邢伟德

(河南平宝煤业有限公司,河南省平顶山市,467000)

高突矿井煤炭自燃预测预报指标参数的研究

邢伟德

(河南平宝煤业有限公司,河南省平顶山市,467000)

阐述了煤炭自燃预测预报理论,对平宝公司己组煤层样进行程序升温氧化测试,结果表明,煤样中释放的CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4等气体,均不适合作为预报煤炭早期自燃的标志性气体,但煤样低温氧化中火灾系数R1和R2在60～80℃时,有拐点特征出现,可作为预报煤炭自燃的早期信号。

煤炭自燃 指标气体 火灾系数

煤炭自燃是矿井主要灾害之一,它不仅冻结了煤炭资源,而且危害井下作业人员生命和健康。如果能及时、准确地预测预报煤炭早期自热,可将煤炭自燃火灾处理在萌芽之中,达到防止火灾或减少损失的目的。目前,煤炭自燃火灾的早期识别和判断主要依据煤炭自燃过程中析出的气体成分和气体浓度的变化。

1 煤炭自燃预测预报理论

煤炭自燃预测预报主要有测温法和气体分析法两种。平宝公司采用气体分析法对高突煤层自燃预测预报指标参数进行研究,依据煤炭在自热氧化过程中,放出一定的热量和热解释放出CO、C2H4等气体的特点,通过检测分析采掘空间是否发生煤炭自燃,优选适合平宝公司己组煤层的指标气体,并确定其临界值,进行煤炭自燃的早期预测预报。

模拟实验的基本原理是:用一定量的空气流或氧气流与装在一定装置内的煤样均匀地充分接触,同时对煤样以一定的温度加热或程序升温至一定温度,分析煤中放出的气体成分及含量,得出随温度升高而变化的规律,从而优选出指标气体,并建立各种指标气体含量与煤温的定量关系图。应用模拟实验结果,根据井下气体组成和含量的变化,即可推知煤炭自热温度变化状况,以达到预测预报煤炭自燃这一目的。

2 实验过程及实验结果

2.1 实验过程

平宝公司矿井井田位于平顶山矿区李口向斜北翼东段,主采煤层为戊9-10煤层和己15及己16-17煤层。矿井主采煤层均具有突出危险性、煤尘爆炸性、自然发火倾向性。其中首采己二采区己组煤层瓦斯含量16.46 m3/t,瓦斯压力1.38 MPa,自然发火周期79 d,最短32 d。煤样取自己二采区东翼己15-12010、西翼己16-17-12041采掘工作面新暴露的表面,采样后立即放入塑料袋中并加以密封,运至实验室。

煤样程序升温氧化实验前,从装有原始煤样的密封袋中抽取一定的气体进行气相色谱分析,得到煤样在升温氧化前的气体情况。通过分析,可看出在常温常压下煤样氧化的组分,分析结果见表1。

煤样粉碎处理。打开煤样袋将煤样粉碎、过筛和称量,然后按不同的粒度和空气流量进行实验流量和粒度的考察。

表1 煤样常温常压下氧化后各种气体浓度%

煤样低温氧化实验。把粉碎好的粒径为0.198～0.35 mm的煤样,分别装入煤样罐内,打开高压空气瓶,调节空气稳压阀,直到用皂膜流量计测到出气口的空气流量为100 ml/min,然后进行程序升温,升温速率为3℃/min,每升温10℃后进行恒温稳定3 min,然后用抽气泵自动抽取煤罐气样进行色谱分析。

2.2 实验结果

煤样低温氧化热解析出气体CO、CO2、C2H4、C2H6、C3H8浓度与温度之间的关系以及低温氧化过程中氧浓度随温度变化曲线如图1所示。

图1 不同煤样各气体浓度与温度关系

3 实验结果分析

根据实验结果,煤样程序升温中析出气体初始温度及气体浓度如表2所示。从实验结果可得出如下规律:

表2 煤样程序升温中最早出现气体的温度及气体浓度

(1)煤样程序升温中,己15煤煤样首先出现的是C2H6,随后,当温度上升到60℃左右时,己15煤煤样和己16-17煤煤样均出现了CO;煤样温度的进一步升高,己15煤煤样分别出现C3H8和C2H4气体,而己16-17煤煤样先后出现C2H6、C3H8和C2H4气体,两煤样出现气体产物有一定差别。

(2)己15煤和己16-17煤煤样气体产物量快速增长的温度以及趋势几乎相同:当煤温上升至130～140℃时,CO和CO2产生量快速增加;当煤温上升至150～160℃时,C2H4和C2H6产生量快速增加;当煤温上升至180℃左右时,C3H8产生量快速增加;相应地,当煤样氧化中气体产物快速增长时,即煤样温度在140～160℃氧浓度快速下降。

(3)煤样氧化温度达200℃,两煤样均未出现乙炔气体(C2H2)。

(4)煤样火灾系数R1(+ΔCO2/-ΔO2)和R2(+ΔCO/-ΔO2)随温度关系见图2和图3。

可见,两煤样火灾系数R1、R2随实验煤样温度增加而呈现有规律地增加。己15煤煤样在煤温上升至60℃左右时,R2快速增加,而己16-17煤煤样在温度上升至80℃左右时,R2快速增加;煤样温度上升至80℃左右时,己15煤煤样火灾系数R1出现快速上升的拐点,己16-17煤煤样在110℃之后火灾系数R1随氧化升温温度增加而急剧增加。

(5)煤样低温氧化中烯烷比值(C2H4/CH4)和烷比值(C2H6/CH4)在煤样温度增加到160℃后有规律地急剧增大,但由于烯烷比值、烷比值较小不宜作为预测煤自燃的指标。

4 结论

通过对模拟低温氧化实验结果的分析,可以得出如下结论:

(1)根据平宝公司煤矿各煤样低温氧化过程中气体出现温度及气体产生量,由于常温会析出CO,且CO快速增长出现在130～140℃左右,因此,不能以CO作为煤炭自燃的主要标志性气体,但可作为辅助标志性气体。

(2)煤样低温氧化中火灾系数R1和R2在60～80℃时,有拐点特征出现,可以火灾系数R1和R2作为预报的指标,经实践应用验证,实验准确率达到100%。

[1] 戴广龙.煤低温氧化及自燃特性的综合实验研究[M].徐州:中国矿业大学出版社,2010

[2] 朱令起,周心权,谢建国等.东欢坨煤矿自然发火标志气体优化选择[J].煤矿安全,2008(7)

[3] 王德明.矿井火灾学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008

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[5] 戴广龙.煤低温氧化过程气体产物变化规律研究[J].煤矿安全,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

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邢伟德(1968-),男,河南郏县人,工程师,现任河南平宝煤业有限公司副总经理。

(责任编辑 梁子荣)