（安全技术及工程专业论文）魏家地高瓦斯综放采空区自燃预测预报研究.pdf

s u b j e c t r e s e a r c ho nc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o np r e d i c t i o no fh i g h g a sc o a ls e a mi nw e ij i a d if u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c e g o a f 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 ：t a n gh u i i n s t r u c t o r ：c h e nx i a o k 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 ) a sw ea l lk n o w ，c h i n ai sr i c hi nc o a lr e s o u r c e sa n di t sc o a lp r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n r a n kk e 印h i g hi nt h ew o r l d h o w e v e r , t h ep h e n o m e n o no fc o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni s q u i t es e r i o u s ，w h i c hn o to n l yc o n s t r a i n t st h es a f e t yi np r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fm i n e w i t hh i g hy i e l da n de f f i c i e n c y ，b u ta l s oc a u s ew a s t eo fr e s o u r c e s ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ， p e r s o n n e la n dp r o p e r t yl o s s e s w e ij i a d ii sa c o a lm i n ew i t hh i 曲g a s - c o n t a i n i n ga n di sl i a b l e t os p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n a sar e s u l to fb e i n gt o ot b i c ko fp a r t i a lc o a ls e a m ，t h ec o a lm a y b el e f tm u c hi nt h em i n e d - o u ta r e a i ti se a s yt om a k ef o rs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n e s p e c i a l l y d i f f e r e n tl e v e l so fs e a mw i l ll e a kw i n dw h i l em i n i n gg r o u po fh i g hg a s - c o n t a i n i n gc o a l s ， w h i c hw o u l dm a k ec o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nm o r es e r i o u sa n dt h e nr e g u l a r i t yo f s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nb e c o m e sm o r ec o m p l i c a t e d i nt h i st h e s i s ，i tf i r s tc a r r i e do u ts p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t so fw e ij i a d ic o a l s e a ma n dw o r k e do u tt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r su n d e rs i m i l a rc o n d i t i o no ft h a to ns p 咄 s u c ha st e m p e r a t u r er a i s i n gr a t e ，r a t eo fo x y g e nc o n s u m p t i o n ，c oa n dc 0 2p r o d u c t i o nr a t e ， h e a te m i t t i n gi n t e n s i t y ，c h a r a c t e r i s t i ct e m p e r a t u r ea sw e l l 懿t h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n p e r i o d b a s e do na b o v ee x p e r i m e n t s ，i ts e ta ni n d e xs y s t e mo ff o r e c a s t i n gt h es p o n t a n e o u s c o m b u s t i o no fc o a l s e c o n d ，b yo b s e r v a t i o na n da n a l y s i so fc o m b u s t i n gp l o ti nw e ij i a d ic o a l m i n el3 0 8f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eg o a f , i tg o tt h et h i c k n e s so ff l o a tc o a la n dd i s t r i b u t i o n r u l e so ft h eo x y g e na n dm e t h a n ei nt h et w os i d e so fi n t a k ea i ra n dr e t u r na i r t h i r d l y ，i t e s t a b l i s h e dp h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ef l o wa n dc o n c e n t r a t i o nf i e l dw i t h d e f i n i t ec o n d i t i o n s n e x t ，b yu s i n gf l u e n ts o f t w a r et od on u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ea i r l e a k a g ec o n d i t i o ni nt h e 13 0 8f u l l ym e c h a n i z e dc a v i n gf a c eg o a fa n d 嬲ar e s u l t ，t h e d i s t r i b u t i o nr u l e so fo x y g e nc o n c e n t r a t i o na n df l o wv e l o c i t yw e r ed r e wo u ti nt h ef u l l y m e c h a n i z e dc a v i n gf a c eg o a et h e n ，b a s e do nn u m e r i c a ls i m u l m i o nr e s u l t sa n do b s e r v m i o n d a t ao ns p o t i td i v i d e dt h em i n e d o u tg o a fi n t o t h r e ez o n e s a n ds e td o w nt h eb a s i c d i s t r i b u t i o nl a wo ft h e t h r e ez o n e s ”，t h er i s kp a r to ft h es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni n m i n e d o u tg o a f , a sw e l la st h el i m i t a t i o np r o m o t i n gs p e e da n dm a d ee a r l yp r e d i c t i o n t e c h n o l o g yo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o ni ng o a fb e r e r f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h e p r e d i c t i o n ，t h ec o m p r e h e n s i v et e c h n i c a ls c h e m et op r e v e n tc o a lf i r ew h i c hw a ss u i t a b l ef o r f a c t ；o fw e ij i a d ic o a lm i n eh i 曲g a s c o n t a i n i n gs e a mw a sp u tu p b yi m p l e m e n to ft h i s s c h e m e ，t h eo c c u r r e n c eo fs p o n t a n e o u sc o m b u s t i o nc o u l db ee f f e c t i v e l yp r e v e n t e da n d c o h t i o l r e d k e yw o r d s ：c o a l s e a ms p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n h i g hg a s c o n t a i n i n g f u l l y m e c h a - n i z e dc a v i n gf a c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要料技太学 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：露褥日期：弘叼辱硼i 中自 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 题冉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。 靴澈储繇鳓 艚撕躲仍r 吃叫矿 指导教师签名：牙- 形7 秒气年f 其一j e t 1 绪论 l 绪论 1 1 研究的背景及意义 我国煤炭资源十分丰富，煤炭产量和消费量均居世界前列，2 0 0 5 年煤炭产量为2 1 1 亿吨，创历史新高，这也是我国煤炭年产量首次突破2 0 亿吨。2 0 0 8 年已跃升至2 7 1 6 亿吨。据发改委预计，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年我国煤炭产量将分别达到2 6 亿吨和2 9 亿吨。 但是在这些高产量的矿井中，煤炭自燃火灾十分严重【l l 。据统计，我国煤矿自燃火灾约 占矿井火灾的7 0 ，一些自然发火严重的矿区，如兖州、抚顺、鹤岗、靖远、义马、淮 南、鹤壁等矿区，自然发火占矿井火灾次数的9 0 以上，其中采空区是矿井最容易自燃 的区域之一。2 0 世纪9 0 年代以来，随着综采放顶煤开采技术在我国开始大范围推广， 煤炭开采效率得到极大提高，生产高度集约化。一个综采放顶煤工作面日产原煤可达2 万吨以上，效益非常可观。但是，新的生产技术带来了新的问题，综放面采空区浮煤厚 度较大，尤其是进风、回风两侧顶煤放出率低，因而采空区“两道”处遗煤厚度很大， 自燃危险性很大。综放面一旦发生煤层自燃，工作面将被迫封闭，并可能导致长期停止 生产，综放面每停产一天将造成上百万甚至上千万元的经济损失【2 】。我国每年由于矿井 煤层自燃造成直接和间接经济损失近百亿元。因此，综放采空区煤层自燃的预防技术研 究对保障煤矿安全生产非常重要。 魏家地矿井井田位于甘肃省白银市平川区宝积乡境内，属靖远矿区宝积山煤田，井 田主要含煤地层为中下侏罗统，含有五层煤，自下而上分为未1 层煤、一层煤、二层煤、 未2 层煤和三层煤。其中一层煤全区较稳定，为主要可采煤层，二层煤不稳定，三层煤 较稳定，均为次要可采煤层，其余均为不稳定煤层。魏家地开采煤层易自燃，1 9 9 2 年以 来，工作面采空区、掘进巷道、运输顺槽、皮带机头等处曾发生多起火灾事故，火灾隐 患严重。矿井主采的一煤层、三煤层自然发火期4 - 6 个月，属易自燃煤层。其近距离 煤层群开采，采用综采放顶煤技术开采，开采效率很高，实现了高产高效。但是，综放 面采空区“两道 处遗煤厚度很大，存在着自燃危险性。综放面顺槽一般沿煤层底板掘 进，其顶部留有较厚的煤层，顶煤破碎、离层，自燃危险性强。由于魏家地矿局部煤层 厚度很大，采空区遗煤比较多，容易发生煤层自燃，近距离煤层群开采，各层煤之间可 能存在漏风，使煤层自燃更加严重，自燃规律更加复杂，防灭火形势十分严峻。同时， 随着开采强度的增大，自然发火趋势将会更加突出。 魏家地井田属于高瓦斯煤层，其瓦斯含量比较高，为防止工作面瓦斯超限一般都布 置有瓦斯抽放尾巷、高位瓦斯抽放巷和低位瓦斯抽放巷，有时还会从底板打钻孔抽老空 区瓦斯，导致工作面及采空区漏风增加并且风流紊乱。因此，采空区“三带 的分布规 西安科技大学硕士学位论丈 律复杂多变，一旦形成高温区，治理将极为困难。高瓦斯矿一旦有自燃迹象且不能及时 治理，将被迫封闭工作面，严重影响生产。如果发展成为火灾，就可能发生瓦斯事故， 产生灾难性的后果。综采放顶煤工作面生产效率很高，工作面每天产煤上万吨，所以一 旦因火影响工作面生产，将造成巨大损失。因此，针对魏家地矿实际情况，开展高瓦斯 矿井自燃危险区域判定技术，实际自燃危险期预测技术，建立煤层自燃预报指标气体体 系，制订煤层自燃火灾综合防治方案。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 煤层自燃预测和预报技术有所不同，预测技术是指在煤层开采前或煤刚暴露于空气 中，处在低温氧化阶段( 即自燃潜伏期) ，还未出现自燃征兆之前，根据煤的氧化放热 特性和实际开采条件，超前判断松散煤体自燃的危险程度、自然发火期及最易自燃区域 的技术。预报技术是指煤层开采后，松散煤体氧化放热进入自热阶段，在煤体自燃冒青 烟或出现明火之前，根据煤氧化放热时产生的标志气体、煤体温度等参数的变化情况， 来较早发现自燃征兆，判断自燃状态的技术【3 l 。 煤自燃的预测是矿井防灭火的关键，近年来，国内外对矿井煤层自然发火的预测、 预报技术等方面进行了大量研究，取得了系列研究成果。预测技术目前主要包括煤白燃 危险性预测、自燃危险区域判定和自然发火期预测等三方面。预报方法主要分为指标气 体分析法、测温法、示踪气体法等。 1 2 1 预测技术 ( 1 ) 自燃倾向性实验测试法 自燃倾向性预测法主要是根据煤自燃倾向性不同，划分煤层自然发火等级，以此区 分煤层的自燃危险程度，从而采取相应的防灭火措施。 8 0 年代后，国外开始从煤的氧化热效应角度来研究煤的自燃性。美国矿业局研究出 利用绝热炉( a d i a b a t i ch e a t i n go v e n ) 测定煤炭最小自热温度；加拿大采用静态等温法 ( s t a t i ci s o t h e r m a l ) 、可燃性法( i g n i t a b i l i t y ) 、绝热( a d i d b a t i c ) 和动态法( d y n a m i c ) 研 究煤的自燃性；土耳其用非等温动力法( n o n i s o t h e r m a ld y n a m i cm e t h o d ) 测试煤的自燃 临界温度和c o 产生率；南非采用由计算机控制的绝热量热法( a d i a b a t i cc a l o r i m e t e r ) ， 预测煤的自燃倾向性。此外，还有一些采用热重分析( t g ) 、差示扫描量热法( d s c ) 等分析技术对煤自燃特性研究的尝试【4 羽。进入9 0 年代，我国开始推广使用色谱动态吸 氧法，但该方法受多种因素影响，难以准确测定煤的氧化放热强度和耗氧速率，实验结 果无法直接推广到现场。 临界温度以下煤所表现出的自燃特性很不明显，测试起来相当困难。近二十年，世 界各主要产煤国先后建立了静态模拟煤层自燃过程的大型自然发火实验台( 其中法国的 2 1 绪论 实验台装煤5 t 、美国的1 3 t 、前苏联的4 t 、英国的1 t 、日本的0 3 t 、新西兰o 1 7 t ) ，1 9 9 1 年在s t o t t j b 的指导下x d c h e n 9 1 9 1 等在新西兰设计建造了长2 m 、直径0 3 m 、装煤1 1 0 k g 的一维自燃实验装置；1 9 9 5 年a r e i f a 等【l o j 根据x d c h e n g 进一步改进了实验装置，1 9 9 1 年s m i t h a c ，m i r o ny 1 1 1j 和l a z z a r a t l 2 】在美国矿业局建立了装煤量近1 3 t 的实验台；1 9 9 8 年c l i f fd ，r b e n n e t 和a g a l v i n 1 3 】在澳大利亚昆士兰采矿安全测试与研究中心 ( s i m t a r s ) 建立了装煤量1 6 t 实验台；通过实验台给松散煤样送入空气进行模拟实验， 观测煤体自然发火过程( 尤其是低温阶段) ，并建立起相应的数学模型，从煤的氧化性 和放热性两个方面考察煤的自燃性，研究煤自燃过程中的各种特性【1 4 1 。 在我国上世纪八十年代末由西安矿业学院的徐精彩、葛岭梅等教授自行设计建造了 国内第一个大型煤自然发火实验台，其装煤量为0 8 5 t 。九十年代，又在此基础上，建造 了一系列的煤自然发火实验台( 装煤量o 4 t 、1 5 t ) 。十几年来，利用这些实验台进行了 6 0 多次的实验研究，以实验所获取的煤自燃实验最短发火期、煤自燃临界温度、煤在不 同温度下的放热强度、氧消耗速度和各种气态产物的产生速度等为基础，对煤的氧化性、 放热性、煤自燃的影响因素及煤自燃过程中的一些特性进行了研究，取得了大量的研究 成果。湘潭工学院的李仁发等人( 2 0 0 1 ) 【1 5 】构造了可以装9 0 埏碎煤的实验装置；淮南 工业学院的张国枢等人( 1 9 9 9 ) d 6 1 研制了实验室内模拟煤炭自燃的试验装置及其参数测 定系统。另外中国科技大学的余明高、王清安、范维澄、廖光煊等人( 2 0 0 1 ) 1 7 1 ) 煤科 总院重庆分院的黄之聪和岳超平等人( 2 0 0 1 ) 【1 8 】根据煤氧化放热、升温吸热平衡关系， 在原苏联学者i , i b 卡连金( 1 9 8 4 ) 提出的计算煤层最短发火期模型的基础上进一步修正 和完善，在绝热条件下，建立了煤氧化反应放热、吸氧放热和煤体升温、水分、瓦斯解 吸吸热平衡的最短自然发火期解算模型的实验方法。 煤自燃模拟实验精度高，可得到的数据多，但也存在用煤量大、周期长、实验费用 高的缺点。因此，徐精彩教授又开发出煤程序升温自燃特性实验。该实验采用约l k g 煤 样，在通入空气的情况下程序升温，测定出口气体变化，得到耗氧速度、气体产生速率 等数据，并能估算煤的氧化放热强度。程序升温实验周期短、成本低，因而可以大量进 行，可以研究粒度对自燃性的影响。通过两种实验结合，基本解决了煤自燃参数的实验 测定问题【1 9 1 。 ( 2 ) 煤自燃的数值模拟 清华大学的朱明山( 音) 等在1 9 9 1 年推导出了模拟自燃采空区的二维数学模型， 并研究了多种条件下采空区内温度升高的动力学过程。此后，出现了许多关于采煤工作 面、巷道自燃数值模拟的报道。其中有代表性的有：c o n t i n i l l o 、g a e t a n o 等( 1 9 9 6 ) ， m e n a b ba 等( 1 9 9 9 ) ，徐精彩、邓军等( 1 9 9 9 ) ，卞晓锴、包宗宏、史美仁( 2 0 0 0 ) ，崔 凯、张东海、杨胜强( 2 0 0 2 ) ，文虎( 2 0 0 2 ) 都采用数值方法模拟采空区温度场，实现 自燃预测【2 0 - 2 5 j 。 3 西安科技大学硕士学位论丈 通过数值模拟可以找到煤白燃危险区、危险期、火灾动态发展规律等参数。但是， 由于工作面地质条件、开采条件、漏风情况都极复杂，而工作面范围很大，且煤自燃的 参数也难以测定。整个工作面煤自燃预测数值计算很困难，其精度也不高，目前还没有 应用于指导生产防火。 ( 3 ) 综合评判预测法 陈立文( 1 9 9 2 ) 2 6 】、许波云( 1 9 9 0 ) 2 7 1 和郭嗣琮( 1 9 9 5 ) 1 2 s 1 等根据影响煤层自燃 危险程度内、外因素，进行主观判断、分析评分，然后应用模糊数学理论，逐步聚类分 析，根据标准模式，计算聚类中心，对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测。近年 来，王省身、蒋军成( 1 9 9 7 ) 1 2 9 1 、王德明、王俊( 1 9 9 9 ) 3 0 】、赵向军、李文平( 1 9 9 8 ， 1 9 9 9 ) 1 3 1 - 3 2 1 等人采用神经网络的方法预测煤层自燃危险程度，虽然他们采用的神经网络 结构各不相同，但均是采用影响开采煤层自燃危险性的三个主要因素，即煤炭自身的自 燃倾向性、开采煤层的地质赋存条件和开拓开采及通风技术条件，作为预测指标，再对 预测指标作进一步细分，来预测煤自燃的危险程度。施式亮、刘宝琛等( 1 9 9 9 ) 0 3 j 用防 火系数作为预测指标，建立了人工神经网络的时间序列煤自然发火预测模型来判断自然 发火程度。田水承，李红霞( 1 9 9 8 ) 【3 4 】应用煤自燃倾向性、煤层厚度、煤层倾角、煤的 固性系数及开采参数运用模糊聚类方法对自然发火危险性进行了分类。原苏联和波兰等 国把实验室测定法与井下自然条件结合起来预测井下自然发火危险程度。匈牙利根据自 燃火灾发生频率、工作面推进速度、瓦斯涌出量、工作面参数以及煤的活化性能等关系， 分析并确定出回归函数，计算出实际条件下总的火灾频率，预测煤层自然发火危险程度。 这些方法能定量预测煤层自然发火危险程度，而对自然发火期及可能发火区域无法预 测。 ( 4 ) 统计类比预测法 统计类比预测法是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上，分析预测实际开采 条件下煤层的自燃危险性。根据开采煤层自燃事故的统计资料分析，巷道自燃多发生在 冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近，采空区自燃火灾多发生在“两道”和“两 线 。 随着综放无煤柱开采技术的推广，由于沿空巷道沿底板一次掘进，巷道服务时间长， 相邻采空区留有大量浮煤，且已氧化升温，因此，巷道沿空侧自然发火机率较大。上述 结论是基于统计资料，在分析火灾原因的基础上获得。这种方法只能根据工作面实际情 况和自然发火统计资料，粗略判断煤层可能发火的危险性。 ( 5 ) 煤自燃危险区域判定理论 徐精彩教授等( 2 0 0 1 ) 根据大型煤自然发火实验测定的松散煤体放热强度、耗氧速 率和遗煤最短自然发火期，提出了采空区遗煤实际自燃极限参数的计算方法。构建了煤 自燃危险区域判定的必要条件。通过测定采空区氧浓度分布状况，推断出采空区漏风强 4 1 绪论 度分布规律。结合采空区实际的浮煤厚度和氧浓度的分布，判断氧化升温区的宽度和范 围，提出了能引起煤层自燃的最小推进速度计算方法，从而构建自燃危险区域判定的充 分条件，推算出实际生产条件下采空区自燃危险区域的最短自然发火期 3 5 】。为煤自燃预 测及防治提供了量化的理论依据。自燃危险区域判定理论预测结果与实际吻合良好，解 决了大量实际问题，但模型中依据氧浓度分布计算漏风强度的公式不适于煤体不连续的 煤层群，不能解决采煤工作面所在煤层的邻近煤层自燃预测问题。以往对采空区自燃 “三带”的划分主要通过向采空区预埋观测管或传感器，观测采空区氧气及其它气体浓 度分布及漏风强度来实现。在现场观测不能实现的情况下，采空区自燃危险区域难以判 定。该理论已在大同、兖州、义马等多个矿区应用，对煤自燃预测精度能满足生产防火 需要。 1 2 2 预报技术 预报技术是指煤层开采后，松散煤体氧化放热，引起升温，进入自热阶段，在煤体 冒烟和出现明火之前，根据煤氧化放热时引起的标志气体、温度等参数的变化情况，较 早发现自燃征兆，判断自燃状态的技术。目前，预报方法主要有标志气体分析法、温度 检测法两种。预报的手段主要有人工取样监测分析预报和实时监测预报系统。 ( 1 ) 标志气体分析法 标志气体分析法预报技术主要利用一氧化碳、乙烯、乙炔、烯烷比等作为指标气体 预报煤自燃的发展过程。由于煤炭在氧化自热阶段，会分解出反映自燃征兆的气体产物， 如c o 、c 0 2 、c m h n 等。当煤质一定时，这些气体产物和温度之间存在一定的规律，由 检测到的气体浓度可以判断煤炭自燃的危险性，对井下煤炭自燃“三带 进行划分。标 志气体分析法预报技术比较完善，相应的分析技术和监测系统都已配套，因此在煤矿中 得到了广泛的应用。但由于指标气体是煤自燃发展过程中煤温升高产生的氧化气体，只 能在煤已经自热或自燃时才能检测到，而且气体产量较少，并随着风流流动，因此，该 预报技术无法确定高温区域、自燃发展速度和趋势以及煤体可能达到的温度。 为了克服利用指标气体预报煤炭自燃中存在的问题，可以向采空区的遗煤区添加自 燃示踪物质，如双环戊二烯、六氟化硫等，这些物质在煤升温过程中能产生指示气体， 因此通过检测指示气体即可评价采空区内的煤体温度0 6 。也可以建立了研究采空区气体 流动数学模型和采空区c o 浓度分布数学模型，并联合求解，以判断c o 涌出源位置即 高温点位置，从而预报采空区自燃危险区域。但这些技术目前仍处于研究阶段，在实际 应用中还有很大困难。 ( 2 ) 测温法 巷道松散煤体及周围介质温度的升高直接反映着煤的氧化程度。所谓测温法就是测 定井下煤与周围介质的温度变化情况。测温法是发现煤炭自热和探寻高温点及火源的最 5 西安科技大学硕士学位论文 直接、可靠的方法，但巷道松散煤体内部温度的测温技术尚未完全解决。目前，探测煤 的自然发火的测温仪主要有以下两种： 红外线测温仪：美、俄、英、德等国已成功地利用红外线技术预测预报井下自燃 火灾，如红外线测温仪和红外热成像仪成功地检测了煤壁、煤柱与浮煤堆的自燃，但该 技术不适应于巷道松散煤体内部或相邻采空区内部的温度检n t 3 7 4 1 1 。 温度传感器：目前常用的温度传感器有热电阻、热电偶，a d 5 9 0 温度传感器等。 这种方法具有预测可靠、直观的优点，但是由于点接触，预测预报范围较小，安装、维 护工作量大，特别是探头、引线极易破坏1 4 2 1 。 ( 3 ) 煤层自燃隐患点红外探测 红外探测技术可以用于地质构造、煤巷及煤柱租自燃火源的探测。是研究和应用红 外幅射的一门新兴技术。红外测温和红外探测有着本质的区别。红； i - n 温是测取一个物 体表面的具体温度值，是动温，它是物体的动热密度，需接触测量；而红外探测是从红 外辐射能量场的理论出发，建立场与源的对应关系，根据场的变化规律，来确定自燃隐 患点是否存在及其发展趋势，它是非接触测量。尽管介质密度不同引起红外辐射强度的 差异，但在正常状态下，这种差异基本上是固定的，它不随时间的变化而变化；当煤炭 处于自燃过程之中，引起的红外幅射强度异常却是变动的，并随煤温的升高，红外幅射 强度逐渐增大，由此确定的异常区则是自燃隐患点。 ( 4 ) 示踪气体法 国内； i - n 用s f 6 、1 2 1l 等热稳定性较好的示踪气体测定采空区漏风量的工作已获成 功。根据该项技术的应用经验，可以用在某一温度条件下易于热解的气体，与上层示踪 气体在同一环境下释放，在采样点采样检测其比例变化，或测定相关分解物，从而间接 了解白燃隐患点温度值，达到预报目的。 1 2 3 小结 综上所述，现有的预测预报技术各有特色，同时也存在着各自的缺陷。在高瓦斯煤 层群自燃预测预报过程中则要求综合手段利用。现有的方法中主要存在以下的技术难题 未能解决： ( 1 ) 采用自然发火期( 即煤炭自燃蓄热升温的时间) 综合衡量煤自燃性的大小， 具有重要的实际意义。但目前对煤自然发火期研究较少，既没有严格准确的定义，也没 有标准的实验测试方法；对煤自然发火期理论计算方法和模型复杂，有关参数确定困难， 预测结果精度较差，不能直接应用于工程。 ( 2 ) 未能对高瓦斯煤层自然发火的特点和规律进行系统的研究。 ( 3 ) 未研究出适合于类似魏家地这样的高瓦斯煤层群煤矿的预测预报技术，能够 有效的预防高瓦斯煤层自然发火。 6 i 绪论 ( 4 ) 当高瓦斯煤层有自然发火的迹象后，未能研究出有效的预测预报技术将煤层 自燃隐患迅速处理及控制。 1 3 论文研究的主要内容 ( 1 ) 利用装煤量为2 0 t 的煤自然发火实验台( x k i i i 型) ，实验模拟煤自燃的全过 程，跟踪测定煤自然发火全过程中相关参数及其变化规律，对煤层自然发火早期特性参 数进行研究。 ( 2 ) 利用采空区煤层自然发火的特点和实验测定煤自燃极限参数，根据现场观测， 对高瓦斯煤层采空区“三带进行划分，确定高瓦斯煤层的危险区域。 ( 3 ) 根据煤层自燃指标参数，建立适合高瓦斯煤层自燃问题的预测预防技术。使 魏家地煤矿能够在早期对煤炭自燃进行预防，并且能够在不同生产阶段和不同情况下建 立高效安全的防灭火技术方案。 1 4 研究方法及技术路线 本论文拟采用实验模拟、理论分析和现场观测相结合的研究方法，按照“以防为主， 防治结合”的思想原则，以煤层自燃性实验测试和现场观测为基础，以煤层自燃性预测 和自燃火灾早期预报为前提，对采空区进行自燃“三带 划分，确定危险区域。提出矿 井适用的综合防灭火技术方案，确保矿井安全。 图l l 论文技术路线图 7 西安科技大学硕士学位论文 2 魏家地煤层自燃特性参数实验测试 煤自燃过程的关键在于低温阶段，煤在常温下暴露于空气，与空气中的氧缓慢地发 生作用放出热量，使煤体升温。为了研究煤自燃机理，考察煤的氧化放热性，定量的测 定和定性分析煤自燃特性参数，我们根据煤自然发火实验台进行实验模拟。该实验台模 拟现场的蓄散热条件，漏风强度，风流温度和湿度以及相类似的煤体粒度等因素，依靠 煤自身的氧化放热来达到自燃。通过实验，可以测试出魏家地矿区煤样在近似现场条件 下的升温速度、耗氧速率、c o 、c 0 2 产生率、放热强度、特征温度、自然发火期等特性 参数，以此为基础预测和判定现场煤自燃情况，为煤矿安全生产和防灭火提供依据。 2 1 实验装置 为了模拟煤自燃的全过程，结合现场实际，西安科技大学研制建立了x k 型煤自然 发火实验台。该实验台由炉体、气路及控制检测三部分组成( 见图2 1 ) 。 2 1 1 炉体结构 炉体呈圆形，最大装煤高度1 5 0 c m ，内径1 2 0 c m ，总装煤量约1 5 t ；顶、底部分别 留有1 0 , - 、, 2 0 c m 自由空间，以保证进、出气均匀，顶盖上留有排气口；由保温层和跟踪 外层煤温的控温水层使炉内煤体处于良好的蓄热环境下，该水层中装有电热管及进气预 热紫铜管，在炉中心轴处同时设有取气管。炉体项、底部均有气流缓冲层，使气流由下 向上均匀通过实验煤体，空气经控温水层预热，使之与所创造的煤自燃环境温度相同， 然后从炉体底部送入。炉内布置了3 9 个测温探头和2 0 个气体采样点。实验台炉体外形 如图2 2 ，测点分布如表2 1 所示。 8 ：丝至兰量量! 兰茎兰至兰銮兰苎当 图21 煤低温自然发火实验原理图 图22 煤白然发火实验炉体图 西安科技大学硕士学位论文 表2 1 实验台各测点布置表 巡m ) o1 53 04 5 备注 z ( c m ) 测点号测点号测点号测点号 1 5 04 44 5 1 3 54 04 14 24 3 1 2 0 3 63 73 83 9 1 0 53 23 3 3 4 3 5 r - - - - - a o c m 处是炉边， 9 02 82 93 03 l 以铜丝网与煤样交 7 52 42 52 62 7 界点0 为坐标原 6 02 02 12 22 3 点： 4 5 1 6 1 7 1 81 9 3 01 21 31 41 5 1 5 8 9 1 0 1 1 045 2 1 2 供风系统 气体由w m 6 型无油空气压缩机提供，通过三通流量控制阀、浮子流量计进入湿度 控制箱，使风流湿度与箱内水层的湿度相同，同时气流中含有与湿度调节箱温度相同的 水蒸气，湿度调节箱出口的风流流经水层中紫铜管预热，使风流温度与煤体环境温度相 同，这样，进入煤体的风流湿度及温度均能得以控制。之后气流由炉体底部通过碎煤， 从项盖出口排出。在取样测点抽取气样，进行气相色谱分析。实验炉内温度巡检、环境 温度控制和湿度控制均由工业控制机自动完成。供风系统流程如图2 3 ： 图2 3 供风系统流程框图 1 0 2 魏家地煤层自燃特性参数实验测试 2 1 3 气体采集及分析 气样数据采集采用人工采集法。炉内用中2 m m 不锈钢管，炉外部接由3 2 m m 的耐 高温聚四氟管。采集时，实验人员通过取气袋或者针管缓慢而平稳地抽取炉内的气样， 送至气相色谱仪分析气体成份和浓度，并保存分析结果。气样分析系统选用s p 3 4 3 0 气 相色谱仪，如图2 4 ： i 雩1 24 气相色谱分析仪 该自动气相色谱仪采用组合式整体结构，主要由双柱箱专用气相色谱仪、自动取样 器、色谱数据处理工作站组成。从取气_ 分析_ 检测_ 报告打印全过程由微机控制，自 动监测实验台中各测点的气体变化情况。 每天检测各取气测点的气体变化情况，主要监测的参数有：0 2 、c o 、c 0 2 、c h 4 、 c 2 h 6 、c 2 l - h 、c h 2 、n 2 等八种气体的浓度。 2 2 实验原理 煤自然发火足由于煤与氧接触时发生煤氧复合，即物理吸附、化学吸附和化学反应 而放出热量，当放出热量大于散发的热量时，煤温上州而导致发火。煤低温自然发火实 验就是该过程的模拟，即在实验条件下，依靠煤自身氧化放热升温，考察其煤温、氧气 消耗量、一氧化碳产生量以及其它气体产生的变化规律。该装置模拟现场散热情况、漏 风状况及浮煤厚度，以井下温度( 1 5 3 0 ) 作为实验起始温度，利用煤氧化放热引起 自然升温，连续检测实验炉内各点煤样的温度、气体变化情况，咀研究煤的低温氧化放 热特性，预测煤的自燃倾向性及自然发火期。 2 3 实验条件 破碎煤样的粒度频度和实验条件分别见表2 2 和2 3 。 西安科技大学硕士学位论文 表2 2 魏家地矿煤样粒度筛分析结果表 注：表中“+ ，表示未通过该筛，“”表示通过了该筛。 表2 3 实验条件 平均实验 煤重 煤样块煤供风起始 容重 煤样粒径煤高体积密度空隙率量温度 d s o ( m m ) ( e r a )( 1 嘲( c m 3 )( g c m 3 )( g c m 3 )( m 3 1 1 )( ) 魏家0 1 1 1 2 51 3 01 0 1 8 5 21 6 9 5 6 0 01 4 0 0 6 90 5 0 5 3 0 地矿2 5 2 4 实验结果 实验从2 0 0 8 年7 月2 7 日开始，到2 0 0 8 年1 0 月2 2 号结束，共历时8 7 天。经过一 段时间氧化，炉内最高煤温从3 2 c 升至2 5 8 c ，在此过程中观测煤体的自然升温过程。 最高温度点温度与供风时问的关系如图2 5 所示，高温点所在的纵向剖面各测点温度分 布与供风时间关系如图2 6 所示。 3 0 0 2 5 0 2 0 0 p15 0 趔 蚂 10 0 5 0 0 5ao152 02 53 0 h 寸f 司( 天) 图2 5 煤温随时间的变化关系及其拟合曲线 1 2 3 5 2 魏家地煤层自燃特性参数实验测试 02 0 4 0 6 0 l 1 2 0 1 4 01 6 0 纵向高度( 锄) 图2 6 中心轴温度在不同时间内随供风时间变化曲线 从图2 6 可以看出，煤在氧化初期，随着供风时间增加，煤氧化升温较慢；供风时 间超过3 5 天后，煤氧化升温开始加快，对应的煤温为5 0 6 0 ( 临界温度) ：氧化时间 超过5 0 天，升温曲线急剧变陡，对应的煤温为1 1 0 - - 1 5 0 ( 干裂温度) 。图2 6 显示煤 氧化升温过程中，实验炉中心轴不同高度处煤温的变化规律【4 3 】。从图上可以看出，氧化 初期，中心轴的中上部( 距离炉坐标原点1 3 0 m 处) 煤温最高，煤温升高较快；随着煤 氧化时间加长，高温点向原点移动( 即向进风侧移动) 。说明煤自然升温过程中，高温 点有向进风侧移动的趋势。 2 5 结果分析 2 5 1 升温速度 在实验条件下，松散煤体内的漏风强度恒定，且风流沿纵向z 轴方向均匀流动，根 据传质学理论，煤体内氧浓度的一维稳态平衡方程为 d c d r = 一v ( t ) ( 2 1 ) 式中，旧为温度t 时的耗氧速度，m o l ( s c m 3 ) 。 因为：d r = d x q 一，q 一= q s 式中，q 为实验供风量，m z s ：s 为炉体断面积，m 2 。则： q d c d x = - v ( r ) ( 2 2 ) 煤体的耗氧速度与氧气浓度成正比，则： v t r ) 2 奇y 。r ( 2 3 ) 1 3 竹 坩 0 2 2 2，鹭谢彝 西安科技大学硕士学位论文 ， 量 p 、 槲 艘 赠 隶 式中，c o 为标准氧浓度，为2 1 ；仞为标准氧浓度时的煤体耗氧速度，m o l ( s c m 。 则把式2 3 代入式2 2 得： 妊一v o ( 啦矗出 ( 2 4 ) 两边积分得： v o ( 驴踽1 n 导 q 5 ， 7 矿 礁 z i ? 一一1 一一- 7 7 一一一一一 i o1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 煤温( ) 图2 7 升温速率随煤温的关系 从图2 7 可以看出，煤温低于6 0 。c ( 临界温度) ，煤升温速度变化不大；煤温超过 临界温度后，升温速度开始逐渐增加；煤温超过l l o 。c ( 干裂温度) 后，升温速度急剧 增加。 2 5 2 氧化放热强度 根据传热学和热力学理论及实验测试数据，可以近似求解煤堆自燃过程中各温度范 围的氧化发热量。因实验风速很小，可近似认为通过混煤风流温度与煤温相同，且在炉 内仅朝一个方向流动。只考虑煤的氧化放热、传导散热和风流对流散热，忽略其它形式 的热交换，则实验条件下，炉内中心轴处的热平衡方程式为： 彻听e ，安咂以c g 历d 以( 窘+ 争 ( 2 6 ) 其中：丸= 刀以+ ( 1 一刀) 厶，巳= 拧c g + ( 1 一n ) c m ，p 。= n p 。+ ( 1 一n ) p 。 式中，r 为煤温，口；q g r ) 为放热强度，d ( s c m 3 ) ；z 为时间，j ；q 为供风强度， 册砸c m 2 ) ；以为煤体等效导热系数，缅9 剀；e 为煤体等效比热容，j ( g 矽；t 9 ， 1 4 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 o 2 魏家地煤层自燃特性参数实验测试 为煤体等效密度，g c m 3 ；，z 为实验台径向和纵向坐标， 实体煤与空气的密度和比热容；n 为孔隙率。 煤自燃过程中的氧化放热强度与氧浓度成正比，则： q o ( 丁) = g ( r ) c o c g ，砌，c ，以，c g 分别为 ( 2 7 ) 式中，c 为测点实际的氧浓度，；舶御为标准氧浓度时的氧化放热强度洲。 从图2 8 可以看出可以看出，煤温在9 0 。c 以下时，煤样的放热强度增加很小；煤温 超过该温度后，放热强度增速加快；煤温超过l l o 。c 后，放热强度急剧增加。 矿 吕 p 弓 憾 照 霰 辎 i l 。一 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 煤温( ) 图2 8 放热强度随煤温的关系 2 5 3 耗氧速度分析 在实验条件下，松散煤体内的漏风强度恒定，且风流沿纵向z 轴方向均匀流动，根 据传质学理论，煤体内氧浓度的一维稳态平衡方程为： d c d r = 一y ( 丁) ( 2 8 ) 式中，仰为温度丁时的耗氧速度，m o l ( s c 朋乡。 因为： d r = d x