（安全技术及工程专业论文）潘一矿2322（3）面上风巷顶煤自燃规律的研究.pdf

潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 砸上风巷顶煤自燃规律的研究 a b s t r a c t a i m i n g a tt h e2 3 2 2 ( 3 ) f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a tc a v i n gf a c eo fp a n y ic o a lm i n e t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eg e o l o g i c a ls i t u a t i o na n ds p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ns i t u a t i o na n d e s t a b l i s h e dt h ed e t e c t i o ns y s t e mo ft h et o pc o a lt e m p e r a t u r ea l o n gt h eu p p e rl e v e li n o r d e rt of o r e c a s tt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ns i t u a t i o n t h ea u t h o rc o l l e c t e dc o a l s a m p l e sa n de x p e r i m e n t e dw i t hd s c t gt h e r m a la n a l y s i sa n dm e a s u r e dt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yi n d e x t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o no fs p o n t a n e o u s c o m b u s t i o na n dv e n t i l a t i o nl e a k a g ea n do x y g e nd i s t r i b u t i o no nt h et o pc o a lt e m p e r a t u r e a l o n gt h eu p p e rl e v e l ，u s i n gt h es o l u t i o nt ot h el i m i ti n d e xo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n a n db a s i n go nt h er e s u l t sm e a s u e di nt h el a b o r a t o r ya n dc u r r e n t f i e l d ，t h ea u t h o r a n a l y z e dt h ed e c i s i o nc o n d i t i o n i nd a n g e r o u sa r e ao fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ， r e s e a r c h e dt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nr u l e so nt h e2 3 2 2 ( 3 ) f u l l ym e c h a n i z e dt o p c o a l c a v i n gf a c eo fp a n y ic o a lm i n ea n db u i l tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n b a s e do nt h ec o n c l u s i o na n dm e t h o do ft h er e s e a r c ha b o v e i ti s c o n v e n i e n tt of o r e c a s tt h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ns i t u a t i o na l o n gt h eu p p e rl e v e l ， d e t e c tt h ef i r eo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nt i m e l ya n dm a k ep r o p e rr u l e sa n d r e g u l a t i o n s o ff i r ee x t i n g u i s h i n ga n dp r e v e n t i o n k e y w o r d s ：s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o no fc o a l ，t h e u p p e rl e v e l ，t h e r m o a n a l y s i s t e c h n o l o g y ，f o r e c a s t , f i r ee x t i n g u i s h i n ga n dp r e v e n t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得塞邀堡王盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 甲作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：刎粒签字日期：砖年多月f 日 学位谂囊驻权使用授权书 本学位论文作者竞登了解塞邀理王盍鲎有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安熊堡墨 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论灭作者签名：硝栋 签字e 期：尉年，月1 日 导师签名： 铭班 签字日期：妒f 年月7 日 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷项煤自燃规律的研究 1 1 引言 1 绪论 能源是经济发展、社会进步的主要支撑条件，在世界一次能源消费中，化石 能源( 煤炭、石油、天然气) 占9 0 以上。而世界化石能源探明可采储量中，煤 炭约占2 3 ，石油、天然气分别占1 6 【lj 。众所周知，我国是世界上少数几个一次 能源为主的国家。煤炭是我国的第一能源，也是重要的工业原料。目前，全国约 有7 5 的工业原料，7 6 的电能，8 0 的民用商品以及6 0 的化工原料依靠煤炭吼 预测我国社会经济发展对能源的需求时，有关专家认为，到2 0 5 0 年化石能源仍是 我国的主要能源，其中煤炭至少要占到5 0 。因此，煤炭工业是支持经济发展和 保障人民生活的基础产业。 我国已探明的煤炭储量9 0 0 0 亿吨，占一次能源探明储量的9 0 ，煤炭在能源 结构中的优势近十年来不断上升，原煤产量以平均每年57 的速度增长，目前年 产煤炭达1 2 亿吨，以后还会增长【2 j 。然而，伴随着煤炭产量的不断增加，可采范 围的不断缩小，许多安全问题也随之产生。瓦斯、火灾、粉尘、噪声、高温f 在 困扰着企业的正常发展。 矿井火灾是煤矿的重大自然灾害之一。矿井火灾不仅能使矿井遭受巨大的物 质损失，同时它也是导致井下职工伤亡的重要根源。矿井火灾根据引火的热源不 同分为外因火灾和内因火灾( 也称自燃火灾) 。外因火灾一般发生突然、来势迅 猛，如果不能及时发现和控制，往往会酿成薰大事故。但是外因火灾的火焰一般 是在燃烧物的表面，如果能及时发现和补救，是容易熄灭的。与外因火灾相比， 内因火灾的发生，往往伴有一个蕴育的过程，根据预兆能够早期予以发现。但是 内因火灾火源比较隐蔽，经常发生在人们难以进入的采空区或煤柱内，要想准确 找到火源并非易事。因此难以扑灭，以至火灾可以持续数月，数年甚至几十年至 上百年之久，长期威胁着矿井的安全生产。有时燃烧的范围逐渐蔓延扩大，烧毁 大量煤炭，冻结大量资源，使自然资源造成极大的浪费。如山西大同煤田露头煤 的燃烧已持续3 0 0 多年，至今尚未完全熄灭。因此，致力于火的研究一直是众多 专家和学者的重要课题。 12 问题的提出及其意义 1 2 1 问题的提出 我国5 6 的矿井开采易自燃煤层，百万吨自然发火率近年来虽然有所下降， 但仍高居不下。矿井火灾是矿并发生的重大灾害之一，尤其是近年来，重大火灾 事故还时有发生，给煤炭企业带来难以估爨的负面影响，不仅有损于煤炭行业的 社会形象，也严重制约着煤炭企业的经济效益。据统计，在矿井火灾事故中，自 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 燃火灾占总数的9 4 以上，其中6 0 发生在采空区。火灾的发生与发展不仅影响 安全生产和周围环境，而且极易引起瓦斯、煤尘爆炸，而且随着采深的不断增加， 矿压增大，使煤巷壁与煤柱极易破碎，矿井的煤炭自然发火危险性增大。因此， 火灾防治工作仍然是煤矿企业领导的一项常抓不懈、重要而艰巨的任务，国内外 许多专家和学者也都致力于煤炭自然发火规律的研究。 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷按照外错方式布置，即将上_ | ) ( l 巷布置在相邻的 己采2 3 1 2 ( 3 ) 综采面采空区内，巷道位置与2 3 1 2 ( 3 ) 综采面下顺槽相错8 m 如 图1 1 所示。 图卜1 2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷布置图 在2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷掘进中，由于巷道在采空区内沿底板掘进，采空区 胶结项板与巷帮上部的围岩冒落成松散矸石堆积体，造成巷道四周尤其是巷道项 部存在大量的相互贯通的空洞和空隙，并随着上风巷向开切眼方向的掘进，巷道 顶部的孔洞将逐渐增大，漏风通道更加发育( 主要是原贮水空间) ，在整个上风 巷的掘进过程中形成的主要漏风通道有：2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷顶部形成一条与 巷道并联的漏风通道：在2 3 1 2 ( 3 ) 综采面采空区靠2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷侧形 成一条向采空区连续漏风的通道；在原2 3 1 2 ( 3 ) 综采面的开切眼与停采线有两 条通向采空区内部的漏风通道。当2 3 2 2 ( 3 ) 综放面回采后将与2 3 1 2 ( 3 ) 综采面 连通，此时2 3 1 2 ( 3 ) 综采面采空区将在更大的漏风压差作用下，有更多的漏风 2 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 量补给。潘一煤矿实际最短发火期仅为三个月，因此，在2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风 巷掘进与工作面回采过程中，如何防止2 3 1 2 ( 3 ) 采空区遗煤自燃，确保2 3 2 2 ( 3 ) 综放面安全回采，是必须要研究的课题。 同时，该矿已于2 0 0 4 年6 月完成对2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷靠2 3 1 2 ( 3 ) 综 采面采空区侧的防灭火工作。为了保证2 3 2 2 ( 3 ) 综放面的正常回采，本论文主 要研究2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷顶部2 3 1 2 ( 3 ) 采空区遗煤自然发火规律及防治对 策工作。本论文研究内容是安徽理工大学与淮南矿业集团联合研究的“潘一煤矿 2 3 2 2 ( 3 ) 综放面防火技术研究”项目的一部分。 1 2 2 研究的意义 在理论上，用数学模型来描述煤炭自然发火过程，并用计算机对煤炭自燃过 程进行模拟，力求达到将煤的氧化升温过程可视化。在计算机模拟过程中将工作 面推进速度与时间因素对煤炭自燃的影响考虑进去，以实现动态地模拟煤矿井下 自然发火过程，可将预测预报煤炭自然发火工作提高到新的层次。 在应用方面，结合现场的条件，提出防止上风巷上部2 3 1 2 ( 3 ) 采空区遗煤自 燃的措施，并将提出的防治煤炭自燃的措施落实到位，确保2 3 2 2 ( 3 ) 综放面安 全回采。 1 3 研究的内容 ( 1 ) 应用煤温检测预报技术，在现场布置煤温测试系统，并通过测试及时发现 煤炭氧化情况和煤炭自燃危险程度。 ( 2 ) 用d s c t g 联用技术测试不同粒径煤样吸氧量、放热量与放热速率等参数 之间的关系。 ( 3 ) 应用自然发火预测模型预测潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷顶煤自然发火情 况，并将预测结果与实际情况讲行对比分析，验证该预测模型。 ( 4 ) 结合模拟结果以及实测情况，对潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷采取及时有 效的防灭火措施，杜绝煤炭自燃事故的发生。 1 4 煤炭自然发火机理的国内外研究现状 煤炭吸氧氧化放热是煤所具有的共性之。煤炭自然发火是一个极为复杂的 物理化学变化过程。对于这个过程的前期是如何开始的以及温度是怎样提高到快 速氧化反应的拐点温度的问题还存在争论。 早在本世纪前半时期d rp l o t 0 1 1 4 1 提出了黄铁矿作用学说。他认为煤的自燃是由 于煤层中的黄铁矿( f e s 2 ) 与空气中的水分和氧气相互作用、发生热反应引起的。 其反应式为： 2 f e s 2 + 2 h 2 0 + 7 0 2 = 2 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4 + q i 3 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 而硫酸亚铁在潮湿的环境中可能被氧化成硫酸铁： 1 2 f e s 0 4 + 6 h 2 ( h 3 0 2 = 4 f e 2 ( s 0 3 ) + 4 f e ( o h ) 3 + q 2 硫酸铁在潮湿的环境中作为氧化剂又和黄铁矿反应： f e s 2 + f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 3 0 2 十2 h 2 0 = 3 f e s 0 4 + 2 h 2 s 0 4 + q 3 以上的反应都是放热反应，再者，黄铁矿在潮湿的环境中被氧化成s 0 2 、c 0 2 、 c o 、h 2 s 气体时，也都是放热反应。但其反对者也列举了不含硫的煤也发生自燃 的实例。五十年代波兰学者o l p i n s k w 对波兰烟煤的考察表明：只有当煤中硫铁 矿含量较高时( 大于1 5 ) ，爿1 具有自燃倾向性。m u c k 认为属于斜方晶系的硫 化铁变态一白铁矿在煤的自燃过程中起着主导作用，但其反对者也列举了不含硫 的煤也发生自燃的实例。 1 9 2 7 年英国人p o t t e r m c 口1 提出了煤自燃的细菌作用学说。他认为在细菌的作 用下，煤在发酵过程中放出一定热量对煤的自燃起了决定的作用。但在后来人们 的实验中认为：在煤的自燃过程中，细菌不起任何作用。 前苏联的bbt p o n b l 3j 于1 9 4 0 年提出酚基作用学说。他认为煤的自热是由于 煤体内不饱和的酚基化合物强烈吸附空气中的氧气，同时放出一定量的热量造成 的。该学说的建立是基于对各种煤体中的有机物进行实验后，发现酚基类是最易 氧化的。不仅在纯氧中可以氧化，而且与其它氧化剂接触时也可以发生作用。 以上各种学说的建立都是基于某一特定条件下而得出的结论，均有其局限性， 目前绝大多数学者都赞同的一种学说为煤氧复合作用学说。煤氧复合作用学说认 为煤的自燃是氧化过程自身加速的最后阶段，并非任何一种煤的氧化都能导致自 燃，只有在稳定的条件下，在低温、绝热条件下，氧化过程的自身加速才能导致 自燃。低温氧化过程的持续发展使反应过程的自身加速作用增大，最后如果生成 的热量不能及时放散，从而就会引起自热阶段的开始。因而煤发生自然发火的必 要条件是：易于低温氧化的粉煤或碎煤的堆积：存在着适宜的通风供氧条件； 存在着蓄热的环境条件。一般认为，煤暴露于空气中后，由于其表面具有较强 的吸附氧的能力，会在煤的表面形成氧气吸附层，在吸附动力平衡的过程中，煤 的表面与氧相互作用而在煤的表面形成一种中间产物，学科上称为氧化基或过氧 络合物。此期间煤的氧化处于缓慢状态，生成的热量及煤温的变化都微乎其微， 一般极难检测出；由于吸附空气中的氧，煤重略有增加，此阶段的活化能在煤的 整个自热过程中最小，据研究为1 4 2 3 t m o l 5 】左右，这一阶段通常被称为煤自燃 潜伏期。潜伏期煤的结构没有变化，唯一的表现是化学活性增强：这种化学活性 增强的程度主要受煤自身的物理化学性质的影响；经过潜伏期后，煤的氧化速度 加快，表面中间产物开始分解成氧化碳、二氧化碳及水等产物，同时释放出较 多的热量，煤温开始上升，煤重有所下降，此时煤的自燃过程进入被称为自燃期 的阶段，此阶段末期煤温达到自燃临界温度，煤温急剧上升，失重加速，同时释 放出某些芳香族的碳氢化合物气体，显现出煤自燃自热期的全部征兆。煤自燃过 4 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 程处于本阶段时，如果得不到抑制( 其本身内在属性所定和外在环境条件的制约) ， 进一步发展即会导致煤温上升达到着火温度点，进入煤自燃的最终阶段明火 燃烧阶段。由此可见，煤的自燃乃是由于煤在常温下首先与空气中的氧相互作用 ( 物理吸附、化学吸附、氧化) 并自动加速，当其氧化速度加快到氧化产生的热 量积聚起来不能散发时就导致自燃。同时，这种氧化反应主要是煤中含碳物质与 空气中氧的反应，煤中黄铁矿的氧化和水分也产生热量，黄铁矿氧化产生了体积 很大的产物，使煤体更为破碎，暴露出更大的表面积空间。但这些都仅是促进了 煤自热。只有当硫化矿物含量超过5 1 0 口】，且分布颗粒较小时才会成为煤自 热的主要因素之一。事实上，煤自然发火是一个放热反应与散热反应过程相互矛 盾而又统一共存的物理化学现象。图1 2 显示了这一过程。 1 5 煤自燃倾向性的研究现状 图卜2 煤的自燃过程 时问 煤由常温发展到自燃是有它的内因和外因的。首先，煤具有自燃的倾向性。 据研究，煤的自燃倾向性主要取决于煤在常温下的氧化能力和物理特性。所以在 外部条件相同时，有的煤能自燃，有的则不能。但是有同样自燃倾向性的煤层， 在不同的生产技术条件下，有的发生自燃，有的则不会发生，这是由于外部条件 所致。影响煤自燃倾向性的因素包括煤的炭化程度、煤的水分、煤岩成分、煤的 含硫量等。基于以上各种因素，各国学者进行了各种实验研究，创建了不同的判 断自燃倾向性的方法。但多数还是以煤的氧化性为基础的方法，原则上可以分为 两大类：一是以确定煤炭低温时的氧化性为基础的方法，一是以确定煤炭高温时 f 拘氧化性为基础的方法。南非的基姆f 6 】将现代的鉴定方法分为四种：着火温度法、 绝热测热法、恒温测热法和吸氧量法。 着火温度法的实质【7 j 是利用煤炭经过氧化后( 空气或其它氧化剂) ，其着火温 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 砸上风巷顶煤白燃规律的研究 度( 着火点) 相对降低的原理进行分类的。该方法是前苏联的i ir 1 皿法及我国八 十年代中期前普遍使用的。绝热测热法【6 】利用在量热器中，煤和氧气接触，量热 器的温度会随着煤的氧化和温度升高而增加的原理制成的。恒温测热法因其没有 考虑温度增加引起的自身放大效应，由于难以维持真正的恒温条件这一突出缺点 而没被广泛应用于实验研究。吸氧量法是基于自燃过程的一个放热过程，而吸氧 量决定放热量大小，因此对吸收氧量的测定可以作为煤炭反应性和自燃倾向性的 指标的原理进行划分的。然而不管何种方法，都有其各自的优势和劣势。为了更 好的预测煤的自燃倾向性，寻找自然发火规律，各国专家和学者利用上述方法进 行了多种科学实验研究，提出了一系列预测自燃倾向性的指标，并进行了一些规 律性的研究。 吴俊【8 】认为煤岩分析对研究煤的自燃倾向性至关重要。他通过对煤岩的显微组 分及煤自燃初始温度与煤阶和煤岩粒度的关系进行分析得出：煤的微裂隙、微断 裂是煤加速氧化自燃时氧的重要通道，而煤岩成分、煤岩类型及它们的微观特征 对煤的自燃起着决定性的作用；煤中黄铁矿的含量和赋存状态对煤的自燃起到加 速氧化的作用，而另一些矿物则对煤自燃起至4 惰化作用；镜质体上的氧化环可以 作为预测煤自燃倾向性的煤岩标志之一。 v e d a td l a r i 9 认为煤的自燃倾向性指标除了应该考虑固有因素外，还应考虑外 在因素。他把土耳其z o n g u l d a k 煤田的五个区2 2 个煤样进行相似分柝，通过着火 温度法与绝热测热法相结合的试验，利用f e n ge t a l 【l0 j 研究的危险性指标对 z o n g u l d a k 煤田进行鉴定，发现该处煤的自燃倾向性与外来因素( 地质因素、采矿 因素) 及含水量关系相当大。 匹兹堡研究中心j 对1 4 个煤层的1 9 个烟煤样进行了试验，利用绝热测热法 在绝热炉内进行了试验，评估了煤炭的自燃倾向性，得出着火点温度( s h t ) 越 低，煤炭自燃倾向性越高的结论。 c h a r l e s p l a z z a r a t l 2 等人进行了一项关于烟煤自燃倾向性的实验研究。试验用 的6 个5 0 0 3 烧瓶被改装成能容纳一个微型压力传感器( 0 - 1 5 p s i a ) 和一个气体 取样口的容器。与烧瓶压力相关的每一个传感器的毫伏输出由一个换向开关和数 字仪表来测量。6 种来自不同煤田的烟煤在干湿两种情况下进行测试，并于7 天 后对气样进行色谱分析，发现最小着火点与7 天后压力存在一种良好的关系：s h t ( 着火点) = 1 2 8 9 一( o 5 2 p 7 ，m m h g ) ，相关系数为0 9 7 2 。 d c h a n d r a 和y v sp r a s a d i t 3 认为煤化作用对煤的自燃倾向性影响很大。他们 根据煤层镜质体反射率、显微组分组成、挥发份产率及自燃始温的测试结果，将 印度r a n i g a n j 煤翻二叠纪煤层的自燃倾向性划分为低、中、高三种类型。他们的 研究表明，煤级越低，镜质组和壳质组的含董越高，煤层的自燃倾向性越大。他 们的这一结论与该煤田1 9 7 3 1 9 8 0 年八年间煤层自燃发火的频率极为一致。 w i t w a r t e r s r a n d 大学的m i c h a e ljg o u w s 4 1 运用计算机处理技术，把油温的变化 6 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤白燃规律的研究 信息转化成数字信号，由计算机进行数据处理得到d t a ( d i f f e r e n t i a lt h e r m a l a n a l y s i s 微分热分析) 曲线。g o u w s 认为d t a 曲线与煤的自燃倾向性有一些联系。 他选定低着火点温度、曲线第1 i 阶段斜率及第1 i 阶段与第1 i i 阶段的温度变化率为 参数，得出著名的w i t s e h a c 【1 4 j 指标，即w i t s e h a c = ( 第1 i 阶段的斜率 着火点温度) 5 0 0 ，w i t s e h a c 指标越高，煤的自燃倾向性越大。同年，g o u w s l 4 j 又将热孵法的变体引入绝热测热法的研究程序中【l 5 j i l6 j 。他利用自藕变压器控制的 加热带加热一种惰性材料样品( 自藕变压器的作用是保证油被加热时容器中的惰 性材料以与油相同的升温速率进行加热) 。g o u w s 较早地应用了微分分析法得出 另一个w i t s e h a c 指标：w i t s e h a c = e ， h e i n px 常数或w i t s e h a c = l o g ( a ) 常数( 式中：a 一速率系数，t t e m p 一着火点温度，e 一煤的活化能) ，并 与先前进行的实验进行比较，利用线性回归方法发现两种结果趋向于同一相关系 数0 ，9 2 f 坫1 。 s a i ms a r a _ c ”】认为进行煤的自燃倾向性鉴定，除了要进行传统的着火点温 度测试外，还应考虑其他因素。为此，他根据取自土耳其有自然发火的不同煤嗣 的1 5 种煤样1 1 4 1 进行着火温度法测试，得出着火温度和升热速率值，利用多元回归 分析解算出自燃倾向性指标：l = i 2 8 9 9 m 一0 1 8 8 8 v + 0 1 5 1 9 f 一3 4 1 2 9 9 t + 0 1 2 0 4 a ( 式中：m 一水分，v 一挥发分，f 一固有碳含量，卜全硫，卜灰份) 。 李家铸【1 8 1 提出测定煤对氧的反应性试验装置，并用该装罱测定煤样温度到 8 0 或试验6 h 达到的温度和开始测定前的煤样温度求煤对氧的反应性a ，a = ( t c t b ) t ( 式中：a 一煤对氧的反应性l l ，t c 一试验结束时的温度8 0 或6 h 达 到的温度，n 广试验开始时温度，t _ 一试验开始到结束时间h ) 。根据a 的值 判定煤的自燃倾向性等级。 徐精彩等人【l9 】以3 种不同变质程度的煤样的自然发火实验为基础，通过对表 征煤自燃特征参数的测算，分析它们与煤自燃倾向性的关系，得出了用临界温度、 耗氧速度、c o 产生率和氧转化为c o 的百分率作为鉴定煤自燃倾向性的指标。 何启林等人f 2 0 】首次采用了2 0 0 9 左右的少量煤样，在可控的绝热炉中进行了氧 化实验成功，并提出了实验最短发火期概念和煤的氧化动力学过程的机理函数与 煤自燃倾向初步分类方法，该项研究对煤的自燃过程有了初步认识。 综上所述，国内外专家和学者对煤炭自燃倾向性采用不同的实验方法进行了 研究，并且考虑了某些特定的因素，取得了一定的成果。但是及时准确地掌握煤 炭自燃的发展变化，对防止火灾的发生和发展十分重要。这就要求所采用的鉴定 方法要快捷准确。然而，上述各国专家和学者的试验研究也存在着一些问题，即 采用的方法过于复杂，不适宜快速准确的预测预报煤炭自燃的发展变化情况。我 国对于煤的自然发火机理和鉴定工作，已分别用气态、液态和固态等不同氧化和， 研究了煤的氧化热和着火规律，先后建立了判别煤的自燃倾向性的着火点法和双 气路流动色谱吸氧法。双气路流动色谱吸氧法是基于煤在低温常压”f 的吸附符合 7 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 l a n g m u i r 方程的吸附规律，其吸附氧气的能力的差异与煤化参数之间存在着一定 的对应关系，且亦受多种因素的影响与制约而建立的一种鉴定煤自燃性的一种科 学、方便、快速的方法。该方法于1 9 9 6 年由煤炭科学总院抚顺分院刚吲的研究 人员经过多年的实验研究，以大量的试验数据为基础提出的测定煤吸氧量的测试 方法和条件，并制定出煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法和分类方案。 1 6 煤自燃危险区域判定理论 虽然煤自燃危险性的预测方法在实际防灭火工作起到了一定的指导作用，但 只能定性预测煤自然发火的危险程度，而无法定量确定可能发火的区域。 为了在潜在危险地区进一步确定出可能的发火区域，乌克兰的全苏矿山救护 研究所在1 9 9 1 年确定出了临界厚度计算方法吲： h 扣= ( 一l ) ( 5 1 07 k p p ，) 妒 式中，咒为煤自燃的临界温度，k ；为围岩温度，k ；妒为在空气干燥的状态 下煤的湿度，；足。为原煤样氧吸附速度常数，m 3 k g s ：p 。为煤的平均密度， 蟛m 3 。 s u j a n t i ，w i w i k 等人f 2 4 l 根据实验室的实验结果，也提出了估算煤自燃的临界 厚度的方法，当煤炭聚集的实际厚度大于或等于临界厚度时，就有煤炭自燃的可 能性。英国诺丁汗大学开发了与井下数据监测系统相连的实时数据获取和控制系 统25 1 ，称为煤矿火灾实时智能专家监测系统，由智能专家系统监督和监视数据获 取并对数据进行处理，专家系统能根据获取的数据更全面的进行危险性预测，并 可对特定区域的危险性进行评价，有效的指导现场的防灭火工作。 对煤层自燃区域的判定问题，国内学者也做了大量研究工作。齐庆杰、黄伯 轩教授【圳、章楚涛【2 7 】等通过研究采空区空气流动规律和火灾气体浓度( 主要是c o ) 分布规律，根据f i e k 定律和质量守恒定律，建立了采空区火源点位置判断数学模 型： 导见i o c 一兰( k c ) + ，。= o u a i u i i u 5 c ( x ，y ) l z 。= c o ( x ，y ) 孙 ( c l 一见妄二) 珥= g 式中，c 为待求采空区c o 浓度分布函数；c 。为边界上的己知c o 浓度函 数；g 为边界l ：上的c o 通量；，。为火源c o 涌出量；d ，为与坐标方向有关的 扩散系数；k ，垮分别为渗流速度在x ，y 轴方向的分量。 根据模型，对实际火源位置用计算机进行模拟，能达到与实际较接近的结果。 近几年，以及根据火区产生的能量或放射性气体异常【2 羽，对煤层自燃危险区 域进行判定方法得到了快速发展。如根据放射性核素在衰变时放出的氡气含量和 8 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 变化规律，判定火区的测氡判定理论，根据巷道表面上温度和热流密度存在差异， 采用红外探测技术得到一系列沿巷道横向和纵向的红外辐射强度分布，通过反演 算法判断由煤炭自燃引起的异常区域，从而确定煤炭自燃的位置和温度的煤炭自 燃的红外探测反演理论。但这些方法只能对已形成高温或大火的区域进行大范围 的粗略判定，而不能满足井下直接灭火的要求。且由于受各种其它地质因素的干 扰，对矿井局部高温或正处于自热阶段和潜伏期的自燃危险区域无法判定。另外， 利用红外遥感口9 j 和地质雷达1 3 0 j 探测井下煤体自燃区域的方法也正在发展之中。 在危险区域划分方面，国内外学者提出了氧浓度划分法、漏风风速划分法、 升温率划分法。氧浓度划分法认为，采空区氧浓度在1 0 1 8 范围内的区域为氧 化升温区域。漏风风速划分法认为漏风风速在0 1 - 0 2 4 m r a i n 范围内的区域为氧化 升温区。升温率划分法认为采空区内升温率k 1 d 的区域为氧化升温区。这三 种方法都是独立考虑氧化条件、蓄热条件的影响，而没有考虑他们的共同影响及 他们相互关系。另外这三种方法没有考虑各个矿区的不同的实际情况，而给出同 一划分标准，因此他们的划分结果与实际情况有较大误差。近几年徐精彩教授提 出了危险区域判定理论。该理论以煤自燃的内在氧化放热性和外部蓄热条件来划 分危险区域的，提出了“三带”划分的极限值法。用该理论判定的自燃危险区域 与实际情况较相符，具有很高的精度。但该理论也有不足的地方，如它认为采空 区两道及采空区中部的浮煤厚度都相等，丽实际采空区的浮煤是极其不均匀的。 在实验模拟煤自燃过程，钡4 算自燃发火期时也未充分考虑氧浓度不同的影响。 17 研究方法和技术路线 本研究采用理论、实验与现场实践相结合的研究方法。 技术路线如图1 3 所示。 图l 一3 技术路线幽 9 潘矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 2 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷顶煤煤温检测预报自燃技术 2 1 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面地质概况 2 1 1 工作面概况 2 3 2 2 ( 3 ) 综放面位于潘一矿东二采区，含1 3 1 煤层。该面东起东二1 3 1 西 煤下山，西方为2 1 2 1 ( 3 ) 采空区，南抵下顺槽，北方为2 3 1 2 ( 3 ) 采空区( 上风 巷布置在2 3 1 2 ( 3 ) 采空区内) 。其北方1 3 7 1 ( 3 ) 工作面正在回采，1 3 6 1 ( 3 ) 上风巷正在掘进，南下方2 1 6 1 ( 1 ) 工作面东二端已经收作，东一端即将回采， 2 1 7 l ( 1 ) 下顺槽正在掘进。 该工作面走向长8 6 0 m ，倾斜长1 7 6 m ，面积1 5 1 3 6 0 m 2 ，该面回采时将影响到 刘龙集前乡、后乡及桥王自然村。 2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷按照外错方式布置，即将上风巷布罱在相邻的已采2 3 1 2 ( 3 ) 综采面采空区内，其布置情况如图2 1 所示。 图2 1 23 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷外错式布置示意图 21 2 煤屡情况 本工作面1 3 1 煤层赋存稳定，煤层产状2 0 0 2 0 5 么7 9 。，煤厚5 1 6 7 m ， 平均5 7 m 。采空区地段1 3 - i 煤底分层厚i 0 2 7 m ，平均2 o m 。煤层结构复杂， 顶部含1 层厚o 1 0 4 5 m 的泥岩夹矸。局部地段底部含l 2 层厚o 0 5 o 2 5 m 的 央矸。 2 1 3 媒质情况 根据潘一矿煤质科提供的资料，该工作面煤层煤质情况如表2 - 1 表2 - 1潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面煤层煤质情况 | ( ：) a v q f es yg r i 工业 ( )( ) ( m j k g ) ( )( ) 牌号 2 12 3 13 62 6 4 o 31 38 5 q m 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷瑗煤臼燃规律的研究 214 煤层顶底板情况 顶板：该煤层不含伪顶。其直接顶为砂质泥岩或砂泥岩互层，深狄色，底部 含植化，厚度为4 7 1 9 1 m ，平均厚度6 9 m 。老顶为细中砂岩，狄色，硅质胶结 局部夹薄层泥岩，厚度为1 7 7 8 8 m ，平均厚度5 3 m 。 底板：直接底为泥岩、砂质泥岩及1 2 煤，灰灰黑色，局部泥岩含砂，厚度 为3 ，8 - - 7 ，4 m ，平均厚度5 6 m 。 2 1 5 地质构造情况 本工作面地质构造比较简单，基本为一单斜构造。煤岩层产状为：2 0 0 2 0 5 - - 7 9 。，根据掘进时揭露情况及已有资料分析，工作面内发育一条正断层( f a ) ， f b 及f e 为工作面边界断层，其产状如表2 2 ： 表2 - 2 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放匠地质构造产状表 构造走向 倾向 倾角 落差 性质对回采的 f 名称( 度)( 度)( 度) ( 米 影响程度 f a1 2 52 1 56 01 5 2 o 正有一定影响| f b 2 51 1 54 0o - - 1 5 正 无 f e4 01 3 0 5 5 6 0 l _ 5 4 0正 无 2 i 6 其它地质情况 该工作面1 3 1 煤层自然瓦斯含量1 4 1 5 m 3 t ，煤尘具有爆炸危险性，爆炸指 数为3 7 4 0 ，地温为3 0 ( 2 ，地压一般，但是11 - 2 煤层未采煤柱对应地段地压可 能比较大。该1 3 1 煤具有自然发火性，自然发火期为3 6 个月。 2 2 矿井自然发火情况【3 1 l 矿井自1 9 8 3 年投产以来，共发生煤炭自然发火8 次，出现自然发火隐患5 次， 矿井百万吨发火率为o 2 3 。煤炭自然发火和出现的自燃隐患均发生在1 3 1 煤层。 2 2 1 自然发火分布特点 从历次的自然发火情况分析，潘一矿煤炭自然发火具有以下几个特点： ( 1 ) 自燃隐患及自然发火均发生在1 3 1 煤层，1 i - 2 及其它各煤层均未发生过自 然发火。 ( 2 ) 自燃隐患及自然发火的具体位置多分布在回采工作面、收作面或采空区， 这些地点发火占自燃隐患总数的8 0 以上。发火位置分布统计见表2 - 3 。 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律静研究 表2 - 3潘一矿自燃隐患及自然发火位置分布统计表 发火位置回采工作面 采空区收作面 采区煤柱 巷道 次数 34411 ( 3 ) 从自燃隐患及自然发火时间分布来看，多发生在秋冬季节，在9 月至2 月 期间发火的有11 次，占发火总数的8 0 以上。 ( 4 ) 从自燃隐患及自然发火的年份分布来看，1 9 8 8 年以前，出于矿井丌采工作 面较少，通风系统简单，漏风点少，没有发生自然发火，1 9 8 8 年以后随着矿井丌 采规模的扩大，矿井开始出现自然发火事故，见表2 4 。 表2 - 4 潘一矿白燃隐患及自然发火年份分布表 年份 1 9 8 81 9 8 91 9 9 0 1 9 9 l1 9 9 31 9 9 41 9 9 71 9 9 9 发火次数 l2 41112l ( 5 ) 自然发火多发生在顶板破碎冒落或地质构造带。 2 ，3 检测煤温预报自然发火技术【3 2 】 在煤自热过程中温度的变化直接反映了煤的自热程度，因此在产生自燃火源 频率较高和可能发火的区域预埋测温探头，定时检测巷道顶煤的温度，对于研究 该巷道顶煤中煤温随着时间的变化规律、预报煤炭自热程度均是直接有效的措施 之一。 2 3 1 测温系统的选择 ( 1 ) 测温系统的选择 作为煤炭自然发火预报，一般要求测温范围在常温至2 0 0 。c 之间，测温范围较 小。并且受井下条件的限制，选用传感器时要求具有较好的抗湿性，抗氧化一还 原性。 温度传感器有a d 5 9 0 、热电偶等可选用。通过比较研究后认为，铜一康铜热 电偶测温传感器具有结构简单，使用方便，性能可靠，适合远距离测量等优点。 同时铜一康铜热电偶低温时灵敏度较高，而且价格低廉，具有较好的抗湿性，抗 氧化一还原性，适用于井下应用。 显示仪表可选用l o hv 分辨率的数字式毫伏电表。也可采用多点巡回检测仪， 实现远距离定时自动测量。 ( 2 ) 热电偶探头的制作 制作方法是将一根铜导线与一根康铜导线( 直径3 r a m ) 并列，将两线末端 绞在一起，用电弧焊的方法使两导线接端点熔成一个小球状。一般要求两个导线 缠绕的圈数不要超过2 3 圈，否则热电偶工作端不是焊点而是缠绕部分的术端， 1 2 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷厦煤自燃规律的研究 这将引起测量误差。 在热电偶制作焊点时，要求有合适的电压和碳棒端头，以保证焊点圆滑无孔 洞。 热电偶端点焊接质量对其灵敏和精度有一定的影响。因此，制作好以后用放 大镜应逐一进行检查，质量不符合要求时应重做。 ( 3 ) 热电偶的标定 我国虽然有标准的铜一康铜热电偶的分度表，但由于使用铜一康铜材料与标 准的热电偶材料不尽相同，加之制作工艺不完全规范，因此，自制的热电偶应经 过标定后方可使用。 所谓标定，就是通过试验找出热电偶的参考( 冷) 端为0 。c 时，其工作端所感 受的温度t 与其产生的电动势e 之间的对应关系，即得出e 叫关系式或e f 关系。 根据e r 关系式( 或关系表) 在检测煤温时由电动势即可反求出煤的温度。 标定的方法采用比较法，使用高精度的水银温度计作为标准温度计，使用电 位差计测量电动势。标定系统如图2 2 所示。 己 图2 - 2 热电偶标定系统示意图 1 一标准温度计；2 恒温容器；3 一电位差( 毫伏) 计； 4 一冰瓶；5 一热电偶冷端：6 一热电偶热端 数据处理。严格地说，热电偶产生的电动势e 与温度f 是非线性关系的，可用 ”次多项式表示 e ( f ，0 ) = y 口f 智 式中：e o ) 工作端为t o c 冷端为0o c 时产生的温差电动势，m v ： a ，f 项系数； n 多项式的项数和次数。 在精度要求不高，在一定的温度范围内，可将e 一，关系近似地认为是直线关 系。如果测温范围较宽，则可分段进行线性回归分析，可得出各热电偶的线性幽 归方程如下： f = a + r p + b v 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 式中：r 测定温度，； a 、b 系数； ，。环境( 参考端) 温度，； v 毫伏表读数，m v 。 一般要求回归方程的相关系数在o 9 9 9 盼上，才符合实验要求。在要求精度高 时应采用分段回归。 2 3 2 热电偶探头的布置要求 热电偶探头布置方式、测点间距应根据研究目标、试验地点等因索因地制宜 选择。由于松动煤体的导热性较差，热源扩散速度较慢，测点间距般在1 0 m 左 右；同时要求能控制研究区域内的煤温分布。 作为探测火源用时，热电偶探头布置技术关键是： ( 1 ) 安装探头位置选择合理。其位置一般是有可能产生高温点或火源的位置。 ( 2 ) 施工质量好，符合设计要求。 ( 3 ) 探头安装后有较好的保护措施，以免遭受损坏。安装后要教育附近工作的 职： 注意保护，不要有意或故意损坏，使其在服务期内正常工作。 2 4 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 综放面上风巷顶煤煤温实测 2 4 1 热电偶的制作和标定 我们将购买回来的热电偶导线按照热电偶探头的制作方法在实验室内分别做 成3 5 m 、5 5 m 、8 5 m 、1 0 5 m 、1 2 5 m 五种长度规格的热电偶，经检查合格后再将 其进行标定，标定结果如表2 5 ，因为数量太大，我们只选取了其中1 2 根热电偶 的标定结果。 3 5 3 2 5 ；2 出1 5 脚 l 0 ，5 0 o 温度t ( ) 幽2 - 3 热电偶电动势e 与温度t 关系图 1 4 潘一矿2 3 2 2 ( 3 ) 面上风巷顶煤自燃规律的研究 表2 - 5 热电偶的标定结果 震豢纛震鳓蒸添 ”舞藏 、”* 蹬。琏一j l ；i 瓣壁二s ； 1 = 攥。搿糍燮麓c 麓g 鬻爨l a 鬻爹】1 0 41 5 72 0 62 2 12 4 827 7 21 0 4l5 72 0 522 224 827 73 3 l 31 0 415 620 52 2 224 827 733 0 41 0 41 ，5 62 0 52 2 12 4 82 7 73 3 0 51 0 4 15 620 52 2 124 8 27 733 0 61 0 415 62 0 52 2 224 82 7 73 3 0 71 0 415 72 0 52 2 224 客27 733 0 81 0 415 62 0 52 2