（安全技术及工程专业论文）采空区可燃性气体爆炸特性研究.pdf

s u b j e c t ：c h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ha n dc o n t r o lm e t h o do nt h e g a se x p l o s i o n s p e c i a l t y ：s a f e t yt e c h n o l o g ya n de n g i n e e r i n g n a m e：y ix i n i n s t r u c t o r ：医丑回d e n g j u n a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 氏九 a sar e s u l to fc o a lr e s o u r c e sm i n i n g ，c a u s e st ot h er e g i o nc o a ld e s t r u c t i o na n dt h eg a s n o n e v e n r e l e a s e ，i nt h em a c h i n e r yo rn a t u r a lv e n t i l a t i o nf o ru n d e rt h eo x y g e nc o n d i t i o n ， c a u s e st oc o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o na n dg a se x p l o s i o n ，t h u sa d d st h es t r o n gc o a l d e s t r u c t i o na n dt h eg a sr e l e a s e ，i n d u c e st h eb i g g e rd i s a s t e ra c c i d e n t ，s e r i o u s l yi st h r e a t e n i n g t h el i v e so f m i n i n gw o r k e r s ，r e s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to fm i n i n gp r o d u c t i o na n db r i n g i n g a b o u th e a v yb u r d e nt oc o a le n t e r p r i s e s a l t h o u g hg a se x p l o s i o na c c i d e n tf r e q u e n to c c u r r e n c e ， b u ta tp r e s e n tt h e r ei sn o ta n yt e c h n i q u et h a tc a nc o m p l e t e l ys t o pt h eg a se x p l o s i o nw h e t h e ri t h a sa l lt h et h r e ee x p l o s i o ne l e m e n t s t h e r e f o r et h ea n a l y s i si sa b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co f g o b c o m b u s t i b i l i t yg a s ，t os u p p r e s s e st h eg a se x p l o s i o n ，p r e v e n t e dt h ed i s a s t e rt h eo c c u r r e n c eh a s t h ev i t a ls i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so fr e f e r r i n gt h e f o r e i g na n dd o m e s t i cl i t e r a t u r e sa n ds y s t e m a t i c a l l y g e n e r a l i z i n gt h ef o r m e rr e s e a r c hr e s u l t s ，f i r s t l y , f r o mt h ea d s o r p t i o ng a s ，c o a ls p o n t a n e o u s c o m b u s t i o na n dt h eh e a tr e s o l v e s ，t h e s i sa n a l y z e st h ei g n i t a b l eg a so c c u r r e n c e s e c o n d l y ， t h o u g ht h ee x p e r i m e n ts t a t i o no fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ，t h e s i so b t a i n st h ec r i t i c a l t e m p e r a t u r e6 0 1 0 0 ，s p l i t st e m p e r a t u r e1 0 0 。c 1 5 0 ，t h ef i s s i o nt e m p e r a t u r e1 5 0 。c 18 0 。ca n dt h es p e e d u pt e m p e r a t u r e210 。c 2 5 0 。ca n di g n i t a b l eg a sr e l e a s er u l e si nt h e s e v e r a lt e m p e r a t u r e ss e c t i o n sa c c o r d i n gt ot h er e s u l t s f i n a l l ya c c o r d i n gt of i r er e s o u r c ea n d t h ec a t a s t r o p h et h e o r y , i g n i t a b l eg a se x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r sh a v e b e e nc o n d u c t e do ft h eq u a l i t a t i v ei n v e s t i g a t i o na n dt h eq u a n t i t a t i v ed e t e r m i n a t i o n t h eg a s e x p l o s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa r ep u tf o r w a r d i th a sb u i l tt h ec e r t a i nf o u n d a t i o nf o rt h e e f f e c t i v ep r e v e n t i o ng a se x p l o s i o na c c i d e n to c c u r r e n c e k e yw o r d s ： t h e s i s g o b c o m b u s t i b i l i t yg a s c o a ls e l f - i g n i t i o ng a se x p l o s i o n e x p l o s i o nc h a r a c t e r i s t i c a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技太肇 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：，岛l i 定、一日期：0 0 6 辱1 8 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，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西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：易l i k 一指导教师虢唧、可 2 0 0 6 年年月t g 日 i 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 瓦斯以吸附和游离两种状态赋存于煤层和煤系地层中，在地下深处煤层中，瓦斯压 力最大可达l o m p a 以上。当采掘工作破坏了地层中原有的气体压力平衡时，煤层中的 高压瓦斯即会解吸并向低压处运移，并进入采矿空间；由于瓦斯在运移过程中不仅可发 生煤与瓦斯突出动力现象，而且瓦斯进入采矿空间后，在条件具备时还会发生瓦斯爆炸， 即便是低瓦斯矿井也时常发生矿煤层自燃引起的局部瓦斯爆炸，因而瓦斯爆炸是煤矿中 最严重的自然灾害之一。 我国是世界上瓦斯灾害最严重的国家，国有重点煤矿4 8 以上是高瓦斯突出矿井， 5 6 以上矿井具有煤层自然发火倾向性：8 6 3 的矿井煤层具有煤尘爆炸危险。由于煤 炭资源的开采，导致采空区煤岩体破坏和瓦斯的非均匀释放，在机械或自然通风供氧的 条件下，引起采空区煤层自燃和瓦斯爆炸灾害，从而又加强煤岩体的破坏和可燃气体的 释放，诱发更大的灾害事故，严重威胁着煤矿职工生命和财产的安全。 我国9 5 以上的煤矿是井工开采，煤层自然条件和开采条件复杂，瓦斯、煤尘、水、 火、冲击地压等灾害共存，治理难度大。其中瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的最大威胁， 尤其是高瓦斯易自燃特厚煤层的大采高支架和综放开采，近几年，多次发生工作面支架 后方采空区自燃引爆瓦斯等重特大事故，造成严重的人员伤亡和经济损失。见表1 1 。 表1 1 近十年部分瓦斯爆炸重大事故统计表 另外，对一些低瓦斯矿井采空区，由于采空区浮煤自燃，高温干馏出大量可燃性气 体，在一定漏风供氧条件，也会发生采空区多元瓦斯( 多组分可燃性气体) 爆炸事故， 如兖州某矿2 0 0 4 年9 月一个封闭的采空区由于煤体自燃，引起采空区内瓦斯( 煤体高 温放出的可燃性气体) 发生爆炸，导致永久关闭，两人死亡。据统计，2 0 0 3 年，全国煤 西安科技大学硕士学位论文 矿共发生伤亡事故4 1 4 3 起，死亡6 4 3 4 人，一次死亡3 0 人以上特别重大事故7 起，死 亡3 6 0 人。2 0 0 4 年煤矿企业共发生伤亡事故3 8 5 3 起，死亡6 0 0 9 人，一次死亡3 0 人以 上特别重大事故7 起，死亡4 8 7 人；特别严重的是，在2 0 0 4 年末至2 0 0 5 年初的短短1 1 8 天内，我国相继发生了“11 2 0 ”、“1 1 2 8 ”和“2 1 4 ”三起煤矿瓦斯煤尘爆炸事故，5 2 0 多人 在事故中遇难，造成了重大财产损失和人员伤亡。2 0 0 5 年煤矿死亡事故3 3 4 1 起，死亡 5 9 8 6 人，百万吨死亡率2 8 3 6 ，比上一年减少0 2 4 5 ；1 0 人以上特大事故5 8 起，死亡1 7 3 9 人，同比上升3 4 9 和6 6 6 ；3 0 人以上特别重大事故1 1 起，死亡9 6 1 人，同比上升 3 7 5 和8 3 7 。 据统计，全国每年因瓦斯事故死亡的人数约2 0 0 0 人，占煤炭行业工伤事故死亡人 数的4 0 ，占重大事故的7 0 - 8 0 ，煤矿每年发生死亡1 0 人以上的特大事故中，9 0 为瓦斯( 含瓦斯煤尘) 爆炸事故。瓦斯煤尘爆炸给煤矿带来的最大危害是威胁井下人员生 命，摧毁矿井设施，迫使矿井停产，并投入大量人力物力抢险救灾【l 】。瓦斯灾害的威胁 也极大地限制了矿井生产能力的发挥。采掘工作面因难以将瓦斯浓度控制在安全限以内 而不得不减慢采掘进度，使许多矿井的生产能力不得不一减再减，浪费了大量的生产投 资，高产高效的采、掘、运机械化装备难以发挥效能，劳动生产率水平低下。因此，采 空区可燃性气体爆炸特性的研究分析，对研发采空区自燃及瓦斯爆炸灾害的早期预测和 综合治理技术，确保煤矿安全开采，具有重要指导意义。 1 2 国内外研究现状 瓦斯是井下采掘过程中从煤和围岩中涌出的有害气体的总称，如c h 4 、c 0 2 、c o 、 h z s 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、h 2 、s 0 2 等。由于c h 4 占9 0 以上，因此瓦斯一般指甲烷c h 4 。甲烷 是无色无味的气体，在大气压为1 个标准大气压、温度为0 。c 的标准状态下，每立方米 的质量为0 7 1 6 k g ，相对密度为0 5 5 4 ，与氧气适当混合后具有燃烧和爆炸性。通常情况 下，甲烷对水的溶解度很低，难溶于水。 我国学者从2 0 世纪5 0 年代初期就开展了解放层开采与卸压瓦斯抽放试验。同时， 研究工作面瓦斯强化抽放方法，考察顶板岩层水平长钻孔抽放邻近层瓦斯的可行性，但 由于国产钻机能力未完全过关，难以进行高效率长钻孔抽放，现有的防治技术还达不到 有效控制瓦斯灾害的深度和广度。另一方面，我国在2 0 世纪9 0 年代开始较大规模的煤 层气研究与开发试验，在山西柳林、天津静海、阜新刘家屯、铁法大兴等地进行地面钻 井开采煤层气试验，迄今已钻井1 0 0 余口，完井初期采气量很高，但产气量不甚稳定， 其整体效果不甚理想，主要原因在于我国煤层瓦斯独有的赋存特征，低透气性储存是制 约稳定采气量的关键因素。因而，在我国难以简单、直接地利用美国的煤层气开发技术。 我国矿井瓦斯抽放率平均为1 7 ，因而瓦斯事故多发：地面钻井开采煤层气气量不 均衡，效果不甚明显。所遇到的共同性问题是如何增加煤岩层的渗透性这一世界性难题。 1 绪论 事实上这涉及到裂隙煤岩体渗流特性和理论的研究，近年来国内外学者j l i u ，d a n a ， x i n gz h a n g ，刘金才，速宝玉，朱珍德，b i b h u t i ，赵阳升，曹树刚等对裂隙岩体、块裂 岩体以及破裂岩体的渗透、渗流力学特性进行了广泛的研究，但对破坏后( 峰值应力状 态下) 的煤岩体渗透特性和固流本构理论研究成果较少，一方面是因为矿山井下破裂煤 岩体内渗透系数不易直接测得，另一方面是受试验研究手段所限。因而尚未科学、深入、 系统地分析总结出采动引起的围岩裂隙分布、本煤层及临近层瓦斯析出条件，以及瓦斯 压力和岩层压力的关系。 近几年，中国矿大开展了瓦斯( 煤尘) 爆炸机理、传播规律及防治对策的研究工作， 揭示了瓦斯爆炸火焰的结构特征及其影响因素，揭示了瓦斯爆炸过程中爆炸波的特征参 数变化规律及其影响因素，开展了壁面热效应对瓦斯爆炸传播规律影响作用的实验研 究，建立了管内瓦斯爆炸能量平衡方程，中国矿大开发了具有自主知识产权的瓦斯爆炸 危险性评价技术，提出了降低或减少湍流度、瓦斯爆炸强度的新原理和新方法，为开发 煤矿瓦斯爆炸控制新技术和指导瓦斯煤尘爆炸预防工作奠定了理论基础。 矿井瓦斯是c h 4 与多种可燃性气体共存的多组份可燃性气体，目前有关可燃气体爆 炸极限的研究，国外进行的比较早。最早提出测定气体与可燃蒸汽的爆炸极限的是美国 矿山局的c o w a r d 及j o n e 在1 9 5 6 年发表的气体和蒸汽燃烧范围的报告【2 3 1 。其中介 绍了一种测定气体爆炸极限的装置，这种装置常被后人作为试验的标准装置使用；1 9 5 6 年美国矿山局的z a b e t a k i s 发表了可燃性气体及蒸汽的可燃特性一文，指出了c o w a r d 使用的装置所存在的问题，并以新的内容对爆炸极限值做了大的修改。他采用的是传播 法进行常压下气体爆炸极限的测定，即将已配好的混合气体充入圆筒形或球形容器内， 从端点点火，观测火焰是否扩展到整个容器内以确定爆炸极限。爆炸装置为直径5 c m ， 长1 2 5 1 5 0 c m 的垂直玻璃管，采用电火花点火。以后，日本、前苏联等一些国家也在美 国矿山局装置的基础上进行改进并做出了一些装置，这些装置的特点是：爆炸容器为管、 状，采用电火花点火，能广泛进行气体爆炸极限的测试，但不适于研究气体的爆炸特性 ( 爆炸压力和压力上升速率) 。 国内的一些研究机构也对可燃气体与蒸汽爆炸特性的测定做了大量的研究。公安部 天津消防研究所设计了一套测试可燃气体或蒸汽在空气中的爆炸极限值的装置，该装置 的爆炸室为l m 3 圆柱形容器，用硬质玻璃作为材质，点火系统采用交流电火花点火，这 套装置加工较困难，非常昂贵，使用方便；沈阳消防研究所在研究测定航空煤油最小点 火能时也设计了一套装置，此套装置主要由三大部分组成：配气系统、电气系统及爆炸 室。爆炸室体积为3 0 0 c m 3 ，用有机玻璃制成，它采用的配气方式为预混式配气，点火 方式为电容电火花点火；天津大学田贯三等人同样针对可燃气环保制冷剂的爆炸极限设 计了一套实验系统。该系统的爆炸室为硬质玻璃管，管长为1 4 0 0 m m ，管内径为q 0 6 0 m m ， 管底部装有泄压塞。点火方式采用电极放电：西安交通大学鞠飙等人为了测定可燃性环 西安科技大学硕士学位论文 保制冷剂的爆炸极限设计了一套精度较高的测试实验系统。该系统可以对温度在 1 0 8 0 、压力在0 1 - 1 m p a 范围内的可燃气体的爆炸极限安全有效的进行测定；黄超等 人利用等圆柱形不锈钢爆炸容器( 容积为2 0 l ) 对烷烃在高温条件下的爆炸极限进行了 测定，得出了爆炸上下限与温度之间的定性关系。 在瓦斯爆炸控制方面，目前国内外主要研究了水、抑爆剂、惰性气体等的抑爆机理。 ( 1 ) 水的抑爆机理。研究表明，水可以抑爆是因为通过弥散水雾滴的耗散作用引 起前导冲击波强度衰减以及水滴蒸发等物理途径，影响紧随其后的燃烧区的化学反应。 同时水雾直接干预爆炸反应区的化学反应，在瓦斯爆炸链反应过程中，主要是水作为第 三体或惰性液滴破坏其中的链载体，降低了爆炸反应速度和支持爆炸波传播的能量，由 此导致爆炸波的衰退，从而降低瓦斯爆炸反应能力。大量的实验研究结果表明，细水雾 对气体爆炸的抑制效果可以达到卤代烷系列抑制剂效果。但水抑爆理论、工艺应用技术 等问题的研究有待加深，如确定合适的动作压力以及水雾输运、弥散问理等急需解决 ( 2 ) 抑爆剂的抑爆机理。抑爆剂主要有n h 4 h 2 p 0 4 ( a b c 粉末) 、碳酸氢钾、碳酸 钙( 岩粉) 、n a c l ( b c 粉末) 等材料。研究表明，有的抑爆剂是用来稀释瓦斯和氧气浓 度的；有的是吸收反应热量，使燃烧反应链不能持续下去；有的是可以中止瓦斯链反应， 从而抑制瓦斯爆炸及其火焰传播。国内外人员主要从抑爆材料的浓度和粒度对瓦斯爆炸 的影响两方面进行研究，得出抑爆材料浓度大、粒度越小对抑爆效果更好些。 ( 3 ) 惰性气体抑爆机理。常用的惰性气体有二氧化碳、卤代烷、氮气等。惰性气 体的主要作用是稀释混合气体中的氧浓度和增加惰性气体浓度，当氧浓度降到维持燃烧 所必须的下限氧浓度以下或惰性气体浓度增加到使火焰不能蔓延的浓度时，火焰自行熄 灭，爆炸波衰退。 为确保矿井安全生产，减少井下的甲烷涌出和聚积，防止瓦斯爆炸发生，世界采煤 国最大限度地抽出煤体甲烷作为防止瓦斯爆炸事故的根本措施【4 】。据统计，年抽放瓦斯 量超过l 亿m 3 的国家有1 0 个，其中前苏联矿井瓦斯抽放量最多达2 1 2 亿m 3 。1 7 3 3 年 英国煤矿开始尝试回收甲烷( 调查1 8 4 4 年一工矿瓦斯爆炸事故原因，就是采空区甲烷 大量聚积所致) 。目前美国、澳大利亚、波兰正生产应用抽放能力为2 0 0m 3 m i n 的湿 式、干式抽放泵，建立先进的甲烷监测系统；日本研究了在高瓦斯长壁工作面顶板打水 平长钻孔( 8 0 0 m ) 抽放采空区甲烷的工艺和设备。美国1 9 8 1 年开始煤层气( 甲烷) 商 业化开采，1 9 9 4 年达到2 1 5 亿r n 3 ；独联体国家和德国仅限于煤矿安全问题的井下抽放 瓦斯，煤层气开发未见大的规模；波兰也在寻求投资，共同开发丰富的煤层甲烷资源。 世界各主要采煤国家也都经历了与我国类似的瓦斯灾害防治途径。整体来讲，现主 要存在以下问题【5 j ： ( 1 ) 在控制与抽放瓦斯方面：高产高瓦斯工作面的综合抽放；放顶煤综采高瓦斯 工作面的瓦斯治理：无煤柱高产瓦斯工作面邻近层瓦斯抽放：高瓦斯采煤工作面上隅角 4 1 绪论 瓦斯处理等。 ( 2 ) 在防止煤与瓦斯突出方面：连续非接触式工作面突出预测；突出强度分级预 测方法；采掘工作面前方地质破坏带预测方法；缓斜厚煤层石门揭煤防突方法；机掘、 综采工作面适用的防突措施：延期性突出的预测及防治措施；遥控打钻及掘进装备等。 ( 3 ) 在预防瓦斯爆炸方面：当瓦斯爆炸三要素都满足时，没有一项技术能控制瓦 斯不爆炸；当矿井生产系统中出现火灾，瓦斯浓度不可控制地出现上升趋势并逐步达到 爆炸浓度时，还没有一项技术措施能控制爆炸事故不发生；当高瓦斯矿出现第一次瓦斯 爆炸后，通风系统紊乱，随时面临重复爆炸时，没有技术能保障不再发生瓦斯爆炸。 1 3 本文的研究思路 ( 1 ) 煤层自燃过程中可燃性气体释放规律实验研究 采用装煤量为1 5 吨的煤自然发火模拟实验台，模拟采空区煤层自然发火过程，通过 跟踪监测煤体温度与气体变化情况，测算出煤体不同温度时气体产生速率，结合采空区 遗煤自燃过程的现场观测结果，建立采空区煤自燃动态变化过程数学模型，理论和实验 研究采空区有源有汇非均质煤体自燃的非稳态动力演化规律及特征。 ( 2 ) 采空区可燃性气体产生及聚积规律 根据采空区气体运移规律，分析采空区有源有汇的气体运移及在不同温度下的释放 规律。 ( 3 ) 采空区可燃性气体爆炸特征及主要影响因素 搞清采空区大空间c h 4 与多种可燃性气体共存条件下的多元瓦斯爆炸特征及其主 要影响因素。 ( 4 ) 根据以上研究，得出采空区可燃性气体爆炸控制对策。 本文所研究可燃性气体爆炸以瓦斯爆炸为主，多组分瓦斯指以瓦斯为主要成分的各 种可燃性气体总和。 1 4 研究方法和技术路线 通过实验研究和理论分析，以流体力学、气体爆炸学及传热学等相关理论做指导， 结合现场观测数据，对采空区可燃性气体释放规律和爆炸特性进行分析。 技术路线如图1 1 所示。 西安科技大学硕士学位论文 图1 1 技术路线示意图 6 2 采空区可燃性气体产生及聚积规律 2 采空区可燃性气体产生及聚积规律 2 1 采空区可燃性气体的来源 采空区可燃性气体主要有三个来源：( 1 ) 采空区煤层吸附瓦斯；( 2 ) 煤氧化过程中 产生的可燃性气体；( 3 ) 煤高温热解所产生的气体。 采空区瓦斯主要来源于以下几部分，即围岩瓦斯涌出、未采分层瓦斯涌出、回采丢 煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出，如工作面周围有已采的老空区存在，也会向现采空区涌 出瓦斯。这几部分瓦斯随着采场内煤层、岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入 采空区，混合在一起。而采空区遗煤出现高温或发生自燃火灾，则附存在围岩、煤体内 的瓦斯会加快释放速度。 煤氧复合过程中，发生物理吸附、化学吸附和各级氧化反应。在此过程中，会产生 c o 、c o 、c h 4 、c 2 h 6 、c 2 h 4 、c 3 h 8 等可燃性气体。 煤在不同温度下热解产物气态烃中以甲烷为主要成分，在4 0 0 5 0 0 温度范围 内，随热解温度的升高，甲烷的体积分数逐渐增大，当热解终温达到5 5 0 时略有下降。 当温度在5 0 0 7 0 0 时，煤中挥发分大量析出，如c 。h 2 c o 和c 0 2 等。煤在2 8 0 。c 以上干馏气体浓度可达5 以上，已经达到爆炸浓度极限。 2 1 1 煤层吸附瓦斯来源 综放面的瓦斯来源与煤层赋存和开采条件有关系。与其它采煤方法的工作面相同， 综放面的瓦斯来源概括来说，仍是由开采层、邻近层( 包括围岩) 瓦斯两部分组成。 综放面开采层瓦斯一般由四部分组成： ( 1 ) 采落煤炭瓦斯涌出q l ( 2 ) 放落煤炭瓦斯涌出q 2 ( 3 ) 工作面煤壁( 包括支架上部煤壁) 瓦斯涌出q 3 ( 4 ) 采空区遗煤涌出和采空区煤壁涌出q 4 如在特厚煤层中，综放面一次开采高度小于层厚，则应考虑未采放部分煤体的瓦斯 涌出。有上、下邻近层的厚煤层开采时，还应考虑邻近层( 包括围岩) 的瓦斯涌出q 5 。 如图2 1 所示，为一次采全厚综放面瓦斯来源示意图。由图可见，瓦斯涌出量q 、 q 2 和q 3 直接涌入工作面风流中，而q 4 和q 5 则大部分涌入采空区后再进入工作面风流， 表现为采空区瓦斯涌出。 西安科技大学硕士学位论文 综放面各瓦斯涌出源的瓦斯涌出量大小除主要取决于煤层瓦斯含量外，还与开采强 度密切相关。在煤层瓦斯含量为定值的情况下，q l 、q 2 和q 3 的大小与工作面采、放煤量 。 图2 1 综放面瓦斯来源不意图 成正比；q 4 除与产量有关外，还与回采面回收率密切相关，回收率越小，则q 4 越大。瓦 斯源q 5 除取决于开采强度外，还与邻近层厚度，邻近层至开采层距离，层间岩石性质， 邻近层瓦斯原始压力，煤层透气性系数等因素密切相关。 众所周知，采空区内空气的压力一般在1 个大气压左右，而邻近层煤层若未进行抽 放或未受采动影响，其原始瓦斯压力可能高达十几个大气压甚至几十或近百个大气压， 一旦与采空区有裂隙连通，则向采空区的瓦斯涌出是势不可挡的，使采空区的上部空间 内充满高浓度瓦斯，成为“瓦斯仓库”，一旦老顶周期来压，势必造成采空区内的瓦斯大 量涌入回采工作面。 地面大气压的变化，也会引起采空区的瓦斯涌入综放面，由状态方程可知 p v = r t 式( 2 1 ) 采空区温度t 在昼夜之间的变化不大，而大气压的变化可达几百甚至上千个p a ， 则导致采空区内气体体积的变化，形成采空区所谓的“呼吸”现象，当为“呼”的过程时， 便把采空区内的高浓度瓦斯带入工作面。 因此，采空区瓦斯主要由以下几部分产生： ( 1 ) 回采过程中采空区内部不可避免的要丢失一定的煤炭，这些煤将释放瓦斯； ( 2 ) 采空区顶板岩石裂隙中也释放一定量瓦斯； ( 3 ) 采空区底板及下部煤层的瓦斯也会通过裂隙释放到采空区之中； ( 4 ) 工作面的瓦斯也有部分进入采空区。 2 1 2 综采放顶煤采场的瓦斯涌出特点 与煤层分层开采相比，综放开采的特点是一次采全高，高产高效，但回采率偏低。 结合这些特点，其瓦斯涌出有如下特点： ( 1 ) 绝对瓦斯涌出量成倍增加 2 采空区可燃性气体产生及聚积规律 在工作面推进速度相同的条件下，综放面的产量比普通机采面大2 - - 5 倍，因此， 在开采瓦斯含量相同的煤层时，综放面的绝对瓦斯涌出量会成倍增加。 同时，根据煤壁瓦斯涌出的经验知道，煤壁瓦斯涌出的绝对量除与煤的透气性系数， 瓦斯压力等因素有关外，还与煤壁暴露面积大小成正比。若架前煤壁高度h i 和架顶放 煤高度h 2 之比为1 2 ，那么支架上部煤壁暴露面积为架前煤壁暴露面积的k 倍( 设架顶 煤的垮落角为9 0 0 ) ，如图2 2 所示。 图2 2 综放米面煤壁瓦斯涌出不意图 因此，根据煤壁暴露面积大小，架顶煤涌出的瓦斯量q 2 应为架前工作面煤壁涌出 瓦斯量q l 的k 倍。此外，支架上部煤由于受矿山压力作用，裂隙较多，其透气性系数将 大于架前煤壁的透气系数。综合煤壁暴露面积和透气性系数两因素对煤壁瓦斯涌出的影 响，架顶煤涌出的瓦斯q 2 应大于工作面架前煤壁涌出瓦斯q l 的k 倍，即q 2 k q l 。由 于放顶煤工作面的放煤高度一般为割煤高度的2 倍以上，即k 2 ，因此，架顶煤涌出 瓦斯q 2 一般为工作面架前煤壁涌出瓦斯q l 的2 倍以上、而q 2 直接涌向采空区，即开 采煤层涌出的瓦斯大部分直接流向采空区，导致采空区瓦斯浓度高。 ( 2 ) 相对瓦斯涌出量减少 与分层开采的第一分层相比，综采面的相对瓦斯涌出量会显著减少。因为分层开采 第一分层时，底部各分层的瓦斯将大量涌入第一分层的采空区，而综放工作面是全厚整 体推进，没有这部分瓦斯来源，加之综放面产量大，因此其吨煤瓦斯涌出量显著减少。 这就是说，就整个采区而言，分层开采时，煤层的大部分瓦斯集中在第一分层开采时涌 出，而综放开采由于不再分层，使瓦斯涌出均匀化了。 ( 3 ) 上邻近层瓦斯涌出量增大 由于综放面采厚较之普通机采，采厚大2 - - 5 倍，增大了工作面上部冒落带和裂隙 带的高度，扩大了影响上邻近层的范围，加大了邻近层的瓦斯卸压排放程度，因此综放 面的上邻近层绝对瓦斯涌出量比普通机采大。 ( 4 ) 局部瓦斯积聚加剧 综放面除存在与一般回采面相同的上、下隅角瓦斯积聚外，尚有放煤口和液压支架 顶部的瓦斯局部积聚。 综放面支架上方存在数倍于采高的裂隙和冒落放空区，在该区无有效风流，是高浓 9 西安科技大学硕士学位论文 度“瓦斯仓库”，这部分瓦斯通过放煤口和支架上方的裂隙向工作面涌出，因此在这些地 点形成了瓦斯局部积聚。调查表明，这些地点的瓦斯浓度可达3 - - 5 ，个别可达2 5 8 5 。 ( 5 ) 采空区瓦斯涌出量增大 综放开采时，由于放煤工艺难以控制，回收率普遍低于普通综采。调查表明，综放 面的回收率只有5 5 8 0 。采空区大量丢失的煤将使采空区瓦斯涌出量显著增大。 综放面采场瓦斯涌出在时间上和空间上都是不均衡的。根据辽源梅河三井的实测资 料，从时间上看，放煤和移架时，采场的瓦斯涌出较其它工艺大2 - 5 倍，从空间上看， c 区瓦斯浓度最高，b 区居中，a 区最小，如图2 1 所示。 从整个综放面日瓦斯涌出来看，其瓦斯涌出也是不均衡的。根据阳泉局综放面调查 结果，瓦斯涌出不均衡系数一般为1 2 1 4 ，有时可超过2 。 ( 6 ) 放项煤时工作面瓦斯涌出量大 放顶煤是综采放顶煤开采的一道特有的工序，在采煤机割煤，移架，推溜后进行。 据测算，放顶煤工作面的6 0 的煤炭产量来自于放顶煤工序。由于放顶煤工作面产量大， 相对瓦斯涌出量的大小在很大程度上不能作为衡量工作面瓦斯大小的指标。分层开采割 煤工序时的工作面绝对瓦斯涌出量为不割煤的1 5 倍，是检修班的1 8 倍。综放工作面 采煤工序不同，绝对瓦斯涌出量相差很大，放顶煤时工作面绝对瓦斯涌出量是其它工序 的3 - - 4 倍。 ( 7 ) 架顶和天窗瓦斯大 综放工作面的瓦斯主要来源于支架上方的煤体及采空区高浓度瓦斯扩散进入风流， 且架顶瓦斯超限现象采用通风方法不易解决。据测定，天窗口在放煤过程中瓦斯浓度都 不同程度地增加，有时局部浓度达1 0 以上。天窗里煤炭越多，存留时间越长，瓦斯积 存量也就越大，一般要高出工作面风流瓦斯浓度的2 0 - - - ，3 0 倍。 ( 8 ) 采空区瓦斯积存量大 综放工作面采空区冒落范围大，通风风流上不去，易于造成瓦斯大量积存，放煤过 程中的顶煤滑动破碎释放出来的瓦斯由于浮力的作用流动到采空区。对采空区的瓦斯采 用增加工作面风量的方法不能稀释，只能相对降低工作面回风风流的瓦斯浓度，也同时 增加瓦斯排放量，但对采空区瓦斯影响不大。 ( 9 ) 采空区瓦斯涌出的不均衡性 从整个综放面日瓦斯涌出来看，其瓦斯涌出也是不均衡的。采空区瓦斯在顶板初次 来压、周期来压、过构造带所引起顶板大面积跨落时，会大量涌出并通过采空区大量涌 入工作面，造成采面和回风巷瓦斯浓度升高，这种表现为不稳定的涌出。 1 0 2 采空区可燃性气体产生及聚积规律 2 1 3 煤氧复合过程产生的可燃性气体 煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化过程，其实质就是一个缓慢地自动 放热升温最后引起燃烧的过程。煤体发生自燃主要是由煤氧复合作用放出热量而引起 的。煤氧复合是煤与氧自发产生的氧化放热反应，始于物理吸附，然后发生化学吸附和 化学反应，整个过程中伴随着氧含量的减少，反应气态产物的增加，且有吸热和放热效 应的发生。在煤低温氧化过程中，主要是煤分子中的非芳香结构侧链和桥键与氧发生反 应，生成c o 、c 0 2 和h 2 0 。随着煤温的不断升高，煤分子中的各种结构均会发生不同 程度地断裂、裂解和裂化，并与氧发生反应，释放出c h 4 、c 2 h 6 、c 3 h s 、c 2 h a 、c 2 h 2 等各种气体。 从煤的低温氧化阶段直至着火燃烧阶段都能产生c o ：烃类气体是在煤温达到某一 温度后的裂解和裂化产物。在实验条件下，当煤温达到7 0 - - 8 0 时出现乙烷，达到 l l o 1 3 0 时出现乙烯，达到1 3 0 1 5 0 时出现丙烷、丙烯，煤温达到1 5 0 1 7 0 时出现丁烯。乙烯是煤氧化分解及热裂解的产物，乙烯的出现是煤进入加速氧化阶段的 一个重要标志，乙烯浓度约在1 5 0 1 6 00 c 左右开始猛增。烯烃气体则是煤体剧烈氧化 时的产物，且煤温升高时烯烃的浓度随着增大，并且呈指数曲线状上升。 2 1 4 煤的热解过程 一般来讲，煤的热解是指煤在隔绝空气或惰性气氛中持续加热升温且无催化作用的 条件下发生的一系列化学和物理变化。煤的热解过程【6 1o 】是煤气化等其他化学过程的第 一步，它与煤的组成和结构有密切关系。煤的热解的机理、产物的性质及分布情况要受 到煤的性质、加热速率、传热和热解气氛等特定条件的显著影响。 煤在隔绝空气条件下加热时，煤的有机质随温度升高发生一系列变化，形成气态( 煤 气) 、液态( 焦油) 、固态( 半焦或焦炭) 产物。煤的热解过程大致可分为三个阶段： 第一阶段3 5 0 以前：在这一阶段，煤料被干燥、预热，并开始产生热分解，但 煤料变化不大。煤化度低的煤，在2 0 0 。c 左右开始发生脱碳酸反应而产生c 0 2 及h 2 0 ， 超过3 0 0 。c 就开始生成焦油，但是在3 5 0 以前焦油生成量很少，而且焦油生成量与煤 的煤化程度有关，煤化程度越高，焦油生成量越少。在此阶段煤结构几乎没有变化，然 而孔结构明显变小，煤料大多仍保持无定形、过冷液结构，但原有孔隙减小或被堵塞。 第二阶段3 5 0 - - 6 5 0 ：这是干馏过程中最重要阶段。当温度升到3 5 0 以上时， 这时煤中有机质进一步分解生成气态、液态和固态产物。由于气态产物不能立即析出， 因而气、液和固三相形成胶质体。由于胶质体的形成，使煤料开始显示出流动性。在3 5 0 以上时，由于官能团及烷基侧链的断裂，而形成烃类、一氧化碳及氢，并生成焦油。当 温度在4 5 0 - 5 0 0 时，烃类及初次焦油的生成量达到最大值，当温度在5 0 0 、一5 5 0 西安科技大学硕士学位论文 时，一氧化碳生成量达最大值。从红外线吸收光谱及核磁共振实验表明，由于侧链断裂 及初次焦油生成，使残炭的芳香族结构增加，羟基及脂肪族结构减少。与此同时，软化 熔融的煤开始固化。 第三阶段6 5 0 。c 以上：当温度升到6 0 0 c 以上时，芳香族平面大分子开始缩合，从 而使芳香族平面大分子的大小分布变宽，平均直径增大。此时，气体继续析出，开始以 甲烷、氢为主。最后主要是氢，并在7 0 0 左右达最大值。 本课题实验选择温度范围为3 0 4 5 0 。 1 ) 影响煤热解的因素 ( 1 ) 煤化程度的影响 煤化程度是煤热解过程最主要的影响因素之一。从表2 1 可以看出，随煤化程度的 增加，热解开始的温度逐渐升高。另外，热解产物的组成和热解反应活性也与煤化程度 有关，通常年轻煤热解产物中煤气和焦油产率及热解反应活性都要比老年煤高。 表2 1 不同煤种的开是热解温度 ( 2 ) 煤粒径的影响 如果煤粒热解是化学反应控制，热解速度将与颗粒粒度或颗粒孔结构无关。 ( 3 ) 传热的影响 如果传热阻力主要发生在颗粒和其周围之间，则在升温过程中颗粒的温度是均匀 的，而且升温速度随粒度的增加而减小。在此条件下，升温过程中热解速度随粒度减小 而增大，但当加热速度超过某数值之后，升温过程中反应的量是可以忽略的。 此外，升温速率、终了温度、反应压力以及煤样的化学处理都对煤的热解过程有明 显的影响。 2 ) 热解气态产物 热解过程中煤表面结构的变化直接影响着煤的燃烧状况。在5 0 0 。c 以前，孔容与孔 面积没有大的变化；当热解温度在5 0 0 。c , - 7 0 0 。c 时，煤中挥发分大量析出，如c 。h 2 。、 c o 和c 0 2 等，他们主要来自煤粒内部，导致孔容积与孔面积都有所增加。 不同温度下热解产物气态烃中以甲烷为主要成分，在4 0 0 。c , 5 0 0 。c 温度范围内，随 热解温度的升高，甲烷的体积分数逐渐增大，当热解终温达到5 5 0 。c 时略有下降。煤样 在热演化过程中生成甲烷的主要途径有： c o a l - c h 3 + h 木_ c o a l + c h 4式( 2 2 ) c ( 固) + 2 h 2 _ c h 4式( 2 3 ) 热解过程中生成氢气的主要途径有： 1 2 2 采至区可燃性气体产生及聚积规律 h 枣+h 木_ h 2 式( 2 4 ) c o + h 2 0 h 2式( 2 5 ) c+ h 2 0 _ c 0 + h 2 式( 2 6 ) 在热解过程中，煤中含氧基团还可以生成c o 、c 0 2 以及水，各反应之间存在着竞 争性，在热解开始阶段首先生成的是大量的c 0 2 。 ( 3 ) 干馏煤气的组成 煤在干馏过程中受热分解，产生干馏煤气，其组成主要为二氧化碳、甲烷、乙烯、 氮、硫化氢、一氧化碳和氢等，并含有焦油蒸汽和水蒸气。 煤气中水蒸气来源于煤中所含水分及氢与氧化合所形成的热解水；根据经验，各种 煤或焦炭中约有5 0 的氧和相应的氢化合生成热解水。煤中所含水分也全部进入煤气 中。 煤气中的二氧化碳是由煤中氧与碳转变而生成的，其比例多少取决于煤的变质程 度，见表2 2 。 表2 2 干馏层原料中各元素的部分消耗( 质量) 煤气中的甲烷与乙烯由煤中氢与相应的碳转变而来，其生成量多少主要取决于煤的 变质程度。 煤在干馏中生成焦油，其组成取决于煤的变质程度。根据经验，由煤转入焦油中的 碳量，约等于煤中所含的氢量。 煤中的硫除少量转入焦油中外，通常按8 0 以硫化氢形态转入煤气中，2 0 硫在炉 渣中。 煤中的氢除消耗在生成水蒸气、甲烷、乙烯、硫化氢和焦油中之外，其余的以游离 氢进入煤气中。煤中的氧除消耗在化合水、二氧化碳和焦油中之外，剩余的都生成一氧 化碳。 因此，可以得到： ( 1 ) 煤在高温干馏过程中所产生的煤气，主要是煤在高温分解时的产物。首先释 放出水蒸气及吸附在煤粒表面的二氧化碳、甲烷等气体。当温度升到2 0 0 。c 以上时，煤 开始分解，这时最容易分解的短侧链形成二氧化碳及一氧化碳，所以这时生成的煤气热 西安科技大学硕士学位论文 值很低，产率也不高。这一阶段的上限温度及煤气生成量，因煤种不同而不同。 ( 2 ) 从4 0 0 。c 左右开始，煤进行剧烈分解，这时煤气逸出量急剧增加。当温度达到 5 0 0 。c 5 5 0 。c 时，其逸出量约为总煤气量的4 0 - - - 5 0 ，甲烷含量高达4 5 - 5 5 ，而 氢含量较低并有较多的重碳氢化合物，此时煤气的热值很高。 ( 3 ) 到6 0 0 以上时，煤气中氢含量很高，热值较低。 4 ) 煤的气化 煤气化是煤与气化剂( 空气、氧气或水蒸气) 在一定的温度和压力下进行反应，使 煤中可燃部分转化为可燃气体。热重法是研究煤气化反应常用的一种经典方法，在这一 方面积累了相对较多的研究经验和研究结果，理论体系相对完整和丰富。可由热重数据 计算活化能来考察煤焦反应性。 高挥发分低变质程度煤在2 8 0 。c 以上干馏气体浓度可达5 以上。所以，当高挥发 分煤层低瓦斯矿在发生火灾时，尤其是特厚煤层高冒区发生自燃时，若用水灭火很容易 引起水煤气爆炸。 2 2 采空区可燃性气体运移及聚积规律 采空区是充满流动气体的孔隙介质空间，孔隙介质中的气体流动遵循渗流规律【l l 】。 研究多孔介质渗流的基本出发点是经典的d a r c y 定律；研究流体动力弥散的基本出发点 是f i c k 扩散定律。在采空区内，气体的流动近似满足线性的d a r c y 定律，在直角坐标系 下，d a r c y 定律的三维一般形式，利用e i n s t e i n 求和约定下的张量记法可表示为： 盯吨鼍 式( 2 7 ) 其中：虿= ( g 。，q ：，q ，) 7 是渗流速度，妒为采空区的总风压函数，一般情况下，考虑 重力的影响，可取为： 够= p + p g z 式( 2 8 ) k ，是渗透系数张量。在非均质各向同性的假定下，可退化为一个标量函数： k = x ( x ，y ，z ) 式( 2 9 ) 于是d a r c y 定律可简化为： 虿= - k g r a d q o式( 2 1 0 ) 又由质量守恒定律，即流体力学中的连续性方程： d i v 妇) + 掣：0 式( 2 1 1 ) a z 式中：，z 表示采空区介质的孑l 隙率；p 为密度，其余符号同前，如采空区中有气体涌出 或消耗则应在上述方程中考虑源( 汇) 项。结合d a r c y 定律( 2 7 ) 和连续性方程( 2 1 1 ) 便得到渗流理论下的n a v i e r - - s t o k e s 方程 1 4 2 采空区可燃性气体产生及聚积规律 嘛嘶) = 刀害+ 形 其中考虑了源汇项。 研究采空区中气体的运移，主要考虑瓦斯等几种组分气体的对流扩散作用，目前 f i c k 对流扩散定律可表示为： 刍，1 j ，= 一d 玎( f ，_ ，= x ，y ，z ) 式( 2 1 3 )