基于气体生成速率的煤自燃CO指标临界值确定方法

吴恩全

(陕西有色榆林煤业有限公司,陕西 榆林 719000)

矿井火灾是我国煤矿面临的主要灾害之一,近年来煤矿井下自燃火灾事故和因煤自燃诱发的瓦斯爆炸事故表明,未能及时发现煤自燃早期征兆和未能及早采取预防措施是主要的致灾原因[1-4]。在煤氧化生成的气体中,CO体积分数与煤温存在一定规律性的对应关系[5],具有非常高的规律性、敏感性和可测性,虽然CO也容易受外界环境的影响,如井下爆破、汽车尾气、老火区气体运移等,但可以通过现场分析排除或者结合CO体积分数变化趋势来进行监测预警[6-8]。长期以来,国内外对煤炭自燃所产生的标志性气体进行的大量实验研究表明,CO在一定程度上可以预测预报采空区遗煤自然发火[9-11]。《煤矿安全规程》和《煤矿防灭火细则》中要求矿井开采容易自燃和自燃煤层时,必须根据CO指标或采空区温度确定自然发火预警阈值,实现煤自然发火的早期预测预报。

通过分析国内外学者的研究成果可知[12-17],目前确定CO指标临界值一般是根据实验测试和现场观测得到。由于实验测试与井下现场环境存在较大差距,现场观测一般也不能直接得到煤自燃CO指标临界值。基于此,本文以红石岩煤矿2号煤层12408工作面为研究对象,通过实验室模拟和煤矿现场观测获取煤层自燃特性和现场参数条件,利用建立的数学预测模型,确定煤自燃标志气体CO指标临界值,为矿井采空区自然发火的早期预测预报提供指导。

1 CO指标临界值的确定方法

对于未发生过煤自然发火现象的矿井,现场观测只能得到煤在低温氧化阶段的CO体积分数指标,煤自燃高温阶段的CO体积分数指标需要通过实验和建模预测得到。本文提出的CO指标临界值确定方法是在煤程序升温氧化过程实验研究的基础上,对煤层回采工作面现场进行考察,分析现场自然发火标志气体的变化规律。结合矿井生产条件参数分析工作面CO来源,推导出基于实验条件下气体产生速率的CO体积分数指标预测数学模型,计算得出煤层工作面回风隅角CO安全管理浓度及煤层自然发火标志气体临界值,并以红石岩煤矿作为试验矿井进行实例应用。

2 实验室分析研究

利用程序升温实验研究煤自燃过程中各种气体产物与煤温的对应关系,为现场预测气体指标提供数据基础。

2.1 实验方法和结果

煤样取自红石岩煤矿2号煤层12408工作面,剥去其表面氧化层后破碎筛分为100目作为实验煤样,将50 g粒径小于100目的煤样装入罐内,持续通入100 mL/min的干空气,升温速率设置为1.0 ℃/min,进行煤自燃程序升温试验,得到实验结果如表1所示。

2.2 实验结果分析

1) CO在40 ℃时开始出现,灵敏性强,其浓度随着煤温变化呈现阶段性变化规律,根据CO气体浓度以及其变化速率可推测得到当前煤自燃程度以及煤温。

2) C2H4从90～100 ℃时开始出现,表明测试煤样所代表的煤层局部进入了加速氧化阶段,必须采取切实有效的防灭火措施,否则煤的自燃过程将不可逆转。

3) 在实验温度内,没有检测到C2H2,说明一旦C2H2出现,煤温已经超过200 ℃,煤层局部可能出现明火。

表1 红石岩煤矿2号煤层煤样升温氧化气体产物体积分数记录表/10-6

3 现场气体考察分析

现场气体考察能够更加直观地获取在生产条件下工作面煤自燃标志气体的变化规律和主要来源,其主要方法是考察工作面上隅角、回风巷、采空区内部气体成分的变化规律(主要是CO指标气体的变化规律),以此来确定煤矿现场自然发火标志气体。

3.1 现场考察结果

对12408工作面回采期间回风隅角和回风巷气体进行为期30 d的采样分析,在此期间12408回采工作面回风隅角和回风巷CO一直为0.12408工作面回风隅角和回风流温度如图1所示,稳定在18～20 ℃之间,综合分析表明,在正常生产条件下,红石岩2号煤层氧化比较平缓,基本上没有CO产生。

3.2 考察结果分析

通过对试验煤层12408综采工作面回风隅角和回风巷气体成分进行分析发现,在正常回采过程中,回风隅角几乎检测不到CO气体的存在。从以往的矿井人工取样分析可知,矿井在正常开采中也没有出现工作面回风隅角CO超限现象,说明试验煤层在常温下发生低温氧化产生CO,但由于煤矿现场地质条件等各方面原因,试验煤层未出现剧烈氧化现象,导致CO体积分数较小,几乎检测不到。这也和氧化升温试验中试验煤样在30 ℃温度下就产生CO,但出现的体积分数值非常低的现象基本吻合。在现场实际检测过程中,偶尔发现体积分数极小的C2H6和C3H8气体,经分析认为可能是煤层原生赋存的气体。结合煤层实验室分析,可以确定将CO气体作为煤层早期自燃预报的标志气体。

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图1 工作面各地点温度变化

4 CO体积分数指标预测模型

煤自燃是一个复杂的非线性动态过程,根据相关研究可知,煤自燃过程中存在一个临界温度点,是划分煤缓慢氧化阶段和加速氧化阶段的分界点,一般在60～90 ℃之间,因此,计算煤自燃达到临界温度时所对应的CO产生速率,并结合其他参数进行煤自燃的早期预报预警,对制定煤自燃防灭火措施具有重要意义[18-19]。

4.1 煤样CO产生速率

根据煤自燃程序升温实验结果,计算煤样CO产生速率。沿煤样罐中心轴处dx煤样的CO产生率为:

SVCOdx=qdc

(1)

式中:S为煤样罐的横截面积,cm2;VCO为某一温度下煤样产生CO的速率,mL/(min·m3);q为煤样罐中通气量,mL/min;c为某一温度下煤样产生CO量,10-6.

将式(1)两边分别积分可得:

(2)

式中:c2、c1分别为煤样罐进出口气体中CO产生量,10-6;L为煤样罐的装煤高度,cm.

由式(1)、式(2)可以得到:

(3)

4.2 建立预测模型

工作面正常开采条件下,忽略井下爆破作业、胶轮车尾气产生的影响,工作面回风隅角CO气体主要来源于采空区内遗煤长期低温氧化产生。为了计算方便,将回采过程中破碎的煤体理想化为采空区散热带的遗煤量,将采空区的长期遗煤理想化为采空区内氧化带的遗煤量,则工作面回风隅角CO气体可近似地认为是采空区散热带和氧化带的遗煤氧化产生。代入采空区散热带和氧化带遗煤不同的氧化修正系数,对应不同温度条件下的CO气体产生率,可以建立预测正常开采条件下的工作面回风隅角CO体积分数数学模型如下[20]:

CCO=(V1+V2)/QL

(4)

采空区散热带和氧化带遗煤氧化的CO生成量由下式计算:

采空区散热带煤体氧化CO产生量:

V1=K1L1IH(1-φ)VCO

(5)

采空区氧化带遗煤氧化CO产生量:

V2=K2L2IH(1-φ)VCO

(6)

由式(4)、式(5)和式(6)相结合可以得到:

(7)

式中:K1为采空区散热带氧化修正系数,取0.5～0.7;L1为采空区散热带的宽度,m;K2为采空区氧化带氧化修正系数,综采面取0.1～0.3;L2为采空区氧化带的宽度,m;I为工作面长度,m;H为工作面采高,m;φ为工作面回采率,%;Q为工作面供风量,m3/min;η为工作面漏风率,一般取0.06～0.1.

假设工作面回风巷道漏风忽略不计,则工作面回风巷CO体积分数指标预测数学模型为:

(8)

式中:CCOl为工作面回风巷CO体积分数。

5 CO指标临界值确定

根据试验煤层氧化升温实验和现场考察综合分析可知,在温度为30～50 ℃时,CO生成量较小,但CO产生速率上升较大,当温度超过60 ℃时,CO生成量急剧增加,产生速率迅速上升,表明此时煤样氧化的速度加快,在此阶段之前是煤炭自燃早期预测预报与防治的最佳时机。当温度达到90～100 ℃时,开始出现C2H4气体,说明煤样进入了加速氧化自燃阶段。因此,将60 ℃和90 ℃作为试验煤层自然发火预测预报的关键临界温度点,利用推导出的CO体积分数指标预测模型计算该临界温度下回风隅角和回风巷的CO临界值。

12408综采工作面长度140.8 m,采高H=3.1 m,工作面回采率为95%.根据该煤层的采空区自燃“三带”实测数据和现场气体考察结果,散热带宽度取30 m,修正系数取0.5,氧化带宽度取100 m,修正系数取0.1.工作面风量为1 100 m3/min,采空区漏风率按照6%计算,则漏风量为66 m3/min.

根据以上分析,结合煤自燃程序升温实验结果,代入工作面既定参数,得到试验工作面回风隅角和回风巷CO体积分数指标预测值如表2所示。

表2 试验工作面CO体积分数指标临界值预测计算值

根据表2预测结果可知,当试验工作面回风隅角CO体积分数小于27.94×10-6或回风巷CO体积分数小于1.68×10-6时,工作面采空区遗煤处于缓慢氧化阶段;若回风隅角CO体积分数超过464.92×10-6或回风巷CO体积分数超过27.9×10-6时,说明采空区遗煤开始进入加速氧化阶段。据此,可以确定在正常开采条件下,试验工作面回风隅角和回风巷CO安全管理浓度分别为27×10-6、2×10-6,CO自燃指标临界值分别为465×10-6、28×10-6.

6 结 语

通过建立数学预测模型,结合实验测试和现场考察,研究了基于气体生成速率的煤自燃CO指标临界值确定方法,并在红石岩煤矿进行了应用,得到了试验煤层煤自燃CO指标临界值,取得主要结论如下:

1) 提出了一种基于气体生成速率的煤自燃CO指标临界值确定方法,该方法是在实验室煤样自燃标志气体优选结果的基础上,对煤层回采工作面现场进行考察,统计分析矿井日常的自然发火指标观测数据。当现场考察无法得出指标临界值时,通过理论分析建立预测数学模型,可以直接计算预测工作面回风隅角CO的安全管理浓度以及自燃临界值。

2) 根据实验条件和煤矿现场参数,建立了煤样CO产生速率计算模型和CO指标临界值预测模型,可计算预测在不同煤温不同地点的CO产生速率和CO临界值,为矿井早期煤自燃预测预报工作提供指导。

3) 应用该方法确定了红石岩煤矿12408综采工作面回风隅角和回风巷的CO安全管理浓度分别为27×10-6、2×10-6,CO自燃指标临界值分别为465×10-6、28×10-6,保障了矿井现场防灭火工作的顺利进行。