高突礦井煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)參數(shù)的研究

邢偉德

(河南平寶煤業(yè)有限公司,河南省平頂山市,467000)

高突礦井煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)參數(shù)的研究

邢偉德

(河南平寶煤業(yè)有限公司,河南省平頂山市,467000)

闡述了煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論,對(duì)平寶公司己組煤層樣進(jìn)行程序升溫氧化測(cè)試,結(jié)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(yù)報(bào)煤炭早期自燃的標(biāo)志性氣體,但煤樣低溫氧化中火災(zāi)系數(shù)R1和R2在60～80℃時(shí),有拐點(diǎn)特征出現(xiàn),可作為預(yù)報(bào)煤炭自燃的早期信號(hào)。

煤炭自燃 指標(biāo)氣體 火災(zāi)系數(shù)

煤炭自燃是礦井主要災(zāi)害之一,它不僅凍結(jié)了煤炭資源,而且危害井下作業(yè)人員生命和健康。如果能及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭早期自熱,可將煤炭自燃火災(zāi)處理在萌芽之中,達(dá)到防止火災(zāi)或減少損失的目的。目前,煤炭自燃火災(zāi)的早期識(shí)別和判斷主要依據(jù)煤炭自燃過(guò)程中析出的氣體成分和氣體濃度的變化。

1 煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)理論

煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)主要有測(cè)溫法和氣體分析法兩種。平寶公司采用氣體分析法對(duì)高突煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行研究,依據(jù)煤炭在自熱氧化過(guò)程中,放出一定的熱量和熱解釋放出CO、C2H4等氣體的特點(diǎn),通過(guò)檢測(cè)分析采掘空間是否發(fā)生煤炭自燃,優(yōu)選適合平寶公司己組煤層的指標(biāo)氣體,并確定其臨界值,進(jìn)行煤炭自燃的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

模擬實(shí)驗(yàn)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(nèi)的煤樣均勻地充分接觸,同時(shí)對(duì)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(guī)律,從而優(yōu)選出指標(biāo)氣體,并建立各種指標(biāo)氣體含量與煤溫的定量關(guān)系圖。應(yīng)用模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)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(dá)到預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃這一目的。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

平寶公司礦井井田位于平頂山礦區(qū)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(xiǎn)性、煤塵爆炸性、自然發(fā)火傾向性。其中首采己二采區(qū)己組煤層瓦斯含量16.46 m3/t,瓦斯壓力1.38 MPa,自然發(fā)火周期79 d,最短32 d。煤樣取自己二采區(qū)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(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。

煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)前,從裝有原始煤樣的密封袋中抽取一定的氣體進(jìn)行氣相色譜分析,得到煤樣在升溫氧化前的氣體情況。通過(guò)分析,可看出在常溫常壓下煤樣氧化的組分,分析結(jié)果見(jiàn)表1。

煤樣粉碎處理。打開(kāi)煤樣袋將煤樣粉碎、過(guò)篩和稱(chēng)量,然后按不同的粒度和空氣流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。把粉碎好的粒徑為0.198～0.35 mm的煤樣,分別裝入煤樣罐內(nèi),打開(kāi)高壓空氣瓶,調(diào)節(jié)空氣穩(wěn)壓閥,直到用皂膜流量計(jì)測(cè)到出氣口的空氣流量為100 ml/min,然后進(jìn)行程序升溫,升溫速率為3℃/min,每升溫10℃后進(jìn)行恒溫穩(wěn)定3 min,然后用抽氣泵自動(dòng)抽取煤罐氣樣進(jìn)行色譜分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)系以及低溫氧化過(guò)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(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可得出如下規(guī)律:

表2 煤樣程序升溫中最早出現(xiàn)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(xiàn)的是C2H6,隨后,當(dāng)溫度上升到60℃左右時(shí),己15煤煤樣和己16-17煤煤樣均出現(xiàn)了CO;煤樣溫度的進(jìn)一步升高,己15煤煤樣分別出現(xiàn)C3H8和C2H4氣體,而己16-17煤煤樣先后出現(xiàn)C2H6、C3H8和C2H4氣體,兩煤樣出現(xiàn)氣體產(chǎn)物有一定差別。

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

(3)煤樣氧化溫度達(dá)200℃,兩煤樣均未出現(xiàn)乙炔氣體(C2H2)。

(4)煤樣火災(zāi)系數(shù)R1(+ΔCO2/-ΔO2)和R2(+ΔCO/-ΔO2)隨溫度關(guān)系見(jiàn)圖2和圖3。

可見(jiàn),兩煤樣火災(zāi)系數(shù)R1、R2隨實(shí)驗(yàn)煤樣溫度增加而呈現(xiàn)有規(guī)律地增加。己15煤煤樣在煤溫上升至60℃左右時(shí),R2快速增加,而己16-17煤煤樣在溫度上升至80℃左右時(shí),R2快速增加;煤樣溫度上升至80℃左右時(shí),己15煤煤樣火災(zāi)系數(shù)R1出現(xiàn)快速上升的拐點(diǎn),己16-17煤煤樣在110℃之后火災(zāi)系數(shù)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(guī)律地急劇增大,但由于烯烷比值、烷比值較小不宜作為預(yù)測(cè)煤自燃的指標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)模擬低溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)根據(jù)平寶公司煤礦各煤樣低溫氧化過(guò)程中氣體出現(xiàn)溫度及氣體產(chǎn)生量,由于常溫會(huì)析出CO,且CO快速增長(zhǎng)出現(xiàn)在130～140℃左右,因此,不能以CO作為煤炭自燃的主要標(biāo)志性氣體,但可作為輔助標(biāo)志性氣體。

(2)煤樣低溫氧化中火災(zāi)系數(shù)R1和R2在60～80℃時(shí),有拐點(diǎn)特征出現(xiàn),可以火災(zāi)系數(shù)R1和R2作為預(yù)報(bào)的指標(biāo),經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

[1] 戴廣龍.煤低溫氧化及自燃特性的綜合實(shí)驗(yàn)研究[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2010

[2] 朱令起,周心權(quán),謝建國(guó)等.東歡坨煤礦自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)化選擇[J].煤礦安全,2008(7)

[3] 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008

[4] 陳立.煤炭自燃標(biāo)志性氣體預(yù)測(cè)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào),2007(4)

[5] 戴廣龍.煤低溫氧化過(guò)程氣體產(chǎn)物變化規(guī)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(xiàn)任河南平寶煤業(yè)有限公司副總經(jīng)理。

(責(zé)任編輯 梁子榮)