煤炭自然点火期的计算方法

煤炭自然点火期的计算方法

与世界主要的煤炭国家相比，中国煤矿地下火灾的发生和造成的损失是数万倍，而且更有害。据统计,在全国600多对统配煤矿和重点煤矿中,半数以上开采着易自燃煤层,自燃火灾次数占火灾总次数的90%以上。自进入90年代以来,全球范围内众多研究机构均对其产生的机理及其化学物理结构间的相互作用进行和正在进行着深入的试验研究,得出多种测算煤炭自燃倾向性和煤炭自然发火期的技术。但是迄今为止对煤炭自然发火期还没有一个严格的定义和测算方法。本文基于煤氧复合过程分析的自然发火期分析,根据自然发火实验、现场实际条件、自然发火危险区域判定理论、自然发火的数学模型,提出了煤层自然发火期预测方法。以期为煤自然发火期的计算及煤自然发火的预测、防治提供一个新思路。1自然发酵期的定义自然发火期是表征煤炭自燃的主要指标之一。理论上,自然发火期的定义是:从发火地点(即火源处)的煤层被暴露于空气(或与空气接触)之日起到发火为止所经历的时间。1.1自然退火期不同理论分析和生产实践证明,不同种类的煤,由于其内部结构及物化性质不同,其自然发火期不同;同一煤层,不同通风供氧、蓄热、开采条件下,自然发火期也有很大差异。生产中,往往以煤层最小自然发火期作为制定防火安全措施的依据。(1)各次嫌犯基本火灾情况针对生产矿井,对煤层的自燃情况作认真统计和记录,将同一煤层发生的各次自燃火灾逐一比较,以其发火时间最短者作为该煤层的最短自然发火期,中间范围值作为一般自然发火期。统计比较法得到的一般自然发火期受生产实际的影响较大,范围较宽。(2)类比法对于新建矿井,通过与煤层的自然倾向性、地质赋存条件和开采方法相似的生产矿井类比,估算煤层的自然发火期。1.2煤氧复合过程特征参数煤自燃机理研究结果表明:煤氧复合作用是复杂的物化作用与热量集聚、反应速度不断加快的过程。煤自燃过程自始至终是在放热与散热这对矛盾中动态地发展,微观上煤的低温自燃主要取决于煤的氧化性(包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应)和放热性(包括放热、吸热效应)。为了表征煤自燃复杂的过程,提出了以下特征参数:反应煤氧复合过程质变点的特征温度;表征自燃性强弱的氧化特性特征参数煤耗氧速度、CO产生率、CO2产生率,放热性参数煤的放热强度;表征自燃的外界参数:下限氧浓度、上限漏风强度、最小浮煤厚度、等效导热系数、氧扩散系数;表征煤自然发火期的参数:实验最短自然发火期、煤层最短自然发火期、实际自然发火期。1.2.1煤的自然发酵期在大型自然发火实验台上,特定条件下,煤样从开始供风到冒青烟所经历的时间定义为煤的实验最短自然发火期。煤的最短自然发火期主要与粒径、浮煤厚度、传导散热量、风流焓变、供氧速度、起始温度等参数有关。这些参数的变化均会引起煤自然发火期的变化。实验最短自然发火期即为实验室最佳上述参数的配合条件下,使松散煤体引起自燃所需的时间。显然,实验室最短自然发火期既不是煤体最短自然发火期,也不是实际条件下的自然发火期,它仅反映实验条件下的最短自然发火期,其意义在于确定各类煤体相对自然发火性的强弱。1.2.2矿井现场的参数现场条件下,对煤层自然发火期影响最大的因素主要是浮煤粒径分布、浮煤厚度、浮煤内漏风流中的氧浓度和漏风强度、煤层原始温度,以及松散煤体内的起始温度。矿井现场上述参数得以最佳组合的地点,松散煤体从暴露于空气中到冒青烟所经历的时间为煤层最短自然发火期。由于现场浮煤厚度有可能远大于实验室浮煤厚度,粒径分布亦有可能小于实验室的粒径分布,煤层最短自然发火期有可能小于实验最短自然发火期1.2.3自然燃放期u3000自然退火期由于现场实际条件千差万别,导致其实际自然发火期大不相同。某些地点自然发火频繁,而某些地点却始终不产生自燃现象;既就是同一沿空掘进顺槽,其整个沿空侧也并非会产生同样均等的高温。将与特定地点的特定条件相对应的自然发火期定义为实际自然发火期。井下防灭火工作最为关注的就是实际自然发火期。井下何处产生自燃的问题可转化为煤层自燃必须同时满足的极限特征参数问题,这些参数主要有最小浮煤厚度、漏风风流中的氧浓度和上限漏风强度。而井下何时发生自燃的问题即是实际自然发火期问题,其主要取决于浮煤的厚度、粒度、漏风强度、氧浓度,以及起始温度和原始温度。这六个参数组合的不同会导致实际自然发火期的重大差异。2道路自然燃烧模型及解决方案2.1巷道煤体自适应巷道生长巷道松散煤体自燃是一个三维问题,但由于巷道顶煤和沿空侧浮煤的破碎程度不一,其渗透率、导热系数、漏风状况等只是空间坐标x,y,z的函数,在沿巷道走向方向一定距离内,其破碎情况一般基本相同,因此,巷道松散煤体自燃模拟区域可简化为单位厚度二维巷道剖面区域,如图1所示。根据巷道煤体的不同破碎情况,可确定以顶、底板1m～5m、沿空侧10m～50m、实体煤侧5m～10m范围为研究区域,其外边界温度为第一类边界条件,氧气浓度为第二类边界条件;巷道表面边界温度为对流换热边界,氧浓度为第一类边界条件,并根据巷道实际情况确定巷道剖面区域各部分的几何、物理等参数值。然后分别对初步判定满足巷道自燃必要条件的巷道断面,在实际条件下进行自然发火过程数值模拟,计算出巷道松散煤体中的漏风分布、温度分布和氧浓度分布变化情况,并根据计算结果,预测巷道松散煤体自燃危险性、最短自然发火期和自燃危险区域。2.2浮煤厚度的确定实际条件下,影响煤体自然发火的因素很多,巷道煤体自然发火必须同时满足的必要条件为:(h.>hmin)∩(d50<(d50)max)∩(ˉQ<ˉQmax)∩(C>Cmin)(h.>hmin)∩(d50<(d50)max)∩(Q¯¯¯<Q¯¯¯max)∩(C>Cmin)式中:hmin引起煤体自燃的最小浮煤厚度;(d50)max引起煤体自燃的最大粒度;ˉQQ¯¯¯max引起煤体自燃的上限漏风强度;Cmin引起煤体自燃的下限氧浓度。2.3道路沿线松树自然喷发数学模型2.3.1流场充放电效应1)松散煤体为各向同性的均匀多孔介质;2)风流仅在松散煤体中流动;3)煤体中同一位置风流温度与煤体温度相等;4)巷道壁与风流的有效换热系数为α;5)忽略Soret效应和Dufour效应的影响;6)忽略热膨胀的影响,不计水分蒸发和瓦斯解吸;7)忽略因漏风流脉动而引起的机械弥散。2.3.2煤的平均粒度b0在上述简化条件下,由理论推导可得巷道松散煤体自然发火数学模型(二维直角坐标)为:式中,下标g、m分别表示空气和煤;Kx\,Ky分别为松散煤体在X、Y方向渗透系数;q0(T)\,V0(T)分别为煤样在新鲜风流中(氧浓度为21%)不同温度下的实验发热强度和耗氧速度,由自然发火实验确定;ψ(d50)为煤的平均粒度d50对耗氧速度的影响系数,由实验确定;x\,y为坐标轴;ˉQ为漏风强度(通过单位面积煤样的风量),可根据氧浓度分布计算得两点间平均漏风强度,具体算法见参考文献;λe\,ce\,ρe分别为实验煤体的当量热传导系数、当量比热容和当量密度,均与空隙率n有关;D为氧气在煤体中的扩散系数;a\,b为煤粒粗糙度;dref为参考粒度。2.3.3固定配置条件定解条件如表1所示。2.4道路沿线松树自然喷发期的模拟图表根据自然发火模型,由计算机模拟巷道松散煤体在实际开采条件下的漏风流场、氧气浓度场和温度场随时间的动态变化规律。其数值计算流程见图2。3使用示例兖州矿区东滩煤矿4308沿空轨顺分阶段预测情况如下,4308工作面概况及沿空轨顺巷道参数见文献。3.1自然退火期确定4308综放面轨顺无煤柱地点的沿空巷道,在预测条件下,无煤柱巷道松散煤体的自然发火期为19天;自然发火时高温区范围(温度大于100℃):距底板0.1m～4.0m;距煤壁0m～3.5m。3.2浮煤水温度预测在巷道预测条件下,4308综放面轨顺煤柱较完整沿空巷道预测结果为:当巷道煤柱较完整时,在预测条件下,经过2～3个月后,沿空侧4309采空区中浮煤温度有所升高,但最高温度不超过60℃;高温区范围(即温度大于50℃的区域)距巷道表面3.5m～3.9m,距巷道底板0.3m。因此,当巷道在实体煤中掘进,沿空煤柱较完整、仅有少量漏风时,巷道无自然发火危险。3.3煤柱温度预测结果在巷道预测条件下,4308综放面煤柱压裂但仍较完整的沿空巷道预测结果:煤柱温度有所升高。经过4个月后,沿空侧最高温度约为70℃。当矿压作用使煤柱进一步压酥时,漏风量增大,沿空侧松散煤体温度有进一步升高趋势,因而煤柱压裂时,具有自然发火危险性。3.4巷道预测结果在巷道预测条件下,4308综放面轨顺煤柱压裂较破碎的沿空巷道预测结果:预测条件下,煤柱压裂较破碎时沿空侧松散煤体的自然发火期(出现青烟)为19天,高温区范围(温度大于108℃):距底板0.7m～4.2m,距煤壁0.5m～4m。3.5碎离层带预测结果在巷道预测条件下,4308综放面轨顺顶煤压碎离层带的沿空巷道,预测结果:顶煤压碎离层带在预测条件下的自然发火期为25天;高温区范围(温度大于100℃)距顶板0～3.2m。4自然退火期预测(1)基于煤氧复合过程分析的自然发火期有:实验最短自然发火期、煤层最短自