易燃特厚煤層群最短自然發(fā)火期試驗(yàn)

盧 恒,趙浩東,姜 濤

(國(guó)能神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦,陜西 榆林 719000)

0 引言

煤自燃是礦井開(kāi)采過(guò)程中的主要災(zāi)害之一,嚴(yán)重制約著煤炭資源的安全高效開(kāi)采。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)大中型煤礦中,自然發(fā)火危險(xiǎn)程度嚴(yán)重或較嚴(yán)重的煤礦占72.9%;煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%[1-3]。開(kāi)采容易自燃或自燃煤層的礦井需先對(duì)煤的自然發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),而煤層的最短自然發(fā)火期是煤的自然發(fā)火危險(xiǎn)性最重要的指標(biāo)之一。新疆某礦23-25號(hào)煤層群自燃傾向性等級(jí)屬于Ⅰ類(lèi),為易自燃煤層。因此,確定新疆某礦23-25號(hào)煤層群的最短自然發(fā)火期,對(duì)該礦設(shè)計(jì)實(shí)施安全有效的防滅火措施,保障該礦煤炭資源安全開(kāi)采具有重要的意義。

1 煤層概況

23-25號(hào)煤層群位于侏羅系中下統(tǒng)八道灣組下段,煤層平均厚17.03 m,上距2-2煤層(采高2.8 m)平均間距為42.70 m,23-25號(hào)煤層群開(kāi)采標(biāo)高為+550～+716 m,層位穩(wěn)定,多數(shù)煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,局部含夾矸1～2層,最高達(dá)6層,屬較穩(wěn)定的厚煤層。侏羅系中下統(tǒng)八道灣組下段主要由中、粗砂巖及煤層組成,平均厚度194 m,該組地層以下為沼澤相沉積,屬于較平穩(wěn)的沉積環(huán)境,巖性細(xì)膩,以泥質(zhì)粉砂巖為主,底部以一厚層狀灰白色中、細(xì)砂巖與下伏三疊系分界,呈整合接觸。

2 煤層最短自然發(fā)火期理論分析

2.1 改良的卡連金煤層最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)模型

自然發(fā)火期是煤炭自燃危險(xiǎn)性在時(shí)間上的度量,理論上自然發(fā)火期的定義是:煤體暴露于空氣中到發(fā)生自然發(fā)火整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間,即揭露煤體至其發(fā)生自然發(fā)火為止計(jì)算的時(shí)間,而煤層自然發(fā)火最短的時(shí)間就是煤層最短自然發(fā)火期[4-7]。在煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中,為了有效防治煤炭自燃,研究煤炭自燃特性與自然發(fā)火規(guī)律的差異,預(yù)測(cè)煤體最短自然發(fā)火期是非常必要的[8]。楊永良等[9]以絕熱圓柱形煤柱為物理模型,利用實(shí)測(cè)的煤自燃基本參數(shù),解算分析了漏風(fēng)速度、粒度等參數(shù)對(duì)煤自然發(fā)火期的影響規(guī)律,最終準(zhǔn)確確定了最短自然發(fā)火期;王德明等[10]通過(guò)70 ℃時(shí)煤樣罐出氣口的氧氣體積分?jǐn)?shù)(C70)與交叉點(diǎn)溫度(Tcpt)實(shí)現(xiàn)了煤層實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期的快速測(cè)試;朱云輝等[11]運(yùn)用固相能量守恒定律判定煤炭最短發(fā)火期技術(shù)建立簡(jiǎn)便實(shí)效的數(shù)學(xué)模型,并與使用同步熱分析儀所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到精確的最短自然發(fā)火期;余明高等[12]根據(jù)煤與氧反應(yīng)的熱平衡方程推導(dǎo)出了更符合實(shí)際情況的改良的卡連金煤層最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)計(jì)算模型,該模型在煤層最短自然發(fā)火期的研究中得到了廣泛應(yīng)用。文中主要應(yīng)用余明高改良的卡連金煤層最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算新疆某礦23-25號(hào)煤層群的最短自然發(fā)火期。

自然條件下煤與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生熱量,同時(shí)也會(huì)與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱量交換。在絕熱條件下煤樣氧化產(chǎn)生的熱量使煤中含有的水分蒸發(fā),同時(shí)使煤體加熱升溫并使煤中含有的瓦斯等氣體吸熱釋放,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間煤樣由常溫升溫到著火溫度,升溫到著火溫度所需的時(shí)間則為該煤層的最短自然發(fā)火期。利用改良的卡連金煤層最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算,該模型[12]為

(1)

2.2 瓦斯解析量

煤樣的瓦斯解析量受溫度的影響,在一定溫度下煤樣瓦斯吸附量為[13]

(2)

(3)

式中,p為煤層的瓦斯壓力,kPa。

2.3 放熱速率

在一定溫度下,煤樣放熱速率與CO產(chǎn)生率、CO2產(chǎn)生率、耗氧率及煤樣與氧氣的化學(xué)吸附熱有關(guān),具體關(guān)系為

q(t)=qa[nO2(t)-nCO(t)-nCO2(t)]+

(4)

2.4 水分蒸發(fā)量

在ti+1～ti溫度段內(nèi)煤樣的水分蒸發(fā)量等于煤含有的總水分量與該溫度段所蒸發(fā)煤體含有的總水分量的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),室溫～100 ℃蒸發(fā)全水分含量的5%,100～120 ℃蒸發(fā)全水分含量的95%。

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 煤樣工業(yè)性分析

對(duì)23-25號(hào)煤層群的采煤工作面或掘進(jìn)工作面采取有代表性的原始煤樣。測(cè)得23-25號(hào)煤層群工業(yè)性指標(biāo)數(shù)據(jù)水分、灰分和揮發(fā)分分別為10.62%、1.39%和46.37%。依據(jù)《GB/T 20104—2006煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》對(duì)23-25號(hào)煤層群進(jìn)行煤層自燃傾向性進(jìn)行鑒定,結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出,23-25號(hào)煤層群自燃傾向性等級(jí)屬于Ⅰ類(lèi),為容易自燃煤層。

表1 工業(yè)分析及自燃傾向等級(jí)鑒定結(jié)果

3.2 煤的比熱容測(cè)定

采用STA449C熱重分析儀進(jìn)行煤樣比熱容測(cè)定。通過(guò)在程序控溫下測(cè)定樣品比熱容隨溫度的變化,得到煤樣比熱容的測(cè)定結(jié)果,見(jiàn)表2。

表2 不同溫度條件下煤樣比熱容

3.3 煤樣氧化升溫試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器采用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司的煤樣絕熱氧化反應(yīng)裝置。該系統(tǒng)主要包括供氣裝置、程序升溫裝置、氣體分析裝置3個(gè)部分,供氣裝置由高壓氮?dú)馄?、高壓氧氣瓶、穩(wěn)壓閥、流量計(jì)、三通以及管路等構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 煤樣絕熱氧化反應(yīng)裝置

試驗(yàn)使用99.999%的氮?dú)夂脱鯕獍凑毡壤渲撇煌瑵舛鹊难鯕狻Ｊ紫却蜷_(kāi)高壓氮?dú)馄颗c高壓氧氣瓶,將出口氣體壓力控制在0.4 MPa,根據(jù)需要配制的氧氣濃度,用質(zhì)量流量控制器按比例分別調(diào)節(jié)氮?dú)馀c氧氣的流量,然后經(jīng)過(guò)混合器混合,用氣相色譜儀檢測(cè)出口氧氣濃度,當(dāng)達(dá)到要求時(shí),通入煤樣罐中,開(kāi)始程序升溫試驗(yàn)。

4 煤自然發(fā)火指標(biāo)氣體優(yōu)選

根據(jù)AQ/T1019—2006《煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體色譜分析及指標(biāo)優(yōu)選方法》,對(duì)23-25號(hào)煤層群進(jìn)行指標(biāo)氣體優(yōu)選,確定煤層的自燃標(biāo)志性氣體及臨界值。以《伊犁永寧煤業(yè)化工有限公司對(duì)該礦23-25號(hào)煤層群自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)測(cè)定》報(bào)告為依據(jù),23-25號(hào)煤層群自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選試驗(yàn)特征溫度及其自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 23-25號(hào)煤層群自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選試驗(yàn)特征溫度及其氣體表征

表4 23-25號(hào)煤層群自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選結(jié)果

由表4可以看出,23-25號(hào)煤層群以CO、C2H4作為指標(biāo)性氣體,CO氣體出現(xiàn)的煤溫不大于20 ℃,表明23-25號(hào)煤層群在常溫時(shí)就已發(fā)生緩慢氧化反應(yīng);C2H4出現(xiàn)的時(shí)間較晚,產(chǎn)生的初始溫度值較高,說(shuō)明產(chǎn)生C2H4時(shí)煤體已經(jīng)進(jìn)入劇烈氧化階段,因此將C2H4作為該礦23-25號(hào)煤層群劇烈氧化階段的指標(biāo)氣體。

此外,23-25號(hào)煤層群臨界溫度在50～60 ℃,干裂溫度在100～110 ℃。程序升溫過(guò)程中,煤樣耗氧速率隨煤溫的升高而增加。在煤溫達(dá)到50～60 ℃之前,耗氧速率呈線性規(guī)律緩慢增加;煤溫超過(guò)50～60 ℃后,耗氧速率呈指數(shù)規(guī)律快速增加。

5 最短自然發(fā)火期計(jì)算

根據(jù)改良的卡連金計(jì)算模型,將升溫過(guò)程中各溫度點(diǎn)的參數(shù)帶入公式(1)中進(jìn)行分段計(jì)算,將所有的分段計(jì)算出來(lái)的時(shí)間疊加,即可得到該煤層的煤層試驗(yàn)最短自然發(fā)火期。表5是新疆某礦23-25號(hào)煤層群煤樣試驗(yàn)煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算表。由表2、5中數(shù)據(jù)計(jì)算得出該礦23-25煤層群試驗(yàn)最短自然發(fā)火期為39 d。

6 結(jié)論

(1)新疆某礦23-25號(hào)煤層群自燃傾向性等級(jí)屬于Ⅰ類(lèi),為易自燃煤層。在設(shè)計(jì)開(kāi)采該煤層時(shí)應(yīng)該提前建立綜合防滅火方案,保證該煤層群的安全高效開(kāi)采。

(2)根據(jù)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體色譜分析及指標(biāo)優(yōu)選,23-25號(hào)煤層群以CO、C2H4作為指標(biāo)性氣體來(lái)掌握煤炭自燃情況。

(3)通過(guò)對(duì)23-25號(hào)煤層群進(jìn)行氧化升溫試驗(yàn),根據(jù)卡連金計(jì)算模型,計(jì)算了最短自然發(fā)火期為39 d,該礦23-25號(hào)煤層群具有很高的自然發(fā)火危險(xiǎn)性,為礦井防滅火措施提供了重要的理論依據(jù)。