陈 立,郭鑫禾,武江河
(河北工程大学资源学院,河北邯郸056038)
综采放顶煤工艺的广泛应用,在提高煤矿经济效益的同时,也加剧了采空区遗煤的自燃,严重影响了矿井的安全生产[1-3]。而且不同的矿区和煤层,其预测指标和“三带”划分依据也并不相同[4-5]。孙勇[6]以采空区温度和O2浓度为依据,利用数值模拟方法确定了采空区自燃“三带”范围;魏引尚[7-8]以CO作为自燃“三带”预测指标和划分依据来分析确定自燃“三带”位置;尚秀廷[9]以采空区风速、O2浓度为依据,对轻放面采空区自燃“三带”进行划分,并确定了轻放面采空区的危险区域。针对小屯矿煤炭自燃的诸多影响条件及其复杂性,在煤样氧化热解实验的基础上,采用气体采样系统,对采空区的气体成分进行了分析,以C2H2作为指标预测该矿自燃“三带”范围,为该矿区遗煤自燃“三带”的划分提供参考依据。
在小屯矿14252工作面采集新鲜煤样9个,现场封装;为了保证煤样的充分氧化热解,将煤样制成2~10mm的颗粒,装入氧化热解装置的煤样加热管,进行氧化热解实验。
1.2.1 采样系统的制作
采样系统由采样器、输气管和抽气泵组成。气体采样器用直径150mm,壁厚5mm,长500mm的钢管焊接而成,如图1所示。管壁上打10mm孔60个,管壁内焊接衬垫16目不锈钢金属丝网,采样器一侧焊接有铝塑管接头。滤芯和外筒为滤尘器,其技术要求如下:
(1)滤尘器外筒用直径168mm的钢管制作,进气眼直径5mm,数量不少于50个;
(2)滤芯直径100mm,滤芯骨架上包裹两层直径120mm不锈钢筛网;
(3)接头处管头带丝扣,要求能与6mm铝塑管的管件螺纹联结。
采空区抽样气体输气管采用高强度铝塑管,直径18mm;内外壁为高强度塑料,中间夹层为铝合金;抽气泵是整个气体采集系统的动力装置,试验选用了2X-8型旋片真空泵。
1.2.2 测点的布置
为了检测采空区氧化热解气体成分变化情况,按照采样测点设置的总要求和原则[10],在工作面上、下端头和工作面采空区分别布置测点,每个测点均埋设气体采样器。
1号测点分别在工作面上端头敷设,2、3、4、5、6号测点采用沿工作面倾向均匀敷设的方法,在轻放支架底放溜槽后部采空区布设,7号测点在工作面下端头敷设(图2)。
通过实验得到14252工作面煤样氧化热解产生的CO、C2H2两种气体随温度的变化情况(图3)。当煤温升至80℃~120℃后,解析出以C2H2为主的烯烃类气体产物,而矿井空气中一般不含C2H2。因此,C2H2可作为小屯矿14252工作面遗煤自燃的主要预测指标,只要在井下空气中检测到C2H2气体,即可说明已有煤炭自燃。CO在100℃~120℃段曲线单调递减,从120℃又开始增加,其随温度变化不定,可作为辅助判断指标。
利用自制的气体采样系统,得到小屯矿14252综放面采空区的气体成分变化的数据,如图4所示。
由图4可以看出除4#和6#测点在距工作面为40m时才发现C2H2气体外,其余测点均在距工作面为30~127m范围内出现。由此可知:(1)在仰斜开采条件下,小屯矿14254综放面采空区的自燃带为距工作面30~127m的范围,自燃带的宽度为97m;(2)在距工作面小于30m的范围内,未发现C2H2气体,说明这个范围内漏风、散热条件较好,煤的氧化作用不强,耗氧量低,为散热带;(3)在距工作面大于127m的范围内,也未出现C2H2气体,进入窒息带。
此外对CO、CO2、CH4的实测结果分析表明,在距工作面40~110m之间,其浓度急剧增加,尤其在62~89m范围内,煤炭氧化比较剧烈,各测点出现波峰。
1)确定C2H2为小屯矿14252综放面遗煤自燃预测的主要指标,并将其含量作为该矿采空区遗煤自燃“三带”的划分依据;CO气体可作为预测遗煤自燃的辅助指标,需配合主要预测指标进行综合判定。
2)对采空区气体进行采样分析,得到自燃“三带”的分布范围:散热带0~30m,自燃带30~127m,窒息带>127m。该数据为峰峰矿区的采空区遗煤自燃“三带”范围的划分提供了参考。
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