易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术项目-验收材料.doc

易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究验 收 材 料内蒙古蒙泰不连沟煤业有限公司河南理工大学2011年03月易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究验收材料目录项目验收材料之一：易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目执行情况总结报告项目验收材料之二：易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目研究报告项目验收材料之三：易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目经费决算表项目验收材料之四：易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究效益分析报告项目验收材料之五：易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目决策报告项目验收材料之六：易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究成果应用证明易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目验收材料之一项目执行情况总结报告内蒙古蒙泰不连沟煤业有限公司河南理工大学2011年03月易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目执行情况总结报告1 承担单位不连沟煤矿易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究课题是内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司09年得科学技术研究项目，该课题由内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司与河南理工大学共同承担。2 研究目标及研究内容(1)技术目标：通过对不连沟煤矿首采F6102工作面煤炭自燃特性参数及规律的研究，构建不连沟煤矿易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系，制定矿井煤炭自燃综合防治技术措施。 (2)技术内容： F6102采煤工作面煤自燃特性参数测试及分析； F6102采煤工作面火灾预测预报体系研究 F6102采空区“三带”观测与规律研究； 不连沟煤矿采煤工作面综合防灭火技术研究。(3) 技术方法和路线：本项目主要通过实验室参数测试、现场数据收集、分析，并结合数值模拟与理论计算，构建本矿首采F6102工作面煤炭自燃的预测预报体系，制定综放开采防灭火措施，通过现场应用，进一步修改、完善防灭火方案，为今后矿井安全生产提供保障。3 研究成果本项目是在华电集团不连沟煤业公司及不连沟煤矿各级领导的大力配合之下顺利完成的。确定了不连沟煤矿6煤层自燃预测预报敏感气体和指标，构建了不连沟煤矿综合防火技术保障体系。其主要研究成果如下：（1）基于未确知测度理论，建立了F6102综放工作面火灾危险性评价指标和排序模型。针对F6102综放面在淋水较大和淋水较小两种情况下进行火灾危险性分析。表明：在=0.5识别准则下淋水较大和淋水较小两种情况下火灾危险性等级均为级，即火灾危险程度均较高。（2）通过实验室测试，进一步确定了F6102综放工作面煤层自燃倾向性等级为I类。根据所采集煤样的自燃倾向测试结果可知：常温常压下实验煤样吸附流态氧量在0.790.96cm3/g之间，依据GB/T20104-2006标准，不连沟煤矿煤层自燃倾向性等级为I类，即容易自燃煤层。（3）通过实验室热重分析，明确了煤层的升温特性。煤样的热重分析表明：在同一升温速率下，不同采样地点的煤样升温特征有所差异。不同升温速率下，同一采样地点煤样的特征温度随着升温速率的增大而增大。（4）构建了F6102综放工作面煤层自燃的预测预报体系，明确了敏感指标和对应预报结果。不连沟煤矿6#煤自然发火的复合预测预报指标采用CO，C3H8，C2H4和C2H2，其中CO作为煤缓慢氧化阶段的预测预报指标，C3H8，C2H4 和CO作为煤加速氧化阶段的预测预报指标，C2H2作为煤激烈氧化阶段的预测预报指标。各预测预报指标参数与自燃状态对应关系见表1和表2。表1 工作面回风隅角支架后部气体监测预报表CO浓度C2H6C2H4C3H8C2H2预报结果500ppm有有有有有高温或明火表2 回风流气体监预报表CO浓度C2H6C2H4C3H8C2H2预报结果无无无无无正常124ppm无无无无存在自燃隐患2450ppm无无无无发生自燃隐患50ppm有有无无煤温已超过临界温度有有有无煤温已超过干裂温度有有有有有高温或明火（5）通过现场观测与实验室数值模拟，明确了工作面不同回采时期的自燃“三带”分布规律。通过现场实测氧气浓度变化、利用fluent模拟漏风风速变化、模拟氧气浓度变化，利用MIN-MAX的方法，确定F6102工作面初次来压期间氧化自燃带宽度为28.00m；F6102工作面周期来压期间氧化自燃带宽度为51.00m。（6）明确了F6102综放工作面初次来压和周期来压期间工作面的防火安全推进速度。初次来压期间工作面的连续推进速度大于1.80m/d（即工作面月推进量大于54m）时，工作面采空区无自燃发火危险。周期来压期间工作面的连续推进速度大于3.40m/d（即工作面月推进量大于102.00m）时，工作面采空区无自燃发火危险。（7）研究了F6102工作面的矿压显现规律与煤层自燃三带之间的关系，并用于指导工作面生产期间的防火工作。（8）构建了F6102工作面技术保障体系，编制了F6102综放工作面停采、撤面期间的防火、防瓦斯等安全技术措施。- 3 -易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目验收材料之二项目研究报告内蒙古蒙泰不连沟煤业有限公司河南理工大学2011年03月目 录前 言11 F6102综放工作面概述31.1 工作面开采布置情况31.2 工作面地质条件32 基于未确知测度的综放面火灾危险性评价42.1 未确知测度理论介绍42.1.1 单指标测度42.1.2 指标权重的确定52.1.3 多指标综合测度评价向量52.1.4 置信度识别准则52.2 综放面火灾危险性评价指标及指标函数62.2.1 综放面自燃发火危险性评价因素的选取62.2.2 评价指标隶属函数和隶属函数图的建立62.3 F6102综放面火灾危险性评价的解算结果及分析112.3.1综放面火灾危险性评价的解算结果112.3.2 F6102综放面火灾危险性评价结果分析122.4 小结133 不连沟煤矿煤自燃特征参数研究153.1 煤的自燃倾向性测试153.1.1 实验装置及技术参数153.1.2 实验仪器工作原理及分类标准153.1.3 实验煤样采取原则及制备要求163.1.4 实验过程及测试结果173.2 煤的热重实验及分析203.2.1 STA 449C仪器介绍及技术参数203.2.2 实验仪器工作原理及实验条件213.2.3实验结果及分析223.2.4 TG及DTG曲线上特征温度点分析263.3 煤氧化进程中动力学参数分析273.3.1 活化能的计算方法273.3.2实验煤样活化能的求解283.4 煤的红外光谱实验与分析303.4.1 红外光谱在煤结构研究中的应用303.4.2 红外光谱实验过程及实验结果313.4.3 红外光谱图的定性分析343.5 小结364 F6102工作面自燃三带现场观测与模拟分析374.1 F6102工作面自燃三带划分指标及现场观测374.1.1 煤自燃三带划分指标374.1.2 F6102工作面“自燃”三带现场观测374.2 F6102工作面“两道一线”自燃三带分析384.2.1 初次来压期间工作面采空区自燃三带观测及分析384.2.2 周期来压期间进回风顺槽采空区自燃三带观测及分析394.3 采空区松散煤体自然发火微循环过程的数学模型424.3.1 采空区松散煤体气流微循环非线性渗流模型424.3.2 采空区松散煤体气流微循环流动的非线性渗流场边界条件444.4 基于Fluent的F6102综放面采空区数值模拟研究454.4.1 初次来压期间数值模拟基本参数及设置454.4.2 初次来压期间数值模拟结果及分析464.4.3 周期来压期间数值模拟基本参数及设置494.4.4 周期来压期间数值模拟结果及分析504.5 基于“自燃”三带研究确定工作面最小推进速度544.5.1 初次来压期间工作面最小推进速度544.5.2 周期来压期间工作面安全推进速度554.6 小结565 F6102工作面煤自燃预测预报体系575.1基于指标气体分析的火灾预测预报技术575.1.1预测煤自然发火的标志气体种类575.1.2预测煤自然发火的标志气体的特征分析585.1.3预测煤自然发火的标志气体的选取原则605.2优选预测煤自然发火的标志气体分析605.2.1实验装置及工作原理615.2.2实验条件及过程615.2.3 实验结果615.2.4标志参数的分析与讨论625.2.5标志参数的可信度分析645.3 煤层自然发火监测及早期预报技术685.3.1巷道自然发火观测685.3.2工作面自然发火监测及早期预报705.4 小结726 不连沟矿压规律及其对采空区自燃危险区域的影响736.1不连沟煤矿的矿压规律736.1.1工作面概况736.1.2地质条件746.1.3液压支架参数746.2 不连沟煤矿矿压规律756.2.1 初采期间的矿压规律756.2.2 正常回采期间矿压规律806.2.3 末采期间矿压规律876.2.4 工作面推进距离与来压步距关系896.3 矿压规律对采空区自燃发火区域的影响916.3.1 顶板冒落压实状况与采空区自燃三带的关系916.3.2 矿压影响自燃三带的原因及自燃三带实测936.4 F6102工作面漏风情况分析986.5 矿压规律对工作面回风隅角CO浓度的影响986.6 小结997 F6102工作面停采期间的防灭火措施1017.1 接近停采线和停采期间加强采煤工作面自燃监测1017.1.1 准备工作1017.1.2加强采煤工作面气体监测1027.2 接近停采线和停采期间加强采空区“两道”的封堵和注胶1027.3 接近停采线和停采期间加强停采线处的处理措施1037.4 停采、撤面期间防治瓦斯措施1057.5 小结1068 F6102工作面综合防火技术保障体系1078.1 注氮防灭火技术1078.1.1注氮防灭火技术及机理1078.1.2 F6102综放面氮气防灭火参数计算1088.1.3 F6102综放面注氮管理措施及日常维护1148.2 注浆防灭火技术1178.2.1 浆材选取及浆液制备方法1178.2.2 注浆防灭火主要参数1198.2.3 注浆工艺1218.2.4 矿井注浆防灭火安全措施1218.3其他防灭火措施1228.3.1 地面防火1228.3.2 井下防火1238.3.3 防治煤层自然发火措施1258.4 F6102综放面防灭火技术组织保障措施1298.5 小结1319 主要研究成果132IV易自燃巨厚煤层综放开采自然发火预测预报体系及综合防治技术研究项目研究报告前 言一、立项背景不连沟煤矿为设计能力10Mt/a的新建矿井，开采易自燃煤层，大采高综放开采工艺，一旦发生煤层自燃，则损失十分严重。该矿设计根据煤矿安全规程规定也采用了综合预防煤层自然发火的措施，但存在以下问题值得研究：（1）缺乏对不连沟煤矿开采煤层自然发火参数的基础研究，没有从本质上弄清煤层易自燃的原因。（2）设计阶段不连沟煤矿煤自然预测预报主要凭借经验，无法形成一套成形的、系统的预测预报体系。（3）矿井采空区自燃“三带”范围不清楚，使用注氮、注浆等方法进行防灭火时，浆体和氮气等防灭火介质的输送地点和使用量缺少针对性。通过 “易自燃煤层火灾预测预报及综合防治技术研究”项目的研究，对不连沟煤矿6煤层自燃机理、预测预报技术、防灭火措施等方面开展研究，形成一整套预测预报和防灭火体系，更好地为煤矿安全生产服务。二、本项目的主要研究内容A) 采煤工作面火灾危险性评价及权重分析 工作面火灾危险性评价指标的遴选； 工作面火灾危险性评价模型的建立； 工作面火灾危险性评价模型的解算； 工作面火灾危险性评价指标的权重排序。B) 采煤工作面煤自燃特性参数测试及分析 实验室煤样的工业分析与元素分析； 煤自燃倾向性的测试分析； 煤自燃过程中特征温度点及质量变化的测试分析； 煤的红外光谱测定与分析。C) 采煤工作面火灾预测预报体系研究 制定工作面煤自燃发火人工采样布点观测方案； 制定工作面煤自燃发火束管监测系统方案； 建立井下人工采样观测和束管监测系统相结合的自燃预测预报体系，实时动态地监测煤层自燃状况及变化趋势。D) 采空区“三带”观测及数值模拟研究 采空区气体成份的现场观测； 采空区“三带”的数值模拟专业数值模拟软件； 采空区“三带”现场观测与数值模拟的耦合研究； 采空区遗煤自燃危险区域的综合判定。E) 采煤工作面综合防灭火技术研究 氮气防灭火技术研究注氮方式、注氮流量、注氮位置及移动步距； 注浆防灭火技术研究注浆方法、注浆口位置及注浆量计算。三、研究进度1）2009.112010.1，资料调研及煤样采集；采空区气体成分及浓度测定；制定开切眼防火方案和回采期间防火措施。2）2010.12010.3，煤的工业分析；煤的元素分析；煤的自燃倾向性测定；煤的热分析测定；煤的红外光谱测定及分析。3）2010.32010.7，工作面煤层自燃危险性分析；采空区“三带”数值模拟；采空区自燃危险区域初定。4）2010.72010.9，煤自燃预测预报体系建立；制定工作面停采期间的防火措施；完善6103工作面综合防火技术保障体系。5）2010.92010.10，防灭火措施调整与优化。6）2010.1112，编写项目研究报告。四、取得的主要成果通过本项目的研究，确保了不连沟煤矿易自燃特厚煤层首采F6102工作面的顺利回采。在工作面未发生一次火灾的前提下，安全、高效地回收煤炭资源近500万t，产值超过15亿元。同时，确定了不连沟煤矿6煤层自燃预测预报敏感气体和指标，构建了不连沟煤矿综合防火技术保障体系。五、致谢感谢在本项目研究过程中为我们提供帮助的各级领导、技术人员、工人和司机等等朋友，是你们的真诚帮助才有了本项目的顺利实施，愿好人一生平安！感谢本项目组全体成员，是大家的精诚团结和辛勤努力，保证了项目的顺利完成。1 F6102综放工作面概述1.1 工作面开采布置情况F6102综放工作面为不连沟煤矿的首采工作面，开采煤层为6#煤，煤层自燃倾向性为容易自燃，自燃发火期为4060d，据重庆煤炭科学总院取样测定结果最短发火期为12d。F6102工作面所采煤层为石炭系上统太原组6#煤层，煤层产状平缓，裂隙较发育，6#煤层厚1121.5m，平均厚度15.8m，煤层倾角08，平均4，机采高度4.0m，放煤高度11.8m，采放比平均达到1:2.95。地表为黄土层，厚16.744.8m，植被稀少，水土流失严重，冲沟发育。6#煤层直接顶板以泥岩、砂岩为主。6#煤层直接底板以泥岩、砂质泥岩类为主。工作面两条顺槽及切眼均沿煤层底板平行布置。进风顺槽(辅运顺槽)直接与6煤辅助运输大巷相连，构成工作面的辅助运输系统；回风顺槽（主运顺槽）与6煤回风大巷相连，构成工作面的回风系统；主运顺槽通过溜煤眼与6煤运输大巷相连，构成工作面的运煤系统。1.2 工作面地质条件基本顶：主要是粗砂岩，厚度为16.7m，呈灰黄色及灰白色，厚层状粗粒砂状结构成分，以石英岩屑为主呈次棱角状分选差，局部砾泥质孔隙式胶结为主。直接顶：以泥岩、砂岩为主，厚度3.3m，呈黑褐色，薄层状泥质结构，局部夹煤线岩石破碎呈碎块状平坦状断口。直接底：以泥岩、砂质泥岩类为主，厚度1.1m，泥岩呈浅灰色，中厚层状，含黄铁矿结核。砂质泥岩呈浅灰色，厚层状，平坦状断口。基本底：主要是细砂岩，厚度平均2.9m，呈灰白色，块状，以石英为主长石次之，孔隙式胶结，坚硬，夹有少量炭屑。本面地质条件较复杂，沿东西方向为一中间低两头高的舒缓向斜。共揭露断层24条，其中F45断层斜穿此工作面，对回采有较大影响。2 基于未确知测度的综放面火灾危险性评价综放面火灾危险性评价是煤矿井下火灾防治的前提和基础，其任务是识别综放面生产中的火灾危险因素，确定其危险程度。其目的是为了贯彻“安全第一，预防为主”的方针，提高煤矿的本质安全程度和安全管理水平，降低煤矿生产中的火灾危险性，预防事故发生。目前国内外学者先后运用模糊综合评判法、灰色定权聚类分析法、灰色关联分析法及神经网络分析法，在此方面做了卓有成效的评价实践和研究，综放面火灾危险性评价的难点在于许多因素的不确定性和隐蔽性，如何将这些不确定的信息考虑在内并进行分析，是值得深入考究的一个重要问题。在这方面，未确知数学理论提供了一个比较好的途径，未确知测度模型严谨，评价结果合理、精细，更适合于综放面火灾危险性评价。2.1 未确知测度理论介绍设某评价对象R有n个，则评价对象空间R=R1, R2, , Rn。对于每个评价的对象Ri(i=1,2,n)有m个单项评价指标空间，即X=X1,X2,Xm。则Ri可表示为m维向量 Ri =xi1,xi2,xim，其中，xij表示研究对象Ri关于评价指标Xj的测量值。对Ri的每个子项xij(i =1,2, n；j=1,2,m)，假设有p个评价等级，且把评价空间记为U，则有U=C1,C2,Cp。设Ck( k=1,2,p )为第k级评价等级，且k级比k+ l级危险等级“高”，记作CkCk+1。若满足ClC2 C3 Ck，称C1,C2,Cp是评价空间U的一个有序分割类。 2.1.1 单指标测度若ijk=（xijCk）表示测量值xij属于第k个评价等级Ck的程度，且要求满足： （1） （2） （k=1,2,p） （3）式（2）称为“归一性”，式（3）称为“可加性”。满足式（1）-（3）的称为未确知测度（uncertainty measure）,简称测度。对于每个评价的对象Ri(i=1,2,n)，称矩阵（ijk）mp为对象Ri的单指标测度评价矩阵，且有： （4）2.1.2 指标权重的确定设wj表示测量指标与其他指标相比具有的相对重要程度，如果wj满足：0wj1，且，则称wj为Xj的权重，w=w1,w2,wm称为指标权重向量。可利用熵确定权重，即： （5） （6）因为单指标测度评价矩阵式（4）是已知的，所以通过式（5）、（6）可求得wj。2.1.3 多指标综合测度评价向量令ik=(RiCk)为评价样本Ri属于第k个评价类Ck的程度，则有： （i=1,2,n; k=1,2,p） (7)显然有0ik1，以及，所以式（7）是未确知测度，故称i1, i2,ip为Ri的多指标综合测度评价向量。2.1.4 置信度识别准则 为了对评价对象作出最后的评价结果，引入置信度识别准则：设为置信度（0.5），若C1C2Cp，且令 （8）则认为评价样本Ri属于第k0个评价类Ck0。2.2 综放面火灾危险性评价指标及指标函数对综放面火灾危险性进行研究对于开采具有自燃危险性煤层的矿井具有重要的现实意义。通过数据统计分析和资料调研，从分析影响综放面火灾危险性的“人”、“机”、“环境”三个方面的影响因素入手，对影响综放面火灾危险程度的因素进行筛选，影响因素的量化采用模糊数学方法或专家意见法，将影响因素分级并取值，评判程度划分级（C1）、级（C2）、级（C3）、级（C4），分别表示危险程度极高、危险程度高、危险程度一般、危险程度较低。基于未确知测度理论建立综放面火灾危险性评价模型，对实验工作面进行火灾危险性评价，以此指导实验矿区的火灾预测预报和防灭火管理工作。2.2.1 综放面自燃发火危险性评价因素的选取根据综放面火灾有关资料，选取16个因素作为评价综放面火灾危险性的影响因子，分别是煤层赋存地质构造、工作面淋水情况、工作面周围开采情况、采空区冒落及充填情况、工作面电气设备、工作面火灾预测预报系统、工作面防灭火技术及措施、煤易发火性、煤层厚度、煤层倾角、煤层埋深、围岩温度、工作面回采率、工作面日产量、工作面供风量、工作面推进度(分别用X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16表示)，其中对X1X8等8个影响因素由专家采取半定量化的方法进行赋值。X9X16等8个影响因素用实测值进行评价。2.2.2 评价指标隶属函数和隶属函数图的建立借助于数学软件MATLAB，分别对X1X16等16个影响因素建立隶属函数和隶属函数图，其过程如下：1、定性指标。根据定性指标的特点，由专家建立定性指标X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7和X8的单指标测度函数图，如图2-1所示。2、煤层厚度。根据煤层厚度分类方法，煤层按照厚度分为薄煤层(3.5m)。采煤工作面开采的煤层厚度一般都是在一定的范围内变化的，由于采煤工作面支架支撑高度变化范围是一定的，因此煤厚变化的幅度越大，对回采过程的影响越大，可能的丢煤量就越多，采空区自然发火的危险性也越大。根据煤层厚度对自燃危险性影响的特点，采用“三角形分布”进行隶属度函数刻画，隶属度函数图形如图2-2，自变量x为煤层厚度，单位为m，变化区间为0，)，u1=trimfNan, 0, 1.3，u2=trimf0, 1.3, 3.5，u3=trimf1.3, 3.5, 10，u4=trimf3.5, 10, ，节点sj为：s1=0m；s2=1.3m；s3=3.5m；s4=10m。图2-1 定性指标X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7和X8单指标测度函数图2-2 煤层厚度X9的单指标测度函数3、煤层倾角。煤层倾角较大时，特别是急倾斜煤层，由于采煤方法等原因往往造成采空区丢煤量较多，采空区封闭困难，采空区自燃危险程度较大。煤层倾角评价指标隶属度函数用“三角形分布”和“梯形分布”来刻画，隶属度函数图形如图2-3，其中自变量x为煤层倾角，单位为度，变化区间为0,90，u1=trimfNan,0,8,u2=trimf0,8,25,u3=trimf8,25,45,u4=trampf25,45,90,Nan,节点sj为：s1=0，s2=8，s3=25，s4=45。图2-3 煤层倾角X10的单指标测度函数4、煤层埋深。煤层埋藏深度越大，煤体的原始温度越高，煤中所含水份越少，煤层开采自燃发火危险性较大，但开采深度过小时又容易形成与地表的裂隙沟通，也会在采空区形成浮煤自燃。埋藏深度评价指标隶属度为三角形分布和梯形分布，煤层埋藏深度评价指标隶属度函数图形如图2-4，其中x表示埋藏深度，单位为m，其变化区间为0，)，u1=trimf100, 200, 300, u2=trimf200, 300, 500, u3=trimf300, 500, 700，u4为两段：trampfNan, 0, 100, 200和trampf500, 700, 1000, ），节点sj为：s1=100m；s2 =200m；s3=300m；s4=500m；s5=700m。图2-4 煤层埋深X11的单指标测度函数5、围岩温度。煤岩原始温度越高，采空区自燃危险性越大。围岩温度评价指标隶属度函数采用专家意见法确定，隶属度函数图形如图2-5，自变量x表示围岩温度，单位为。其变化区间为0, )，u1=trampfNan, 0, 10, 15, u2=trimf10, 15, 25，u3=trimf15, 25, 35, u4=trampf25, 35, 50, )，节点si为：s1=10；s2=15 ；s3=25；s4=35。图2-5 围岩温度X12的单指标测度函数6、工作面回采率。评价回采率对自燃危险性的影响，采用专家意见法确定其隶属度。隶属度函数图形如图2-6，自变量x表示采煤工作面回采率，变化区间为0, 1，u1=trimf0.95, 1, Nan，u2=trampf0.9, 0.95, 0.98, 1, u3=trampf0.65, 0.8, 0.9, 0.95, u4=trampfNan, 0, 0.65, 0.8，节点si为：s1=0.65；s2=0.8；s3=0.9；s4=0.95。图2-6 工作面回采率X13的单指标测度函数7 工作面日产量。工作面日产量评价指标隶属度函数采用专家意见法确定，隶属度函数图形如图2-7，自变量x表示采煤工作面日产量，单位为t，其变化区间为0, )，u1=trampfNan, 0, 600, 1400, u2=trimf600, 1400, 2200，u3=trimf1400, 2200, 3000，u4= trimf 2200, 3000, ），节点si为：s1=600；s2=1400；s3=2200；s4=3000。图2-7 工作面日产量X14的单指标测度函数8 工作面供风量。工作面供风量越大，漏风通路两端的风压差越大，漏风量越大。采煤工作面供风量在回采期间是一个变化的数值，评价过程中取回采过程中最大供风量或设计最大风量进行评价。工作面供风量评价指标隶属度函数采用专家意见法确定，隶属度函数图形如图2-8。图2-8 工作面供风量X15的单指标测度函数自变量x表示采煤工作面供风量，单位为m3/min，其变化区间为0, )，u1=trampf2000, 2550, 3500, )，u2=trimf1500, 2000, 2550，u3=trimf900, 1500, 2000，u4=trampfNan, 0, 900, 1500，节点si为：s1=900m3/min，s2=1500m3/min，s3=2000 m3/min，s4=2550 m3/min。9 工作面推进速度。在回采过程中，采空区残留煤的氧化和瓦斯涌出稀释使氧浓度降低，同时因漏风流移动，氧又得到补给，在采空区内自燃形成了冷却带、氧化带和窒息带 “三带”。在采煤工作面生产过程中受工作面推进影响，采空区自燃“三带”呈动态变化。工作面推进速度在回采期间一般都是一个变化的数值，进行安全生产现状评价时取平均推进速度进行评价，评价指标隶属度函数采用专家意见法确定，隶属度函数图形如图2-9，自变量x表示采煤工作面平均推进速度，单位为m/d，其变化区间为0, )，u1=trampf2.5, 4, 10, ，u2=trimfl.5, 2.5, 4，u3=trimf1, 1.5, 2.5，u4=trampfNan, 0, 1, 1.5。节点si为：s1=1m/d；s2=1.5m/d； s3=2.5m/d；s4=4m/d。图2-9 工作面推进速度X16的单指标测度函数2.3 F6102综放面火灾危险性评价的解算结果及分析按照2.2叙述的方法，对内蒙古蒙泰不连沟煤矿F6102综放面的火灾危险性进行研究。根据综放面相关资料，考虑到工作面淋水对采空区煤自燃的影响，X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8的赋值分淋水较大和淋水较小两种情况进行赋值，两种情况的赋值汇总表见表2-1所示，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16的赋值见表2-2 所示。2.3.1综放面火灾危险性评价的解算结果根据16个影响因素的取值，分别代入图2-19的单指标测度函数中，由MATLAB计算得出内蒙古蒙泰不连沟煤矿F6102综放面在淋水较大和淋水较小两种情况下的单指标评价矩阵，见图2-10和2-11所示。图2-10 F6102综放面淋水较大情况下的单指标测度评价矩阵图2-11 F6102综放面淋水较小情况下的单指标测度评价矩阵根据第一节公式(4)(7)确定综合测度评价向量，计算过程由MATLAB来完成。即可求得内蒙古蒙泰不连沟煤矿F6102综放面在淋水较大情况下多指标综合测度评价向量为：0.131,0.453,0.171,0.245;淋水较小情况下多指标综合测度评价向量为：0.177,0.421,0.213,0.189。具体计算结果见汇总表2-3。2.3.2 F6102综放面火灾危险性评价结果分析取=0.5，按照第一节公式（8）识别准则，可判断内蒙古蒙泰不连沟煤矿F6102综放面在淋水较大和淋水较小两种情况下火灾危险性等级。在淋水较大情况下：0.131+0.453=0.5840.5；在淋水较小情况下：0.177+0.421=0.5980.5；由上式可知内蒙古蒙泰不连沟煤矿F6102综放面在淋水较大和淋水较小两种情况下火灾危险性等级均为级，表明在淋水较大和淋水较小两种情况下火灾危险程度均较高。但所不同的是，工作面淋水较小情况下，火灾危险性等级属于级（C1）的隶属度为17.7%，属于级（C2）的隶属度为42.1%，属于级（C3）的隶属度为21.3%，属于级（C4）的隶属度为18.9%。而工作面淋水较大情况下，属于级（C1）的隶属度为13.1%，属于级（C2）的隶属度为45.3%，属于级（C3）的隶属度为17.1%，属于级（C4）的隶属度为24.5%。由此说明F6102综放工作面采煤过程中有较大淋水时，能够降低工作面火灾的危险性。2.4 小结根据防灭火经验和不连沟实际情况遴选出煤层煤层赋存地质构造等16个评价影响因素，构建了工作面自燃发火危险性评价模型，通过各评价因素的隶属度函数确定其单指标测度，利用未知测度理论对模型进行解算，从而确定了工作面在淋水情况较大和较小情况下的自燃发火危险性程度均为“高”级。- 139 -表2-1 试验工作面火灾危险性定性评价指标描述评价指标煤层赋存地质构造/X1工作面淋水情况/X2工作面周边开采情况/X3采空区冒落及充填情况/X4指标赋值3（淋水较大）4（淋水较大）4（淋水较大）2（淋水较大）评价指标工作面电气设备/X5工作面火灾预测预报系统/X6工作面防灭火技术及措施/X7煤易发火性/X8指标赋值2（淋水较大）2（淋水较大）2（淋水较大）1（淋水较大）评价指标煤层赋存地质构造/X1工作面淋水情况/X2工作面周边开采情况/X3采空区冒落及充填情况/X4指标赋值3（淋水较小）1（淋水较小）4（淋水较小）2（淋水较小）评价指标工作面电气设备/X5工作面火灾预测预报系统/X6工作面防灭火技术及措施/X7煤易发火性/X8指标赋值3（淋水较小）3（淋水较小）2（淋水较小）1（淋水较小）表2-2 试验工作面火灾危险性定量评价指标描述评价指标煤层厚度/X9煤层倾角/X10煤层埋深/X11围岩温度/X12指标赋值15.80m4250m16评价指标工作面回采率/X13工作面日产量/X14工作面供风量/X15工作面推进度/X16指标赋值0.7010000t1750m3/min2.0m/d表2-3 试验工作面火灾危险性评价结果试验工作面综合未确知测度未确知测度法判别结果C1C2C3C4不连沟煤矿F6102综放面（淋水较大）0.1310.4530.1710.245级不连沟煤矿F6102综放面（淋水较小）0.1770.4210.2130.189级3 不连沟煤矿煤自燃特征参数研究3.1 煤的自燃倾向性测试3.1.1 实验装置及技术参数按煤矿安全规程得要求，煤自燃性的测定执行GB/T20104-2006煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法标准。煤自燃倾向性测试分析所采用的实验仪器为ZRJ-1型煤自燃性测定仪，仪器由检测器、恒温箱、气路控制系统、电气控制单元等部分组成，仪器工作原理如图3-1所示。图3-1 ZRJ-1型煤自燃倾向性测定仪工作原理图技术参数如下： 测量方法：双气路流动色谱法；测量范围：吸氧量0.054.00ml/g干煤；测量误差：5%；基线及噪声：基线漂移0.3mv/30min，噪声0.1mv/30min；灵敏度：10mv/ml（N2载气、O2峰高）；温控精度：0.5；供电电源： 22010% ，50Hz0.5 ，功率不大于50W。周围无强电磁干扰，无腐蚀性气体，无强烈振动。3.1.2 实验仪器工作原理及分类标准ZRJ-1型煤自燃性测定仪工作原理是基于煤在低温常压下对氧的吸附属于单分子物理吸附状态这一理论基础，按照朗格谬尔单分子层吸附方程，用双气路流动色谱法鉴定煤吸附流态氧的特性，以煤在限定条件下测定其吸氧量，并用吸氧量值作为煤自燃倾向性分类的主指标。根据GB/T20104-2006煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法的相关规定，煤自燃倾向性分类指标以 每克干煤在常温、常压下的吸氧量作为分类的主指标，根据吸氧量的不同把煤自燃倾向性等级划分为3级，见表3-1，3-2所示。表3-1 Vdaf18%时煤自燃倾向性分类标准自燃倾向性等级自燃倾向性Vdaf18%煤的吸氧量类容易自燃Vd0.70cm3/g类自燃0.40cm3/gVd0.70cm3/g类不易自燃Vd0.40cm3/g表3-2 Vdaf18%时煤自燃倾向性分类标准自燃倾向性等级自燃倾向性Vdaf18%煤的吸氧量全硫SQ/%类容易自燃Vd1.0cm3/gSQ2.0%类自燃Vd1.0cm3/g类不易自燃SQ2.0%3.1.3 实验煤样采取原则及制备要求煤炭具有氧化性质是引起煤炭自然发火的重要因素之一。不同煤田和煤层的煤，其自燃倾向性也不同。我国现行煤矿安全规程对煤自燃倾向性鉴定均有具体规定和要求。如地质勘探部门需要向有关设计部门提供煤自燃倾向性鉴定结果及分类等级报告，生产矿井在开采过程中在延深新水平前，需要对新水平开采煤层进行自燃倾向性鉴定。按照GB/T482-2008煤层煤样采取方法采集实验煤样。采样时先把煤层表面受氧化的部分剥去，再将采样点前面的底板清理干净，铺上帆布或塑料布，然后沿工作面垂直方向划两条线，两线之间宽度为100-150mm，在两线之间采下厚度为50mm的煤作为初采煤样。把采下的初采煤样打碎到2030mm大的粒度，混合均匀，依次按堆锥四分法，缩分到1kg左右，作为原煤样装入铁筒(或较厚的塑料袋)中，封严后送试验室或寄运。同一采样区域煤层煤样采集个数不得少于2个。采样遇到下述情况之一时，应分别加采煤样：地质构造复杂、破坏严重的地带(如褶曲、断层等造成的破坏带)；煤岩成分在煤层中分布状态明显，如镜煤和亮煤集中存在，并含有丝炭的地点；煤层中富含黄铁矿的地点。测试过程中煤样制备应符合以下要求：粒径为0.10.15mm的煤样在试验煤样中所占的比率应大于70%；煤样量为1.00.0001g；作吸氧量测定前，首先进行实验煤样的工业分析，真密度和全硫测试。3.1.4 实验过程及测试结果实验时，首先称取己粉碎样品10.1g，分别装入四支样品管内，样品管两端分别塞以少许玻璃棉，再将样品管安装在仪器相应的接头上。将六通阀置于脱附位置，打开四路开关阀，载气氮流量为30士0.5cm3/min，按仪器操作条件启动仪器，将柱箱温度调节到105，保持恒温1.5-2.0h。然后将柱箱温度调节到30设定温度，吸附气流量为20士0.5cm3/min的条件下，吸附氧气20min后，测定脱附峰面积。其次将煤样倒出，在相同的条件下同一样品管空管吸附氧气5min，测定脱附峰面积。最后将相关测试参数代入煤自燃性测定仪软件计算吸氧量值即可。计算结果见图3-2，3-3，3-4，3-5，3-6所示。图3-2 F6102综放面27架下部煤层煤自燃性测定结果截图图3-3 F6102综放面39架下部煤层煤自燃性测定结果截图图3-4 F6102综放面77架中部煤层煤自燃性测定结果截图图3-5 F6102综放面27架下部煤层煤自燃性测定结果截图图3-6 F6102综放面77架下部煤层煤自燃性测定结果截图内蒙古蒙泰不连沟煤矿煤样自燃倾向性鉴定结果汇总表见表3-3。表3-3内蒙古蒙泰不连沟煤矿煤样自燃倾向性鉴定结果汇总表编号12345采样地点F6102综放面27架下部F6102综放面39架下部F6102综放面77架中部F6102综放面回撤通道F6102综放面77架下部工 业 分 析Mad/%7.719.598.629.957.55Vad/%20.6025.7622.9728.4623.84Aad/%35.5819.5926.7414.4921.10Vd/%22.3228.4925.1431.6025.79Ad/%38.5521.6729.2616.0922.82Vdaf/%36.3336.3735.5437.6733.41全硫St,ad/%1.141.060.741.101.03真密度TRD/%1.771.581.661.491.61煤吸氧量cm3/g干煤0.790.910.790.880.96自燃等级IIIII3.2 煤的热重实验及分析3.2.1 STA 449C仪器介绍及技术参数煤的热重分析是利用热重法检测煤的温度质量变化关系。热重法是在程序控温下，测量物质的质量随温度(或时间)的变化关系。当被测物质在加热过程中有升华、汽化、分解出气体或失去结晶水时，被测的物质质量就会发生变化，这时热重曲线就不是直线而是有所下降。通过分析热重曲线，就可以知道被测物质在多少度时产生变化，并且根据失重量，可以计算失去了多少物质。STA 449C是世界上最先进的同步TG-DSC热重分析仪器，拥有最高解析度与无可比拟的长时间稳定性，即使在1400以上的高温仍能保证DSC传感器的高灵敏度与比热测量的准确性。配备带电磁补偿的超微量天平，具有高准确度0.1g级的分辨率与出色的稳定性。采用顶部装样结构，与其它结构相比，顶部装样结构的特点在于操作简便，即便操作人员装样时略有失误也不易损坏支架。炉体采用真空密闭设计，炉体打开时样品支架即与天平脱离，有利于对天平的保护，由于气氛为由下往上的自然流向，因此只需很小的流量即可带走分解产物，载气中产物气体浓度高，特别有利于与FTIR/MS联用。STA 449C仪器（见图3-7所示）主要由记录天平、加热炉、程序控温系统与记录仪等组成。记录天平是最重要的组成部分，其作用是将测量到的质量变化等信号经适当的转换器变成与质量变化等信号成比例的电信号，并能将得到的连续记录转换成其他方式如原数据的微分、积分、对数或者其他函数等，用来对试验进行多方面的热分析。其主要技术参数有：温度范围：-120-1650；升降温速率：0-50K/min；最大称重量：5000mg；TG 解析度：0.1g；内置质量流量计，包含2路吹扫气与1路保护气；高真空密闭系统，真空度最高可达10-4mbar(10-2Pa)。图3-7 STA 449C实验装置图3.2.2 实验仪器工作原理及实验条件热重分析仪（Thermogravimetric Analyzer）是一种利用热重法检测物质温度-质量变化关系的仪器。实验时样品坩锅置于支撑架上，样品的重量变化用扭转式微电天平来称量，当样品因分解作用或化学反应发生重量变化时，天平梁发生偏转，梁中心的纽带同时被拉紧，光电检测元件的偏转输出变大，导致吸引线圈中电流的改变，光电元件检出后，经电子放大后反馈到安装在天平梁上的感应线圈，使天平梁又返回原点。吸引线圈中的电流变化与样品的重量变化成正比，由