煤层自然发火规律分析对策及拓展设计专题报告

煤层自然发火规律分析对策及拓展摘要:介绍了崔家寨井田自然发火状况,分析了井田内煤层自然发火规律,总结出适合本井田的防治煤层自然发火的一些实用的技术措施。关键词:煤层自燃;自然发火规律;分析;对策1引言煤炭的自然发火是煤在常温下缓慢氧化产生热量,若产生的热大于空气流动带走的热量,则导致温度的升高,热量集聚产生自燃。煤炭的自然发火可以在煤炭的井下开采、煤炭露天开采的含炭剥离层中、煤炭的地面堆储以及煤炭的船运等过程中发生。特别是在煤炭井下开采过程中,煤的自然发火对安全生产构成了很大威胁,其危险性包括产生大量有毒有害气体烧毁设备,冻结大量的煤炭导致瓦斯积聚区瓦斯爆炸的潜在危险性。2 煤炭自然发火危险性评价指标2.1研究煤炭自然发火危险性评价指标的基础井下煤炭自燃的三个最基本的内在和外在条件是煤层本身具有自然发火倾向性,并且呈破碎状态堆积有连续的供氧条件有集聚氧化热的蓄热环境。煤炭的自然发火是煤的内在特性包括煤自然物理特征和埋藏地质条件和开采共同作用的结果,以此为基础,至今已研究出多种煤炭自然发火危险性评价的预测方法。2.2 以煤的内在因素为基础的分类方法2.2.1交叉点温度法交叉点温度法已被许多研究者用来确定煤炭开始自然发火特性的一种标准(Feng,1973;Kim,1977),该方法通过实验室实验来确定煤的相对着火点温度(即指交叉点温度),该温度被定义为在实验室条件下可以测量的煤自燃发生的最低温度。根据交叉点温度指标Feng et al,于1973年提出了煤的自然发火倾向性指标,见表1。计算方法为:2.2.2 Olpinski指标Olpinski指标法(banerjee,1985)是将煤的灰分含量(Aa)进行修正,并以Sza表示煤的自然发火危险性:Sza表示在时间一温度曲线上230时的升温。根据Sza的值,可将煤的自然发火危险性分成四类,如表2所示。2.2.3吸级法在受控的实验室条件下,采用光谱分析技术来测定煤的吸氧量。中国根据实验室分析结果建立了煤层自然发火倾向性标准。根据每克干燥的煤样在30条件下的吸氧量,将中国煤层的自然发火倾向性分成三类。表3列出了中国煤层自然发火危险性的分类标准。2.2.4绝热级化法绝热氧化法是在绝热条件下,用煤样自然升温来测定和评价煤的自然发火危险性的方法,英国诺丁汉大学对此的研究比较深入。根据煤在绝热测试中初始升温率(IRT)及总温度上升值(TTR),将煤的自然发火倾向性分成四类,见表4。Ren和Richards于1994年研制一种计算机化的绝热氧化实验装置,该装置由计算机对系统进行实时控制和数据采集,克肥了原绝热装置难以保持恒温、耗时耗工等缺点。2.2.5煤的初始升温率(IRH)和总温度上升值(TTR)预测方程Singh于1987年直接研制了煤的物理特性与其自然升温的关系。采用多元回归分析方法,结合绝热升温实验,找出了IRH和TTR与煤的13种内在特性指标之间的关系。煤的13种特性是指密度(RD)、热值(CV)、水份(M)、挥发份(VM)、固定炭(FC)、灰分(A)、表面水分(SM)、全水份(TM)、全铁含量(TR)、非黄铁矿含量(NPI)、全硫(TS)、黄铁矿硫(PS)和有机硫酸盐含量(OSS)。在统计分析的基础上,建立了一套煤在自然升温倾向性方程,如表5所列。2.3煤层自然发火危险性的综合评价分类方法尽管有大量的实验方法可用来对煤的自然发火倾向性进行分类,但没有哪一种测试方法能够综合考虑影响煤炭自然发火的各种因素。在实验室条件下无法模拟井下的条件,所以不能只用单一的某个或一组实验数据来对煤的自然发火危险性进行分类评价。为了对井下煤层的自然发火危险性进行真实的评价分类,许多研究者综合了煤在自然发火倾向性和煤层开采条件等外在的影响因素。2.3.1潜伏期法对煤层自然发火危险性综合分类,最实肘和最简单的方法即为“潜伏期”的概念。通常定义为煤层最初暴露于采区风流中到第一次发现自热征兆的时间。对于低品位的煤层,潜伏期通常为36个月,有的甚至几天高品位的煤层潜伏期一般在918个月,见表6。至今,该方法已被许多国家用来作为对煤层自然发火危险性分类的辅助指标。但该方法的局限性在于无法实现在煤层开采之前对煤层自然发火危险性进行综合评价预测。2.3.2 模糊聚类分类法许波云于1990年提出了采用模糊聚类综合分类方法,综合煤层吸氧法得出的煤的内在自然发火倾向性指标和煤层的地质赋存因素,如煤层的厚度、黄铁矿含量、倾角等,对煤层的自然发火危险性进行综合预测。2.3.3 Feng,Chakarvarty和Cochrane分级方法 Feng,Chakarvarty和Cochrane于1973年综合了煤层的内在因素和环境指标,如丢煤量、裂隙和通风风压,并根据各因素的影响程度赋予一定的权值指数,用公式表示如下:危险性指数煤层的自然发火倾向性指数环境指数危险性指数是煤层的自然发火倾向性指数与环境指数的乘积,如表7所示。该方法为定量地综合煤层的内在因素和开采因素对煤层的自然发火危险性进行综合评价分类奠定了基础。2.3.4经修正过的Bystron和Urbaski分类方法根据1975年Bystron和Urbaski提出的方法,Atkinson,Singh和Turney于1986年将绝热升温测试结果与Feng,Chakarvarty和Cochrane方法、以及潜伏期方法进行综合考虑。即将绝热升温测试中的IPT和TTR与外在的主观定量因素相综合,从而形成了目前英国和澳大利亚较常用的一种对煤层自然发火危险性进行综合评价分类的方法,如表8和表9所示。2.2.4 煤炭自然发火危险性评价的专家系统对自然发火危险性进行预测评价,可将井下煤层开采自然发火潜在的危险性看成是三种因素的函数:自然发火危险性f(煤体本身的物理特性,地质条件,采矿技术)为了更准确地评价井下煤层自然发火危险性,英国诺丁汉大学的Ren等开发的专家系统,将上述的三种因素综合考虑。该专家系统采用实验室分析结果、地质资料和开采参数来评价煤层开采现场的自然发火危险性程度。但其评价指标的计算方法仍采用的是经修正的Bystron和Urbski方法。该系统在对煤层自然发火危险性进行评价的同时,可向咨询者提出建议性的预防措施。2.2.5 结论本文论述了目前煤层自然发灭危险性的评价分类方法。综合评价分类方法已在不同程度上综合考虑了煤的自然发火倾向性在内的因素,以及外在的开采条件,近期开发的专家系统评价方法,为煤层的自然发火危险性的预测提供了最现代化的工具。但到目前为此,即使是最现代化的专家系统评价分类方法中,其评判指标中的外在因素的权值仍然取决于人的主观评价,应加以进一步研究,并在广泛调研论证的基础上决定各种评定方法的实用性和可靠性。3 矿井煤层自然发火的自燃临界性条件矿井火灾科学中的煤层自然发火必须同时具备3个条件:一是煤层本身必须具有自燃倾向性,即生产矿井内部的破碎煤体或遗煤在低温下应有较高的氧化活性;二是有连续适宜的漏风供氧条件;三是热量易于积聚。目前,有关煤层自然发火原因和机理的研究,已经成为世界各主要产煤国所共同关注的重大课题。煤层自然发火属于煤的自热自燃,具有自燃倾向性的层在采动应力及矿山压力的共同作用下产生破碎或堆积于工作面后方采空区,与空气中的氧在常温下产生持续物理化学作用并放出热量,热量积聚使煤体不断升温达到其着火温度而最终自燃着火。因此,矿井中的煤层自然发火期一般比较长,可达几个月或一年以上;煤层自热自燃过程发展的实质是煤氧之间有限化学反应速率同煤的聚热环境中自热升温速率间的热流耦合。分析研究这种耦合关系,可以确定煤层自然发火的自燃临界性条件。3.1煤的氧化反应及其热效应煤层自然发火是低变质易自燃煤层常温下与空气中的O2发生物理化学反应产生热效应,热量积聚煤温上升,煤氧化学反应进一步加速的结果。客观上讲,易燃煤层在常温状态下的氧化反应速率并不大;只有在反应的热效应引起了煤层及其热环境的温度升高以后,煤O2之间的化学反应才能够得到加速。煤的氧化反应属于气固非均相化学反应,当只考虑煤氧之间单步不可逆的氧化反应时,煤的自热自燃过程可用如下的表面反应通式表示:Coal+nO2=mP+Q(1)式中, P代表反应产物,如CO2等;Q反应热,J/g; m、n化学反应中组分的化学计量系数;Coal一代表易燃煤层中的可燃成分。如果利用单位时间单位质量反应物的消耗量或产物的生成量来表示上式所表达的基元化学反应速率,根据质量作用定律,则氧化单位质量的煤的可燃分时其热产生速率为:q=QdGpdt=QKO2nCoal(2)式中,q煤氧化学反应的热产生速率,J/m3s;Gp反应产物的质量浓度,g/m3;t时间,s;O2反应物O2的质量浓度,g/m3;k反应速率常数,k可由Arrhenius指数定律给出:K=Aexp(-E/RT)(3)式中,A化学反应频率因子(与煤质煤种及反应表面积等因素有关);E煤氧化学反应的活化能,约为40400kJ/mol;T化学反应的煤壁温度,K;R煤的表面O2的气体常数。取Coal=1,将(3)代入(2),得q=QO2nAexp(-E/RT)(4)式中符号意义同前。上式即为易燃煤层发生低温非均相氧化反应时的热产生速率计算式。(4)式表明,煤层在氧化自热过程中热的产生速率q不仅与煤种煤质因素Q、A有关,而且与煤体的反应温度T及自热环境O2浓度O2密切相关。而O2又与煤的表面流速及温度边界层中的扩散传质规律有关。不同易自燃煤样的氧化发热量Q见表1所示。表1中的数据表明,相同情况下低变质煤层的低温氧化发热量远大于高变质煤的氧化发热量,因此矿井开采低变质的褐煤、长焰煤与气煤时,最容易发生煤层自然发火。3.2煤的自热发展与自燃临界性条件3.2.1煤的自热持续发展的条件(1)自然环境中煤的热散失速率煤层自然发火是煤与持续稳定的漏风空气中的O2低温氧化反应的结果。因此采空区或破碎煤体内持续稳定的漏风不仅是供O2的条件,而且也会将氧化所产生的热量部分地带走,使得煤的升温速度受到抑制。在漏风散热环境中,反应热的散失以对流散热的形式为主,且符合Newton冷却定律:qL=hs(T-T)(5)式中,T、T分别为煤的气固非均相反应温度和漏风风流温度,K;h煤与空气间的对流换热系数,J/m2K;S煤氧化反应表面的散热面积,m2。在破碎煤层内部煤的微细观自热表面上,通常存在流速及温度边界层,(5)式所表达的对流散热量qL应当等于通过煤表面边界层传递的热量qtr,即qL=qtr(6)由Fourier导热定律,则得:式中,煤表面边界层内漏风空气的导热系数w/mK;y边界层内距煤壁表面的垂直距离,m。(2)煤自热持续发展的条件工作面采空区或承压破碎煤体自热环境中煤的自热持续发展的条件可归结为:煤的热产生速率必须大于其热散失速率,即qqL或q-qL0(8)漏风空气中O2的体积浓度必须大于10%;煤的接续自热升温时间必须长于该煤层的自然发火期。3.2.2煤的自燃临界性条件(1)煤的自燃温度不同变质程度的煤层有着不同的自燃着火温度Ti,实验室测定的不同煤样的自燃着火温度见表2。由表2可知,变质程度低挥发份含量高的煤,其自燃着火温度一般都比较低。因此,矿井开采低变质高挥发份的褐煤、长焰煤及气煤就比较容易发生煤层自然发火。(2)煤自燃的临界性条件根据上述分析,在采空区或破碎煤体内的自热自燃环境中,当符合煤的自热持续发展条件并维持足够长的时间以后,煤的自热就能够进一步发展成为煤的自燃着火。煤的自热环境中由煤的自热持续发展到自燃着火的临界性条件为:q=qL9p/9T/=9PL/9T(9)上式的数值解Ti即为煤自燃的着火温度;相应的煤体平均温度T0称为煤的自燃温度。将式(4)、(5)分别代入(9)中的各式,则式中,Ti、T分别为煤的自燃着火温度和漏风环境的风流温度,K;E煤的表面煤氧化学反应的活化能,约为40400kJ/mol;R煤的表面O2的气体常数。3.3结论从以上对煤的自热过程发展及其自燃临界性条件的理论分析可得出以下结论:(1)煤的微细观漏风裂隙结构表面气固非均相自热氧化反应的热产生速率q对温度T的关系是非线性的;而煤表面通过漏风空气对流散失的热量对T的关系则是近似于线性的,这就决定了采空区或破碎煤体内部自热环境中热量的得失之间存在完全不平衡的发展规律;(2)当qLq时,煤的自热环境就不存在聚热条件,煤的氧化反应放出的热量将全部散失掉,煤就不升温;时间长了,煤风化而永远不会发生自热自燃;(3)煤体的温度T对q的影响极大,即对煤的自热过程发展影响深刻,并且煤温越接近于着火温度Ti,这种影响就越大。当煤的自热进入自热加速期以后,漏风空气对流散失的热量qL实上就可以忽略;(4)采空区或破碎煤体自热环境之中始终存在热流动态平衡关系,煤的自热自燃过程发展就是在自热环境内部热流耦合的能量动态平衡矛盾中持续稳定进行的。4 煤自然发火预测预报技术的现状与展望4.1引言煤炭自然发火是煤矿火灾主要的致因之一。据统计,我国国有重点煤矿中具有自然发火危险的矿井约占51.3%占总矿井火灾的90%以上。仅1999年全国共有87个大中型矿井,因自然发火封闭火区315次,造成了严重的煤炭资源浪费,并威胁着井下作业人员的人身安全,1999年4月11日内蒙古大岭煤矿发生自燃火灾气体中毒窒息事件,死亡11人。煤炭自然发火预测预报,就是根据煤自然发火过程中出现的征兆和观测结果,判断自燃,预测和推断自燃发展的趋势,以便及时采取有效的防灭火措施,避免造成资源设备甚至生命损失,保证安全生产。4.2自然发火预测预报技术现状4.2.1预测技术预测技术是在煤层尚未出现自然发火征兆之前,根据煤层的赋存条件、开拓开采条件以及煤本身的氧化放热升温特性等因素,采取不同的方法对煤层自然发火的危险程度、自然发火期、易自燃危险区域等重要火灾参数指标作出超前判识的一种技术。其中主要包括自燃倾向性预测法、因素综合评判预测法、经验统计预测法和数学模型预测法。4.2.1.1自燃倾向性预测法煤自燃倾向性是指煤层开拓之前,其自然发火的可能程度。所有煤种均具有自燃倾向性,只是不同煤种、不同环境条件下的自燃倾向性的呈现也不同。目前,国内外较为成熟的煤自燃倾向性鉴定,主要有奥氏法、着火点法、交叉点温度法、差示量热法、静态及动态吸氧法等。奥氏法是波兰的国家法定方法,它是以煤在230时受空气流作用的氧化速度值为分类指标,将自燃倾向性分为四类;着火点法是利用煤炭经过氧化后,其着火点温度相对降低的原理进行分类;交叉点温度法是将煤样在空气或氧气流下恒速升温,根据煤温上升曲线与加热升温曲线交叉点温度的大小对煤自燃倾向性分类;差热分析法是利用差热分析曲线对煤自燃倾向性进行分类;静态吸氧法是将装有煤样的玻璃瓶置于恒温箱中,根据单位重量煤样静态吸氧量的大小进行分类;动态吸氧法是让一定空气或氧气流经煤体,同时用气体分析法测量煤的吸附量,根据动态吸氧量的大小对煤自燃倾向性进行分类。20世纪50年代,我国依据着火点法的原理建立了煤自燃倾向性鉴定方法,并沿用至90年代。鉴于着火点温度法存在化学试剂有毒有害,测试方法落后等诸多缺陷,煤炭科学研究总院抚顺分院依据中国的实际情况,并参照其他产煤国家所使用的煤自燃倾向性鉴定方法及相关研究成果,提出了一项双气路流动色谱检测技术流态色谱吸氧法。该方法以煤在低温下附流态氧的能力(量和速度)作指标来判断煤的自燃倾向性,工艺简单、快速而且数据精度可靠,是我国目前法定的煤炭自燃倾向性鉴定方法。利用自燃倾向性预测法能对不同煤样在相同实验条件下的自然发火危险程度进行比较和分类,但仅限于粗略判断煤层自然发火的危险程度,不能得出准确的预测结果。4.2.1.2因素综合评判预测法因素综合评判预测法是指采用对与煤自然发火相关的各种内、外影响因素进行综合评分的方法,其指导思想是:首先对煤的自燃倾向性进行鉴定,评出其分值;然后在大量统计分析的基础上,对影响煤自然发火危险程度的外在因素进行主观评判,给出分值;将两者综合相加就得出了相应条件下的煤自然发火的总分值及其分类。由于问题的复杂性,人们在给外在因素进行评分时带有一定程度的主观臆断性,且各个采煤国家仅是根据本国自身的具体情况制定相应的评判方法。但该方法是一种较为全面的预测煤层自然发火危险程度的方法,因此,前苏联、美国、波兰等主要产煤大国都在探索研究该类方法的应用,并取得了许多积极的效果。4.2.1.3经验统计预测法经验统计预测法是通过对已有的自然发火事故进行统计分析,对相近条件下的开采煤层的自然发火危险程度等指标参数进行预测。该法是基于大量统计资料,并在分析火灾原因的基础上形成的,具有相当程度的可信度,但其难以对不同发火类型的自燃进行预测,且在时间统上存在着较大的偏差,仅能粗略地判断自然发火的危险区域范围。4.2.1.4数学模型预测法数学模型预测法是指通过建立煤自然发火数学模型,并进行煤自燃过程的实验模拟和数值解算,得出不同边界条件下煤体的自然发火危险程度值。例如:日本利用等效暴露时间法来估计煤的放热速度,通过对温度及氧浓度在暴露煤层的变化过程进行数值模拟,以预测煤堆的自然发火危险程度;新西兰及澳大利亚通过建立包括Arrhenius方程在内的煤自然发火数学模型,给出了煤体输运过程中发生自然发火的临界体积及最短自然发火期的数值。煤炭科学研究总院抚顺分院在“八五”期间,集中对国内各类代表性煤样进行了煤自然发火气体产物模拟实验、DSC差示扫描量热热分析、DTA(差热)与TG(热重)热分析、自然发火过程模拟试验、自然发火期预测装置模拟试验、自然发火过程氧化速度试验、煤物理化学基础参数测试等七大类试验,在此基础上,建立了煤活化能的计算方法和煤自然发火环境条件的传热、传质数学模型,并提出了描述煤自然发火的新指标碳、氢氧解指数。4.2.2预报技术预报技术是指在煤层开采后,煤与氧接触氧化放热,热量积聚引起温度升高,致使自然发火的危险程度大大增加,此阶段根据煤自燃进程中的温升、气体释放等变化特征,超前判识自燃状态,对自然发火进行早期识别并预警的技术称为预报技术。预报方法主要有气体分析法和测温法。4.2.2.1标志气体分析法气体分析法通过分析煤自然发火过程中产生的某些气体的浓度、比值、发生速率等特征参数,对煤自然发火发展趋势等作出预报的方法。气体分析法的标志气体指标分为两类:一类是利用某些标志气体的浓度直接进行预测预报;另一类是利用某些气体组分的变化特性(增率等)或某些气体组分之间变化规律(比值等)进行预测,如链烷比、火灾系数等都属于此类。两类预报方法中应用最广泛的是后者。气体分析法的监测手段主要有检知管、气体传感器、便携仪表及色谱分析仪等。检知管因其操作手段落后,测定结果受操作的影响较大,而且自动化程度低,无法实现自动监控而逐渐被众多煤矿所淘汰;气体传感器具有体积小、电信号输出、使用方便等特点,被广泛应用于矿井监测系统和便携式仪表中,但多数气体传感器的稳定性、灵敏度和寿命尚不令人满意,加之其价格比较昂贵,在一定程度上制约了气体传感器的使用。色谱分析法是气体分析的最精确、稳定和可靠的方法,随着分析仪器及计算机自动控制和数据处理技术的不断进步,已基本实现自动化作业。近年来,我国已研制开发出以GC-8500型矿井火灾多参数色谱监测系统和GC-4008气相色谱仪为代表的煤矿专用型色谱分析装备,在一定程度上促进了气体分析法在我国煤矿自然发火预报中的普及。4.2.2.2测温法测温法是指利用温度传感器对被监测地点进行温度监测以确定煤层的自然发火危险程度的方法。该法可通过在钻孔内安设温度探测器,或在某些区域内布置温度探头及其无线电发射装置,根据测定的温度和接收到的信号变化判断煤层是否发生自然发火。预报煤自然发火的测温法分为两类:一类是直接用检测到的温度值进行预报或报警;另一类则是通过监测点温度的变化特性进行预报。采用测点温度值直接进行预报方法简单,但无法得知阈值温度前的变化特性和之后的变化趋势;采用测点温度变化进行预报,不但可直观地得到测点的温度,而且能根据之前温度变化的特性,预报之后的火灾趋势。温度监测传感器主要有热电偶、测温电阻、半导体测温元件、集成温度传感器、热敏材料、光纤、红外线、激光及雷达波等,其中热电偶、测温电阻、半导体元件和热敏材料等因其价格低廉、测试简单、操作方便而被广泛应用。近年来,便携式激光测温仪表也较为普及,而红外热成像、雷达探测等因受穿透距离、地质构造等因素的影响,应用受到一定限制。日本太平洋煤矿采用热电偶法连续探测火灾温度,中国抚顺矿务局用热电偶探测采空区自然发火,并依此圈定采空区自然发火危险区域;美国则采用热敏电缆进行火灾监控;前苏联利用红外测温技术来监测温度的变化过程。20世纪90年代,中国煤炭科学研究总院抚顺分院在“九五”期间研制成功了以PN结组合连接、分时供电检测技术为基础的缆式温度在线监测系统,可用于煤矿火灾温度的实时监测。4.3自然发火预测预报技术展望4.3.1预测技术煤自然发火预测技术的最重要的特征是要真实地反映实际条件下煤体所处的自然发火环境。上述自燃倾向性预测法的标准实验条件,因素综合评判预测法和经验统计预测法的主观臆断性以及数学模型预测法的简化边界条件限制了预测方法的真实性,导致结论在某种程度上的非客观性。鉴于此,近年来英、美、日等国都在研究用绝热氧化实验的方法来模拟井下煤自燃的环境条件或自燃煤堆。由于煤自然发火必须具备蓄热的环境条件加之煤体中热传导很小,因此,绝热氧化法代表了较真实的自燃环境条件。但由于这种模拟试验的难度较大,因此目前该方法主要还处在探索研究中,尚未进入应用阶段,但却预示了发展方向。4.3.2预报技术煤自然发火预报技术能否保障煤矿的安全生产,关键在于“早期识别和预警”。现阶段的预报技术,包括测温法和气体分析法,大多是根据参数是否达到自然发火的阈值来进行报警,此时火灾状况已相当严重,因此,发展一种能在煤自燃初期即对煤的自然发火危险程度进行识别的技术手段,是非常有必要的。气味检测技术是近年来逐步发展起来的早期检测煤自然发火的预测方法,利用一组不同类型气味传感器检测煤自然发火过程中释放出来的气味物质及其变化特性,并通过神经网络分析,预测预报煤自然发火的类型和程度。气味检测法的研究最早在美国、日本等国家进行,1995年开始,中国煤炭科学研究总院抚顺分院与日本北海道大学合作,开始了煤自然发火气味检测法的基础研究,逐步开辟了煤自燃气味检测法的新领域。气味检测法能捕捉煤低温氧化初期释放气味的微弱变化,并将这一感知温度提前到3040,比CO的预报更早;此外,气味传感器不但能感知人类嗅觉器官能感觉到的“有嗅气体”,而且能感知通常意义上的“无嗅气体”。因此,对气味检测技术进行进一步研究,对于煤炭自然发火早期预报有十分重要的意义,是一项具有前瞻性的工作。4.4结论综上所述,有关煤自然发火预测预报技术,在近几十年来得到了较快的发展,形成了较为全面的预测预报技术体系。但是,随着煤矿开拓开采条件的不断变化,高产高效新技术的不断发展,现有的煤自然发火预测预报技术仍难以满足集约化生产的需要,要求人们必须对与煤自然发火预测预报相关的理论与技术进行更深入的研究,准确而早期预测预报煤矿自燃火灾,才能从根本上做到防患于未“燃”。由此,在基础理论方面,应进一步深入研究煤自然发火的宏观热力学特性,根据我国煤层分布规律、煤质特性、赋存条件等,建立不同成煤期、不同聚煤区煤自然发火预测预报的区域性指标体系,从系统工程学的角度,多层次、多学科地构建煤自然发火危险性的动态预测模型;在应用技术方面,应致力于研制与煤自然发火动态早期预测预报技术体系相配套的基于多传感器序列的智能化、高集成化矿井火灾早期检测系统。5 崔家寨实例分析5.1煤层自燃概况崔家寨矿井田位于河北省蔚县矿区北部,煤层深度约300m,有1#、#、6#三个主采煤层,目前主要开采5#、6#两个煤层,煤种以褐煤、长焰煤为主,各煤层均有自然发火危险。2002年以来,崔家寨矿曾出现8次煤层自然发火事故或隐患,如表1、表2所示。5.2煤层自燃特点分析通过统计分析崔家寨矿历年来的自然发火情况,可知本矿煤层发火存在以下特点:(1) 煤层自燃均发生在6#煤层,5#煤层至今尚未发生自燃现象。6#煤层直接顶板难于维护,回采过程中需留0.30.5m厚的顶煤,采空区后方遗煤多,易发生氧化自燃;而5#煤层直接顶易维护,回采过程中不留顶煤,采空区后方浮煤少,不易发生自燃现象。(2)6#煤层发生的自燃灾害均与工作面回采过程中过断层带有关,回采过断层带时回采推进速度较慢,给后方遗留的大量浮煤提供了氧化自燃的时间。(3)从时间上看,自燃现象多发生在工作面回撤支架收尾期间或停采期间。(4)从发展趋势方面看,煤层自燃发展速度较快,从潜伏期发展到自燃阶段基本上没有准备过渡阶段。例如,E11610面发火前回风流CO气体浓度一直较低,但出现自燃征兆后回风流中CO浓度增长速度较快,如图1所示。5.3综合防治措施由于受煤层自然发火的影响,矿井通风安全管理受到了很大威胁,严重制约了生产的正常进行。为加强防火管理,一方面完善防火系统、设施,另一方面加强技术攻关,对自然发火机理进行了系统研究,并在此基础上不断改进防火手段,效果显著。5.3.1完善矿井防灭火系统设施提高矿井防灭火装备水平(1)完善了矿井防灭火灌浆系统,新打地面注浆钻孔1个,将注浆与注氮系统分开,并装备了井下移动灌浆系统,提高了防灭火灌浆能力。(2)对注氮防火系统进行了增容,提高了制氮防火能力。目前,矿井配有2套PSA变压吸附式制氮机组(FN2-198-600),制氮能力达到了1 20m3/h。(3)装备了1套SG-2003型矿井自燃火灾束管监测系统和1台GC-4085矿井气体多功能参数色谱自动分析仪。5.3.2研究矿井自然发火规律为掌握矿井自然发火规律和机理,2005年-2006年对矿井自然发火规律进行了,主要开展以下几方面工作。(1) 各煤层煤样的燃烧特性研究。为掌握不同区域、不同煤层煤炭的燃烧特性,应用锥形量热仪,分别对东西两翼5#、6#煤层煤进行了测试分析。主要测试了煤样燃烧过程中的CO浓度、热释放速率、总释放热量、烟生成速率、热释放速率、有效燃烧热等参数的变化情况。测试结果表明:东翼煤样的CO产生量较大,几乎达到西翼的2倍。由此可见东翼附近区域的火灾危险性较大。分析热释放速率、总释放热方面、烟雾速率和总量等参数可知,西翼附近火灾后的危害性较大。(2)煤自然发火的指标气体测试。通过对煤样进行取样分析,根据不同温度条件下CO等气体产生量划分出了煤炭自燃发展过程的3个阶段,即自热阶段、氧化阶段、燃烧阶段。并确定CO为煤炭自然发火的标志气体,同时以C2H4为辅助指标。(3)煤层自燃期间产生气体分析。为摸清自然发火期间各阶段气体变化情况,对E11610面、E12605面自然发火面和西翼W 11605面小煤窑遗留火区复燃期间气体进行了取样分析。结果表明:3个面均检测到CO、C2H4、C2H6气体,其中,西翼小煤窑遗留火区还检测到C2H2气体。(4)历年各综采面回采期间回风流及上隅角CO气体浓度分析。通过对历年各采面回风流、上隅角CO气体浓度分析,对做好日常防火预测预报工作提供了技术依据,根据工作面回风流、上隅角CO气体变化情况和气相色谱分析结果,可及早制定防范措施,有效预防自然发火事故的发生。(5)采空区“三带”变化规律的研究。研究主要在E12604工作面进行,采用热电偶、束管监测系统2种方式对采空区温度、气体浓度等参数进行了测定。一是在E12604工作面进、回风巷各布设2趟热电偶测温线;二是在E12602面回风巷向E12604面采空区打5个观测钻孔,在钻孔中布设热电偶和束管用于观测温度、O2浓度与推进速度的关系。分析测定结果,可以认为氧化带宽度大约70100 m左右。(6)在现场管理方面不断改进防火技术手段。改进综采工作面回撤期间的通风方式。根据矿井综采工作面回撤收尾期间易发生自燃的情况,我们分析主要原因是综采工作面回撤周期长,回撤期间采空区漏风,加快了采空区浮煤氧化速度。在深入分析煤层自然发火机理、规律的基础上,对综采工作面回撤期间的供风方式进行了改进,即工作面回撤完设备后,在回撤综采支架、工作面放断以前将不运输综采支架的一侧巷道(工作面的进风巷或回风巷)提前封闭,另一侧回撤支架的巷道采用局部通风机供风,能够有效减少撤架期间的漏风,W 11603面首次采用了该方式,由于各种因素的限制该面历经两个多月才回撤完支架,但未出现自然发火征兆,且回撤后期回风流中基本检测不到CO气体,效果显著。该方式的使用情况及效果如表3所示。回采工作面采取采空区后方注惰性气体和加大推进速度相结合的措施。2005年10月17日,E12605面过断层带期间回风流CO气体浓度增大,为防止发生自燃事故,采取了以下措施:加快工作面推进速度,推进度保持在3.64.8 m/d;利用预先埋设在采空区后方的注氮管路向采空区注氮。10月26日-11月2日累计注氮39 300 m3。通过以上措施回风流CO气体浓度降到了0.002%,并保持稳定状态,消除了自燃隐患,保证了工作面的正常回采。回采工作面临时停采期间所采取的防火措施。由于受地质条件变化及矿井采掘生产安排等情况限制,曾出现工作面临时停采情况,为防止停采期间出现自燃事故,先后在E1151面、E12606面、E12605面、W 11501面停采期间,采取了将工作面上下巷封闭,对工作面及采空区进行注氮惰化防火措施,均收到了较好的效果,保证了工作面停采期间的防火安全。5.4封闭火区注氮防灭火技术措施2005年10月11日,E11610面在停采回撤支架期间出现煤层自燃事故,在处理火区和封闭火区时采取了注氮灭火措施,效果良好。一是通过采取注氮惰化措施,抑爆作用良好,保证了火区封闭期间施工人员的安全;二是火区封闭后通过注氮加快了火区的熄灭速度。从10月22日火区封闭到12月31日停止注氮,累计向火区内注氮585 850m3。5.5小结在对矿井自然发火规律及煤炭自燃机理进行研究的基础上,并结合防灭火工作中取得的经验与教训,得到以下几点体会:(1)从生产组织管理方面确保回采工作面正常推进速度,回采工作面月推进度一般不应低于9m。(2)加强采掘工作面过断层带的管理,过断层带要及时采取注氮惰化采空区措施,从现场实际应用看其防火效果比较好。(3)综采工作面停采线要尽量避开断层带,防止遗留浮煤氧化自燃。(4)加快综采工作面收尾回撤速度,并及时封闭采空区。工作面回撤支架期间采取先封闭一侧另一侧采用局部通风方式供风,以避免回撤期间采空区漏风,抑制浮煤氧化情况。通过现场实际应用其防火效果很好。(5)在生产组织管理方面尽量避免随意停采情况,因其它原因临时停采时必须采取封闭注氮措施并加强漏风测定管理,防止漏风。注氮期间必须定期对封闭区内气体取样分析,一旦封闭注氮区域内O2浓度超过5%,必须查明漏风原因,并及时补注氮气。6 扩展：变氧浓度条件下崔家寨矿煤自燃特性的实验研究煤炭自然发火是威胁煤矿安全生产重要灾害之一，重点煤矿中具有易自然发火危险的矿井约占56%，煤炭自然发火是导致矿井火灾的主要因素，据统计，由煤自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的9094%.目前，常用的煤炭自燃火灾早期预测预报方法有指标气体分析法、测温法、示踪气体法等.指标气体分析法是应用最为广泛的一种方法，通过测定煤层发火过程中CO，CO2，C2H6，C2H4，C3H8等一系列反映煤炭氧化和燃烧程度的指标气体，利用指标气体产生量的变化来进行煤层火灾的早期预报.徐精彩等分析了自燃中氧化发热强度，特征温度，耗氧速度，CO产生率，氧转化为CO的百分率与煤自燃倾向性的关系，提出这些参数作为鉴定煤自燃倾向性的指标.何启林6采用理论、实验和计算机模拟等手段对煤的煤低温氧化性与自燃过程进行了较系统的研究.朱令起等通过综合分析选取的4个典型煤样的CO，C2H4，C2H6等气体的检出温度，对比指标气体优选原则，研究和分析了东欢坨煤矿实验检出气体和煤样的自燃氧化结果.近些年采用绝热氧化法研究煤自燃特性消除了环境对煤氧化升温的影响，被广泛用来研究煤的低温氧化和自燃特性.以上研究都是在O2浓度为21%的条件下考察煤自燃氧化产物的生成规律，而对不同浓度O2条件下氧化产物的生成规律还缺乏相关研究.在煤矿井下采空区自燃带、封闭火区等自燃危险区域内，O2浓度通常低于正常大气中的21%，而自燃火灾的发生往往是由该区域引起的.崔家寨矿所采煤层属级自燃等级，通对崔家寨1#和6#煤层进行取样，研究两煤样在不同O2条件下氧化产物的生成规律，分析变氧条件下对煤自燃进程的影响，为更加有效的制定自燃防治措施提供依据.6.1实验内容及方案6.1.1实验设备煤的复燃特性一方面与燃烧后的煤所处的外界环境有关，同时还与煤自身的自燃特性和自燃进程有关，考察煤的自燃特性和自燃进程，需建立专门的煤自燃程序升温实验系统.本程序升温煤自燃模拟测试系统包括程序控温箱、气相色谱仪、供气系统、流量控制系统、预热气路、温度测量系统、煤样罐等组成.程序控温箱可以根据需要，设定升温速率和恒温时间，为煤低温氧化提供不同温度气浴，控温范围：室温-380，精度：0.1；气相色谱仪选用GC-4000A型，适用于分析CH4，C2H4，C2H6，C3H8，O2，CO和CO2气体；煤样罐为自制三通煤样罐，连接供气管路、出气口、温度测量系统，其上部和底部设有石棉，用于防止管路堵塞和分流；为阻止供气系统气流吸收低温氧化热量，在煤样罐进气口与供气系统间连接60 m铜质气管进行预热.6.1.2实验过程取崔家寨煤矿1#和6#煤层煤样作为实验用煤，煤的自燃倾向性为容易自燃.选用大颗粒煤块剥去表面氧化层，破碎、筛分出粒径0.420.25 mm的颗粒25 g作为实验煤样，其工业分析结果见表1.1）变氧浓度气体配制为了更好的研究变氧条件下煤自燃的特性规律，根据采空区自燃带实际氧气浓度（5%18%）的分布情况，考虑配置5%的氧气浓度，并等间隔的选取9%，13%，17%的氧气浓度与正常氧气浓度下的煤低温氧化实验进行对比.在配制低浓度氧气时，使用99.999%的氮气和氧气为21%的干空气按照比例配制.首先选取空的气瓶作为配制混合气体的缓冲气瓶和储气瓶.将缓冲瓶与氧气为21%的干空气气瓶相连，在气路上安装单向阀，由转子流量计控制气体流量，以一定压力向缓冲气瓶注入干空气.一定时间后，将气路连接至氮气气瓶，根据所需要配制氧气浓度，计算氮气通入时间，以相同流量向缓冲气瓶注入氮气；采用气相色谱仪对缓冲气瓶内氧气浓度分析，达到要求浓度时，即将储气瓶连接至煤样罐，作为供气系统为煤样自燃提供不同浓度氧气.由于实际操作配气过程中的误差，最终实验前测定的氧气浓度分别为5.8%，9%，13%，17%，21%.2）变氧浓度煤自燃程序升温实验将装有煤样的煤样罐置于程序控温箱内，连接供气气路、出气气路和热电偶，检查气路气密性.实验时，以150 mL/min的流量向煤样罐内通入不同浓度氧气的混合气体.设定程序控温箱温升速率和最终温度，为煤样自燃提供热量.记录热电偶温度数据.采集煤自燃氧化产物气样，利用GC-4000A气相色谱仪进行气体成分和含量分析.6.2煤岩自燃特性分析6.2.1温度对自燃产物的影响采用气相色谱仪测定1#和6#煤样在升温过程中氧化气体和碳氢类气体的含量变化规律，采样温度为35，50，65，80，95，110，130，150，170，190，210.图1是煤样在氧气浓度为21%时自燃过程中产物生成量曲线图，表2为各产物的增长指数拟合曲线.可以看出CO和CO2生成量最多，在130以下生成量缓慢增加，之后明显加速升高，说明该温度下煤体已经开始迅速氧化.130作为加速氧化的拐点，矿井严格监测煤温在此之下。其它产物的生成量量级较小，增长趋势与CO和CO2基本一致，定义（CmHnO）x为该物质浓度，经计算得出氧化产物生成量大小顺序为（CO）2（CO）（CH）4（C3H）8=（C2H）4=（C2H）6，而氧化产物生成的初始温度大小顺序为（CO2）=（CO）（CH4）（C2H4）=（C2H6）（C3H8）.通过曲线拟合发现各拟合曲线精度都大于96%，说明拟合效果很好，反映了氧化产物与温度之间呈指数增加关系.对比图1，2可以发现6#煤样自燃产物生成规律与1#煤样基本一致，在130以下缓慢升高，之后急剧增加.各气体产生数量要明显大于1#煤样，说明6#煤样自燃倾向性高，现场应重点监测.由于崔家寨矿采空区温度场不是恒定的，通过对煤自燃过程中氧化产物与温度关系的研究，用于判定煤炭自燃的阶段，对煤炭自燃进行预测、预报，为防止煤炭自燃的发生提供决策依据.通过实验分析可以得出崔家寨矿煤层自燃发展速度较快，从潜伏期发展到自燃阶段基本上没有准备过渡阶段，应及时防治煤层自燃.针对各气体生成规律，发现在100时进入剧烈化学反应时C2H4，C2H6和C3H8产生，因此可以把这3种气体