煤體自然發火過程中溫度演化特征研究

樊冬東,田海波

(山西潞安集團 潞寧孟家窯煤業有限公司, 山西 忻州 036700)

煤體自然發火主要受煤體氧化程度的影響,發火范圍隨氧氣供給程度的增加而增加,高溫區域溫度場也由地表逐漸向地下遷移[1],在危害礦井安全生產的同時浪費了大量地下資源,煤層燃燒產生的空洞也會造成自然環境災害。

針對煤體燃燒過程中溫度場的演化過程,李林等[2]利用煤體自然發火實驗裝置對煤體由常溫至著火點的全過程進行了模擬,并對氧氣分布區域進行了分析。譚波等[3]對溫度場進行了穩態轉換,建立了工作面開采過程中的煤自燃一維模型。宋大勇[4]利用紅外成像方法,提出了隱蔽火源識別技術與巷道自然發火識別技術。王振平等[5]推導了煤巷自燃點的反演算法,量化分析了自燃火源的范圍與溫度等重要參數。

上述研究表明,溫度場的遷移以及氧氣含量隨燃燒過程的變化特征是探究治理礦井火技術的關鍵。為探究煤體燃燒過程中的溫度場遷移過程,為礦井火區的發展提供預測指導,采用煤體自然發火實驗裝置進行科學研究。

1 概況

孟家窯煤礦主采煤層埋深為400～500 m,埋深較淺,周圍老窯與采空區分布較多,導致地表裂隙高度發育。煤層吸氧量為0.58～0.62 cm3/g,極易氧化升溫,自燃傾向性為Ⅰ級,且煤塵具有爆炸傾向性,自然發火期為78～83天。煤體自然發火的實驗煤體選用該礦2號煤層,原煤揮發分平均為37.65%,最大為44.26%,平均硫分0.91%,煤質為氣煤。

2 煤體自然發火演化實驗

2.1 實驗裝置

煤體自然發火實驗裝置的設備組成見圖1,實驗裝置主要由耐高溫纖維毯與碳鋼材料制成,爐體外部尺寸為長0.6 m×寬0.6 m×高0.73 m,爐膛內部尺寸為長0.3 m×寬0.3 m×高0.6 m,保溫層厚度為0.15 m. 保溫層由耐火磚與纖維制成,額定工作溫度可達1200 ℃,在溫度控制及監測平臺的動態調控作用下,可控制爐膛內部溫度穩定在±10 ℃. 爐壁的四周布置有16 mm的通孔用于溫度數據采集與氣體成分分析。

圖1 煤體自然發火實驗裝置圖

2.2 實驗過程

在實驗之前對煤體進行預處理,將煤體破碎并篩取5～10 mm的混合顆粒,然后將其均勻鋪置在爐膛內。在通風環境下,記錄其初始溫度,隨后在煤體表面采用加熱棒加熱開展實驗。為監測煤體燃燒過程中的溫度演化趨勢,在爐膛內部布置測點,見圖2,從上到下共布置5層測點,每層布置3個測點,共計布置15個測點。采用熱電偶對爐膛內的溫度進行監測,熱電偶的布置深度不統一,用以監測煤體內部不同位置的溫度。

實驗裝置中的裝煤高度為443 mm,環境溫度為5 ℃. 實驗開始后用加熱棒點燃頂層煤體,直至出現明火。當燃燒進行到13 min時,煤體表面出現煙氣;當燃燒進行到35 min時,煤體表面出現明火,此時的燃燒溫度為309 ℃;當燃燒進行到60 min時,煤體表面發火區域大面積蔓延;燃燒進行到600 h后,溫度降低至室溫,實驗結束。

3 溫度場遷移過程分析

根據室內實驗室測定,該礦2號煤層煤樣的特征溫度見表1.

表1 孟家窯煤礦2號煤層煤樣特征溫度表

隨著燃燒時間的不斷增加,選擇實驗裝置的頂層(第1層)、中間層(第3層)、底層(第5層)的煤體溫度隨燃燒時間的演化趨勢進行分析,見圖3. 綜合分析可知,選擇的代表層的曲線變化趨勢相近。實驗的初始溫度約等于室溫,為4～6 ℃. 將煤層第1個達到燃點(309 ℃)的測點定義為關鍵點。第1層溫度達到關鍵點的時間為5 h;第3層溫度達到關鍵點的時間為15 h;第5層溫度達到關鍵點的時間為26 h,近似為線性增長規律。

圖3 煤體溫度隨燃燒時間的演化趨勢圖

不同層位溫度達到峰值點的時間差異性較大,第1層溫度達到峰值點的時間為23 h,同層位的3個測溫點同時達到峰值;第3層溫度達到峰值點的時間為48 h,同層位的3個測溫點同時達到峰值;第5層溫度達到峰值點的時間為68～90 h,同層位的3個測溫點達到峰值點的時間相差22 h. 隨著煤體層位的深度逐漸增加,溫度的峰值點也逐漸下降。主要原因是氧氣含量隨著埋深的增加會逐漸降低,氧氣含量下降的同時會伴隨著氧氣空間位置分布的不均勻性,由此導致了煤體的燃燒強度降低,無法達到同步高溫燃燒。

4 高溫區域氧氣體積分數分析

高溫區域關鍵點出現在2號、5號、7號、10號、13號監測點。對關鍵點的氧氣體積分數演化規律進行分析,隨著深度的逐漸增加,氧氣的體積分數逐漸降低。當各個關鍵點的氧氣體積分數下降到1%～3%時,煤體達到燃點。同時隨著深度的增加,氧氣消耗的速率也逐漸變慢,從第1層的關鍵點到第5層的關鍵點,所消耗的時間分別為4.5 h、6 h、7 h、9 h、10 h.

根據圖4煤體氧氣體積分數隨燃燒時間的演化趨勢可知,位于最深處的第5層關鍵點的初始氧氣體積分數最大,而其余關鍵點的初始氧氣體積分數則隨深度的增加而降低,根據推斷,最深處的煤體處于燃燒的微弱裂隙的熱輻射邊界,為氧氣的流通提供了通道,氧氣進入該層的能力更強。

圖4 煤體氧氣體積分數隨燃燒時間的演化趨勢圖

5 高溫區域演化過程分析

氧氣的持續供給為煤體燃燒提供了必要條件。當燃燒開始后,煤體作為一種典型的多孔介質,各個部位均會發生熱傳導、熱輻射與熱對流等不穩定傳熱作用。隨著時間的逐漸增加,熱量逐漸向煤體深部移動,由于物理吸附作用與熱力起裂作用,氧氣會沿擴散阻力最小的方向進行擴展,導致附近的煤樣發生自燃,隨著燃燒時間的增加,煤的氧化反應也快速產生,伴隨著明顯的傳熱作用,裂隙在熱力起裂作用發生延展之后,高溫區域也隨之改變,不斷向煤體深部移動。因此,將此種煤體向深部燃燒的演化過程定義為熱氧耦合互促過程。

將所有層位的關鍵點連接成線,得到關鍵點的模糊遷移路徑見圖5. 第1層煤體經過主動點火作用引燃。由于第2層與第1層的距離較近,推測2號受氧氣環境的影響較大,此位置的煤體自燃后與氧氣的復合反應較快,率先形成高溫區域。當燃燒時間達到12 h后,可以在實驗中觀察到熱力作用產生的裂隙,可以為熱量傳遞提供通風路徑。第1層與第2層的燃燒主要由傳熱作用影響。第3、4、5層燃燒主要受裂隙通道的擴展影響,由于氧氣隨著深度的增加體積分數降低,溫度也隨之下降。在非均勻的傳熱作用下傳播方向呈現非線性的移動規律。

根據上述實驗分析,高溫區域的溫度隨著深度的蔓延而逐漸降低,與實際的礦井發火狀態相對應。由于高溫區域半封閉環境狀態的影響,熱量難以向外擴散,強化了煤體的自燃與傳熱效果。當向外界擴散的熱量小于內部產生的熱量,煤氧熱反應便可以持續進行,最終形成熱氧耦合互促過程,也由此導致了礦井火無法熄滅,甚至產生個別煤田火燃燒數百年之久。

綜上所述,煤體發火過程中向深部蔓延時,受到熱力起裂作用產生了微弱裂隙,微弱裂隙深入的氧氣量較少,對于煤氧熱反應的促進作用較低。然而深部煤體所處的高溫半封閉環境推動了熱量的主動遷移,導致高溫區域不斷向深部蔓延。由于微裂隙對于氧氣的滲透能力較低,其含量并不是影響煤體持續性火的主要因素。因此,應以地熱提取與降溫作為治理礦井火的主要技術。

6 結 語

1) 運用煤體自然發火實驗裝置再現煤體發火演化過程,煤體溫度達到關鍵點的時間隨深度的增加呈現線性演化趨勢,而在非均勻的傳熱作用下傳播方向呈現非線性的移動規律。

2) 對關鍵點的氧氣體積分數氧氣演化規律進行分析,氧氣的體積分數隨溫度增加而降低。各層煤體達到燃點的時間與各個關鍵點的氧氣體積分數下降到1%～3%的時間相同。

3) 由于高溫區域半封閉環境狀態的影響,熱量難以向外擴散,強化了煤體的自燃作用與傳熱效果。最終形成熱氧耦合互促過程,由此導致了礦井火無法熄滅,應以地熱提取與降溫作為治理礦井火的主要技術。