而呈現有規律地增加。己15煤煤樣在煤溫上升至60℃左右時,R2快速增加,而己16-17煤煤樣在溫度上升至80℃左右時,R2快速增加;煤樣溫度上升至80℃左右時,己15煤煤樣火災系數R1出現快速上升的拐點,己16-17煤煤樣在110℃之后火災系數R1隨氧化升溫溫度增加而急劇增加。

(5)煤樣低溫氧化中烯烷比值(C2H4/CH4)和烷比值(C2H6/CH4)在煤樣溫度增加到160℃后有規律地急劇增大,但由于烯烷比值、烷比值較小不宜作為預測煤自燃的指標。

4 結論

通過對模擬低溫氧化實驗結果的分析,可以得出如下結論:

(1)根據平寶公司煤礦各煤樣低溫氧化過程中氣體出現溫度及氣體產生量,由于常溫會析出CO,且CO快速增長出現在130～140℃左右,因此,不能以CO作為煤炭自燃的主要標志性氣體,但可作為輔助標志性氣體。

(2)煤樣低溫氧化中火災系數R1和R2在60～80℃時,有拐點特征出現,可以火災系數R1和R2作為預報的指標,經實踐應用驗證,實驗準確率達到100%。

[1] 戴廣龍.煤低溫氧化及自燃特性的綜合實驗研究[M].徐州:中國礦業大學出版社,2010

[2] 朱令起,周心權,謝建國等.東歡坨煤礦自然發火標志氣體優化選擇[J].煤礦安全,2008(7)

[3] 王德明.礦井火災學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2008

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[5] 戴廣龍.煤低溫氧化過程氣體產物變化規律研究[J].煤礦安全,2001(1)

Study on index parameters for prediction and forecast of coal spontaneous combustion in outburst mine

Xing Weide

(Henan Pingbao Coal Mining Company Ltd.,Pingdingshan,Henan 467000,China)

The theory of prediction and forecast of coal spontaneous combustion was described.The temperature programming experiments were carried out on the coal samples from the F group coal seam of Pingbao company.The results showed that the gases released from the coal samples such as CO,CO2,CH4,C2H6,C3H8and C2H4were all unsuitable for the prediction and forecast of coal spontaneous combustion as index gases.But when the fire parameters like R1 and R2 were between 60～80℃,there existed an inflexion in the curves,which could be as an early signal to predict the coal spontaneous combustion.

spontaneous combustion,index gas,fire coefficient

TD752

A

邢偉德(1968-),男,河南郟縣人,工程師,現任河南平寶煤業有限公司副總經理。

(責任編輯 梁子榮)