井下遺煤自燃的影響因素分析與研究

張立紅

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

井下遺煤自燃的影響因素分析與研究

張立紅1,2

（1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

針對井下遺煤自燃問題，結(jié)合大量相關(guān)研究，總結(jié)了影響井下遺煤自燃的六個因素：煤的氧化能力、所在空氣中的氧濃度、風(fēng)速、破碎及堆積狀態(tài)、蓄熱條件、孕育時間。概括了井下遺煤自燃的發(fā)生機理，分析了各因素間的相互關(guān)系，為井下現(xiàn)場綜合防治遺煤自燃奠定基礎(chǔ)。

井下；遺煤；自燃

1 遺煤自燃規(guī)律的研究現(xiàn)狀

礦井火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一，常常威脅著井下的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計全國統(tǒng)配和重點煤礦中，有自燃發(fā)火危險的礦井約占47%[1]。國內(nèi)外學(xué)者對井下遺煤自燃規(guī)律進(jìn)行研究，將影響遺煤自燃的因素進(jìn)行科學(xué)分析。閆玉崗等人將風(fēng)速及氧濃度對遺煤自燃的影響進(jìn)行分析，提出采用上限風(fēng)速與下限氧濃度相結(jié)合的方法，判定遺煤自燃的區(qū)域更加可靠[2]。研究表明，自燃發(fā)火期與煤質(zhì)氧化能力有關(guān)，煤的氧化能力決定了自燃發(fā)火期的長短，并有顯著的反比例關(guān)系[3]。遺煤自燃實質(zhì)上是傳熱、傳質(zhì)相互作用的結(jié)果，是漏風(fēng)供氧和氧化耗氧之間的平衡[4]。研究表明，遺煤自燃與風(fēng)速有關(guān)，即不自燃帶：V>0.004m/s；可能自燃帶：V=0.0016m/s～0.004m/s；窒息帶：V<0.0016m/s[5]。煤氧復(fù)合理論表明，遺煤自燃是煤氧化放熱與環(huán)境散熱這對矛盾動態(tài)發(fā)展的過程，當(dāng)氧化放熱速率大于散熱速率時煤溫升高，煤溫升高又引起氧化放熱速率增大，熱量不斷積聚，最終導(dǎo)致自燃[6]。但是，目前的研究現(xiàn)狀尚未將遺煤自燃規(guī)律系統(tǒng)地闡釋出來，致使現(xiàn)場防治遺煤自燃經(jīng)常顧此失彼。當(dāng)前，緊迫的任務(wù)是把各種影響因素及其相互關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)分析，為現(xiàn)場防治遺煤自燃奠定基礎(chǔ)。

2 遺煤自燃的影響因素

圖1遺煤發(fā)生自燃的條件圖

本文將遺煤自燃的影響因素歸納為下列方面，見圖1。（1）煤的氧化能力。主要受煤的分子結(jié)構(gòu)、煤化程度、煤巖成分、煤中的瓦斯含量、水分、煤中硫、其他礦物質(zhì)的影響[7]。煤的氧化能力決定了自燃發(fā)火期的長短，并與其有顯著的反比例關(guān)系。（2）所在空氣中的氧濃度。根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院重慶分院的實驗研究，不同氧化性的煤在供氧濃度≥5%～6%時，可能在其著火溫度前激烈氧化升溫，有發(fā)火危險性[8]。因此，遺煤所在空氣中的氧濃度≥5%時，才有自燃的可能性。（3）風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)速在0.0016m/s～0.004m/s范圍內(nèi)時，遺煤才有自燃性。風(fēng)速過大，會使散熱過快，難于蓄積熱量；風(fēng)速過小，導(dǎo)致供氧不足。（4）破碎及堆積狀態(tài)。遺煤發(fā)生自燃須呈破碎狀態(tài)且堆積厚度常大于0.4m[7]。（5）蓄熱條件。遺煤氧化時產(chǎn)生的熱量必須逐漸積累，并使溫度升高，遺煤方可自燃。（6）孕育時間。上述五個因素都符合遺煤自燃條件，并且共存的時間要大于煤的自燃發(fā)火期；也就是說，遺煤自燃的孕育時間必須達(dá)到要求，才能發(fā)生自燃。

3 遺煤自燃的因素之間的相互影響關(guān)系

（1）風(fēng)速影響著所在空氣中的氧濃度及蓄熱條件：風(fēng)速大時，對空氣中的氧濃度具有促進(jìn)作用，但會抑制蓄熱條件。風(fēng)速在0.0016m/s～0.004m/s之間時，遺煤才能發(fā)生自燃。在特定的煤的氧化能力、氧濃度、破碎及堆積狀態(tài)下，必定存在著一個遺煤最易自燃的風(fēng)速值。

（2）煤的吸氧速度與所在空氣中的氧濃度成正比：

式中：dm為單位質(zhì)量煤在dt時間內(nèi)吸氧量，m L/k g；U為吸氧速度常數(shù)，m L/k g；C為空氣中的氧濃度，%。

①在溫度不變條件下，吸氧速度常數(shù)隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減：

式中：U1為在 t=1h內(nèi)的吸氧速度常數(shù)，m L/(k g·h)；H為在對數(shù)坐標(biāo)中直線方程傾角的正切，它表示吸氧速度隨時間衰減的速度。

②吸氧速度常數(shù)U與煤自身溫度之間符合冪函數(shù)關(guān)系

式中：U為溫度為t℃時的吸氧速度常數(shù)，m L/（k g·h）；U0為溫度為 t0℃時的吸氧速度常數(shù)，m L/（k g·h）；B為比例常數(shù)，1/℃；其物理意義是吸氧速度隨溫度增加的速度[7]。

（3）煤的破碎及堆積狀態(tài)對蓄熱條件有很大的影響：堆積厚度一般要大于0.4m，才有自燃所需蓄熱；并且只有呈破碎狀態(tài)的煤，才有足夠的表面積與氧氣反應(yīng)。

4 結(jié)束語

煤礦井下遺煤自燃機理復(fù)雜，影響因素眾多，本文將其影響因素總結(jié)為六個因素：煤的氧化能力、所在空氣中的氧濃度、風(fēng)速、破碎及堆積狀態(tài)、蓄熱條件、孕育時間。各因素之間尚有相互影響，并且每個因素必須滿足特定的條件，才能導(dǎo)致遺煤自燃。但是，井下防治遺煤自燃的工作應(yīng)該著手于所有因素，只有這樣，個別因素的失誤才不會引起遺煤自燃事故。不過，由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，關(guān)于各因素對遺煤自燃的定量化影響，以及各因素間的函數(shù)約束關(guān)系，尚待進(jìn)一步研究。

[1]魯來祥，余明高，常緒華，等.Gm(1，1)模型在高冒區(qū)遺煤自燃釋放C O量預(yù)測中的應(yīng)用[J].煤礦安全，2010，1423:36-38.

[2]閆玉崗，尹彬，賈寶山，等.不同劃分指標(biāo)采空區(qū)遺煤自燃“三帶”的分布研究[J].山西焦煤科技，2012(3):20-22.

[3]李宗翔.采空區(qū)遺煤自燃過程及其規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2005，15(6):15-19.

[4]屈揚.高冒區(qū)遺煤自燃綜合防治技術(shù)研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37(9):34-37.

[5]楊勝強，張人偉，邸志乾，等.綜采面采空區(qū)自燃三帶的分布規(guī)律研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，29(1):93-96.

[6]鮑慶國，文虎，王秀林，等.煤自燃理論及防治技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2002.

[7]張國樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[8]劉士春，王衛(wèi)國.簡放工作面供風(fēng)量與采空區(qū)遺煤自燃危險性研究[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，17(6):79-83.

Factor Analysis of Left Coal Spontaneous Combustion

ZHANG Li-hong1,2
(1.China University of Mining, Xuzhou Jiangsu 221116;2.Shanxi Xinjin Mine Coal Co., Yangquan Shanxi 045000)

Through the examination of relevant studies, left coal spontaneous combustion in the pit issummarized into six factors. The mechanism is generalized. Besides, the relationship between the factors isstudied to lay the basis for the comprehensive control on the left coal spontaneous combustion.

underground; left coal; spontaneous combustion

T D 75+2.2

A

2012-09-10

張立紅（1982—），男，山西左權(quán)人，在讀工程碩士研究生，助理工程師，從事煤炭采掘技術(shù)研究工作。

徐樹文