| 煤礦煤層自然發(fā)火規(guī)律研究--重在參詳采空區(qū)、指標(biāo)氣體、自然“三帶”等 | |||
導(dǎo)讀：[柳塔煤礦1-2煤層自然發(fā)火規(guī)律研究]為掌握柳塔煤礦1-2煤層的自然發(fā)火規(guī)律,實(shí)驗(yàn)研究了1-2煤層煤自燃特性基礎(chǔ)參數(shù)及指標(biāo)性氣體,得出CO可作為1-2煤層煤自燃早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的指標(biāo)性氣體。現(xiàn)場(chǎng)對(duì)12201綜采工作面采空區(qū)進(jìn)行煤自燃三帶測(cè)試,分析O2和CO 2種主要?dú)怏w濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度變化規(guī)律,得到以O(shè)2臨界濃度為標(biāo)準(zhǔn)劃分的1-2煤層煤自燃氧化帶范圍為從工作面向采空區(qū)深部48～150 m。
含硫量/%自燃傾向性等級(jí)自燃傾向性1－2煤0．950．86Ⅰ容易自燃粒50g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。將50g粒度為0．18～0．42mm的煤樣置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，然后連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭，并檢查氣路的氣密性。測(cè)試時(shí)向煤樣內(nèi)通入50mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到指定測(cè)試溫度時(shí)，恒定溫度5min后采取氣樣進(jìn)行氣體成分和濃度分析。3)指標(biāo)氣體分析。對(duì)1－2煤層煤樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氣體生成情況進(jìn)行分析，得出其濃度變化趨勢(shì)如圖1、圖2。圖1CO、CO2變化趨勢(shì)圖2CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8變化趨勢(shì)圖從圖1、圖2可以看出，1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì);而在上述溫度范圍內(nèi)煤樣沒(méi)有生成C2H2氣體。CO、CO2、CH43種氣體均在30℃時(shí)出現(xiàn)，CH4的生成量相對(duì)較小，CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達(dá)到70℃之后其生成量迅速增加，該溫度下煤開(kāi)始迅速氧化，物理吸附已經(jīng)越來(lái)越弱而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)則占據(jù)主要位置。30℃時(shí)出現(xiàn)少量的C3H8，70℃時(shí)出現(xiàn)C2H6，濃度不大但隨溫度升高呈現(xiàn)有規(guī)律的變化;C2H4出現(xiàn)的最晚，90℃時(shí)出現(xiàn)并呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。C2H2在整個(gè)過(guò)程中都沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明其出現(xiàn)的溫度高于200℃，一旦有C2H2出現(xiàn)則表明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。綜上，1－2煤層應(yīng)以CO作為指標(biāo)性氣體，并輔以C2H4、C2H2來(lái)掌握煤炭自燃情況;CO的出現(xiàn)說(shuō)明煤已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生氧化反應(yīng)，C2H4?
等級(jí)自燃傾向性1－2煤0．950．86Ⅰ容易自燃粒50g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。將50g粒度為0．18～0．42mm的煤樣置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，然后連接好進(jìn)氣氣路、出氣氣路和溫度探頭，并檢查氣路的氣密性。測(cè)試時(shí)向煤樣內(nèi)通入50mL/min的干空氣。在程序控溫箱控制下對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到指定測(cè)試溫度時(shí)，恒定溫度5min后采取氣樣進(jìn)行氣體成分和濃度分析。3)指標(biāo)氣體分析。對(duì)1－2煤層煤樣實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的氣體生成情況進(jìn)行分析，得出其濃度變化趨勢(shì)如圖1、圖2。圖1CO、CO2變化趨勢(shì)圖2CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8變化趨勢(shì)圖從圖1、圖2可以看出，1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì);而在上述溫度范圍內(nèi)煤樣沒(méi)有生成C2H2氣體。CO、CO2、CH43種氣體均在30℃時(shí)出現(xiàn)，CH4的生成量相對(duì)較小，CO的生成量在低溫氧化階段較小，煤溫達(dá)到70℃之后其生成量迅速增加，該溫度下煤開(kāi)始迅速氧化，物理吸附已經(jīng)越來(lái)越弱而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)則占據(jù)主要位置。30℃時(shí)出現(xiàn)少量的C3H8，70℃時(shí)出現(xiàn)C2H6，濃度不大但隨溫度升高呈現(xiàn)有規(guī)律的變化;C2H4出現(xiàn)的最晚，90℃時(shí)出現(xiàn)并呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。C2H2在整個(gè)過(guò)程中都沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明其出現(xiàn)的溫度高于200℃，一旦有C2H2出現(xiàn)則表明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。綜上，1－2煤層應(yīng)以CO作為指標(biāo)性氣體，并輔以C2H4、C2H2來(lái)掌握煤炭自燃情況;CO的出現(xiàn)說(shuō)明煤已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生氧化反應(yīng)，C2H4出現(xiàn)說(shuō)明煤溫已達(dá)到90℃?
圖3采空區(qū)“三帶”測(cè)試示意圖采空區(qū)氣體和煤自燃“三帶”進(jìn)行了觀測(cè)和分析，并對(duì)工作面的推進(jìn)度每天進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。采空區(qū)氧氣濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度的變化趨勢(shì)如圖4、圖5。圖4測(cè)點(diǎn)O2濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)從圖4可知，回順O2濃度較膠運(yùn)O2濃度下降快，且呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。采空區(qū)O2濃度的大小反映遺煤氧化的供氧條件，按照遺煤的自燃氧化狀況，將采空區(qū)分為散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。目前的劃分依據(jù)主要按采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速大孝采空區(qū)溫升速度與溫度梯度大小和O2濃度3種方法［4］。根據(jù)柳塔煤礦具體的氣體成分及參考國(guó)內(nèi)外的劃分依據(jù)，將1－2煤層采空區(qū)自燃“三帶”以O(shè)2濃度為劃分標(biāo)準(zhǔn)并描述為:自工作面向采空區(qū)深部O2濃度＞18%的范圍為散熱帶，O2濃度在8%～18%的范圍為氧化帶，O2濃度＜8%的范圍為窒息帶［5］。按照上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，從圖5可得各測(cè)點(diǎn)所劃分的“三帶”范圍，見(jiàn)表3。圖5測(cè)點(diǎn)O2濃度隨推進(jìn)度的變化表3各測(cè)點(diǎn)劃分的“三帶”范圍m測(cè)點(diǎn)散熱帶氧化帶窒息帶膠運(yùn)1#＜7373～186＞186膠運(yùn)2#＜7171～182＞182回順3#＜2323～123＞123回順4#＜1717～118＞118由表3可知，由膠運(yùn)1#和回順3#所得氧化帶范圍與膠運(yùn)2#和回順4#所得氧化帶范圍存在偏差，為了減少偏差，將2個(gè)范圍進(jìn)行擬合分析。以工作面為基準(zhǔn)線，由膠運(yùn)1#和回順3#所得氧化帶范圍為abcd，由膠運(yùn)2#和回順4#所得氧化帶范圍為ABCD;取2個(gè)范圍的疊加部分為最終的氧化帶范圍，即aBCd。取采空區(qū)的中軸線為x軸，與氧化帶范圍相交，可得1－2煤層的自燃“三帶”范圍，如圖6。1)從工作面向采空區(qū)深部0～48m的范圍為散熱帶。2)48～150m的范圍為氧化帶。·32·(第44
圖3采空區(qū)“三帶”測(cè)試示意圖采空區(qū)氣體和煤自燃“三帶”進(jìn)行了觀測(cè)和分析，并對(duì)工作面的推進(jìn)度每天進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。采空區(qū)氧氣濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度的變化趨勢(shì)如圖4、圖5。圖4測(cè)點(diǎn)O2濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)從圖4可知，回順O2濃度較膠運(yùn)O2濃度下降快，且呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性。采空區(qū)O2濃度的大小反映遺煤氧化的供氧條件，按照遺煤的自燃氧化狀況，將采空區(qū)分為散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。目前的劃分依據(jù)主要按采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速大孝采空區(qū)溫升速度與溫度梯度大小和O2濃度3種方法［4］。根據(jù)柳塔煤礦具體的氣體成分及參考國(guó)內(nèi)外的劃分依據(jù)，將1－2煤層采空區(qū)自燃“三帶”以O(shè)2濃度為劃分標(biāo)準(zhǔn)并描述為:自工作面向采空區(qū)深部O2濃度＞18%的范圍為散熱帶，O2濃度在8%～18%的范圍為氧化帶，O2濃度＜8%的范圍為窒息帶［5］。按照上述劃分標(biāo)準(zhǔn)，從圖5可得各測(cè)點(diǎn)所劃分的“三帶”范圍，見(jiàn)表3。圖5測(cè)點(diǎn)O2濃度隨推進(jìn)度的變化表3各測(cè)點(diǎn)劃分的“三帶”范圍m測(cè)點(diǎn)散熱帶氧化帶窒息帶膠運(yùn)1#＜7373～186＞186膠運(yùn)2#＜7171～182＞182回順3#＜2323～123＞123回順4#＜1717～118＞118由表3可知，由膠運(yùn)1#和回順3#所得氧化帶范圍與膠運(yùn)2#和回順4#所得氧化帶范圍存在偏差，為了減少偏差，將2個(gè)范圍進(jìn)行擬合分析。以工作面為基準(zhǔn)線，由膠運(yùn)1#和回順3#所得氧化帶范圍為abcd，由膠運(yùn)2#和回順4#所得氧化帶范圍為ABCD;取2個(gè)范圍的疊加部分為最終的氧化帶范圍，即aBCd。取采空區(qū)的中軸線為x軸，與氧化帶范圍相交，可得1－2煤層的自燃“三帶”范圍，如圖6。1)從工作面向采空區(qū)深部0～48m的范圍為散熱帶。2)48～150m的范圍為氧化帶�！�32·(第44
圖6“三帶”范圍分析圖3)＞150m的范圍為窒息帶。CO氣體作為1－2煤層煤自燃的指標(biāo)性氣體，對(duì)其研究有著重要的意義。根據(jù)實(shí)測(cè)分析，采空區(qū)CO濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度的變化趨勢(shì)如圖7、圖8。圖7測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖8測(cè)點(diǎn)CO濃度隨推進(jìn)度的變化從圖7可知，CO濃度的變化都會(huì)出現(xiàn)波峰，預(yù)測(cè)遺煤氧化發(fā)生在這個(gè)波峰范圍之內(nèi)。有學(xué)者［6］提出在神東特殊的開(kāi)采條件下，采用CO濃度分布數(shù)據(jù)作為劃分采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的依據(jù)，且在部分工作面采空區(qū)進(jìn)行了“三帶”劃分。從圖8可知，CO濃度隨推進(jìn)度的變化并沒(méi)有明顯變化規(guī)律，因此采用CO濃度臨界值劃分柳塔煤礦1－2煤層采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍結(jié)果不準(zhǔn)確。3結(jié)論1)通過(guò)對(duì)煤樣的工業(yè)分析和煤自燃傾向性的色譜吸氧法鑒定，得到柳塔煤礦1－2煤層的含硫量為0．86%，吸氧量為0．95cm3/g干煤，為I級(jí)容易自燃煤層。2)1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)，1－2煤層自燃指標(biāo)氣體選取CO氣體。3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)試系統(tǒng)分析，得到O2濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度變化逐漸降低，而CO濃度沒(méi)有比較明顯的變化規(guī)律，因此1－2煤層工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分應(yīng)以O(shè)2濃度臨界值為標(biāo)準(zhǔn)，且“三帶”范圍是:從工作面向采空區(qū)深部0～48m的范圍為散熱帶，48～150m的范圍為氧化帶，＞150m的范圍為窒息帶。參考文獻(xiàn):［1］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．［2］董建立，鄧五先．安一井S4101工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)及防止自然發(fā)火的措施［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33(4):56－58．［3］
圖6“三帶”范圍分析圖3)＞150m的范圍為窒息帶。CO氣體作為1－2煤層煤自燃的指標(biāo)性氣體，對(duì)其研究有著重要的意義。根據(jù)實(shí)測(cè)分析，采空區(qū)CO濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度的變化趨勢(shì)如圖7、圖8。圖7測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖8測(cè)點(diǎn)CO濃度隨推進(jìn)度的變化從圖7可知，CO濃度的變化都會(huì)出現(xiàn)波峰，預(yù)測(cè)遺煤氧化發(fā)生在這個(gè)波峰范圍之內(nèi)。有學(xué)者［6］提出在神東特殊的開(kāi)采條件下，采用CO濃度分布數(shù)據(jù)作為劃分采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的依據(jù)，且在部分工作面采空區(qū)進(jìn)行了“三帶”劃分。從圖8可知，CO濃度隨推進(jìn)度的變化并沒(méi)有明顯變化規(guī)律，因此采用CO濃度臨界值劃分柳塔煤礦1－2煤層采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍結(jié)果不準(zhǔn)確。3結(jié)論1)通過(guò)對(duì)煤樣的工業(yè)分析和煤自燃傾向性的色譜吸氧法鑒定，得到柳塔煤礦1－2煤層的含硫量為0．86%，吸氧量為0．95cm3/g干煤，為I級(jí)容易自燃煤層。2)1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)，1－2煤層自燃指標(biāo)氣體選取CO氣體。3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)試系統(tǒng)分析，得到O2濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度變化逐漸降低，而CO濃度沒(méi)有比較明顯的變化規(guī)律，因此1－2煤層工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分應(yīng)以O(shè)2濃度臨界值為標(biāo)準(zhǔn)，且“三帶”范圍是:從工作面向采空區(qū)深部0～48m的范圍為散熱帶，48～150m的范圍為氧化帶，＞150m的范圍為窒息帶。參考文獻(xiàn):［1］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．［2］董建立，鄧五先．安一井S4101工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)及防止自然發(fā)火的措施［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33(4):56－58．［3］
圖6“三帶”范圍分析圖3)＞150m的范圍為窒息帶。CO氣體作為1－2煤層煤自燃的指標(biāo)性氣體，對(duì)其研究有著重要的意義。根據(jù)實(shí)測(cè)分析，采空區(qū)CO濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度的變化趨勢(shì)如圖7、圖8。圖7測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖8測(cè)點(diǎn)CO濃度隨推進(jìn)度的變化從圖7可知，CO濃度的變化都會(huì)出現(xiàn)波峰，預(yù)測(cè)遺煤氧化發(fā)生在這個(gè)波峰范圍之內(nèi)。有學(xué)者［6］提出在神東特殊的開(kāi)采條件下，采用CO濃度分布數(shù)據(jù)作為劃分采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的依據(jù)，且在部分工作面采空區(qū)進(jìn)行了“三帶”劃分。從圖8可知，CO濃度隨推進(jìn)度的變化并沒(méi)有明顯變化規(guī)律，因此采用CO濃度臨界值劃分柳塔煤礦1－2煤層采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍結(jié)果不準(zhǔn)確。3結(jié)論1)通過(guò)對(duì)煤樣的工業(yè)分析和煤自燃傾向性的色譜吸氧法鑒定，得到柳塔煤礦1－2煤層的含硫量為0．86%，吸氧量為0．95cm3/g干煤，為I級(jí)容易自燃煤層。2)1－2煤層煤樣在30～200℃范圍的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)，1－2煤層自燃指標(biāo)氣體選取CO氣體。3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布置測(cè)試系統(tǒng)分析，得到O2濃度隨時(shí)間和推進(jìn)度變化逐漸降低，而CO濃度沒(méi)有比較明顯的變化規(guī)律，因此1－2煤層工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分應(yīng)以O(shè)2濃度臨界值為標(biāo)準(zhǔn)，且“三帶”范圍是:從工作面向采空區(qū)深部0～48m的范圍為散熱帶，48～150m的范圍為氧化帶，＞150m的范圍為窒息帶。參考文獻(xiàn):［1］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．［2］董建立，鄧五先．安一井S4101工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)及防止自然發(fā)火的措施［J］．礦業(yè)安全與環(huán)保，2006，33(4):56－58．［3］ |
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圖1 （CO、CO2變化趨勢(shì)）
圖2（CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C3H8變化趨勢(shì)圖）
圖3（采空區(qū)“三帶”測(cè)試示意圖）
圖4（測(cè)點(diǎn)O2濃度隨推進(jìn)度的變化）
圖5（“三帶”范圍分析圖）
圖6（測(cè)點(diǎn)CO濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)）
圖7（測(cè)點(diǎn) CO 濃度隨推進(jìn)度的變化）