高温高湿矿井自燃煤层煤自燃“三带”分布规律研究

高温高湿矿井自燃煤层煤自燃“三带”分布规律研究摘要：为研究在高温高湿条件下的工作面采空区遗煤自燃危险性问题，以李楼煤业1303工作面为背景，通过试验，测定煤层自燃特性，分析采空区煤层自燃主要影响因素，研究在高温高湿条件下，采空区煤层自燃“三带”的分布规律。结果表明：在高温高湿环境下，煤层更容易发生自燃；温度越高，煤样耗氧速率、CO和CO₂产生率增长越明显，活性官能团越多，煤层更容易氧化升温；煤的氧化活性增强以及有利的蓄热环境和采空区漏风供氧加剧是导致高温高湿工作面自燃的主要影响因素；随着向采空区深入，氧浓度呈递减趋势，采空区“两道”漏风强度与采空区深度呈负相关；“三带”分布的进风侧氧化升温带为35～120m,大于回风侧的25～68m采空区的火灾防治要掌握其煤层自燃“三带”的分布规律，本文通过分析1303工作面采空区煤层自燃影响因素，试验研究李楼煤业3#煤层自燃特性，并在现场1303工作面巷道铺设管路，实测采空区自燃“三化带和窒息带范围，预测采空区自燃危险区，为类似条件的煤层矿井提供有益参考，并为煤炭自燃发火早期1煤自燃特性试验研究红外光谱实验采用VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪，能够测试煤样在氧化过程中随煤氧化温度变化以及其活性官能团的变化规律。为了研究煤自燃过程中指标性气体与煤自燃温度之间的变化规律，采用程序升温实验装置，如图1所示，整个实验测定系统由气路、程序控温、气体采集装置和分析系统四部分组成。见表1,煤样水分(Mad)为1.37%,灰分(Aaa)为13.81%,流流量计图1程序升温实验装置图表1煤样工业分析及真密度测试类别真密度(g/cm3)1.2.3煤自燃程序升温实验人员对李楼煤业煤样进行空气粉碎过筛得到粒径0～0.9mm0.9～3mm3～5mm5～7mm7~10mm的煤样程序升温实验条件见表2#煤重(g)空气流量(ml/min)升温速率(℃)以煤样进、出口氧气浓度数据为基础开假设实验过程中风流比较稳定沿着煤样罐轴向方向运动可推算出煤样总耗氧速率与煤温之间的关系计算公式如下：Q为供风量为120ml/minPS为煤样罐截面积m²将实验测得的出口氧气浓度C²。和其他参数代入上式得到G煤样和C煤样耗氧速率与煤温关系如图2所示在40～100℃范围内G煤样和C煤样耗氧速率缓C煤样耗氧速率快速增至4500×10¹¹mol·m³·s¹用辄地不o"前4(辄地不o"前4(随着煤温升高开G煤样和C煤样的氧耗速率均呈现增长趋势用在经过40°C恒温处理后相比从常温条件下升温的C煤样G煤样在升温过程中表现出更高的氧化性和放热性用2高温高湿工作面采空区煤自燃主要影响因素2.1煤的氧化活性由上述煤自燃程序升温实验可知1303煤的耗氧速率和放热强度随煤温升高而不断升高开煤体温度越高煤的氧化性越强高温增强了煤体的氧化放热性开造成采空区煤自燃危险增加³用2.2煤体自燃蓄热环境李楼煤业初始地温为42C随着地温升高开增高了环境湿度湿度增加对对流散热产生不利影响1303采空区围岩温度高使煤体与漏风流之间以及围岩之间的温差变小抑制煤的对流散热和热传导改善煤体的蓄热环境导致煤温升高1303采空区热风压可达21.54Paf对采空区的漏风造成明显影响采空区煤体因为长时间氧化开造成采空区温度升高使采空区与工作面的温差变大甚至加速造成采空区漏风在这样的环境下开采空区浮煤长时间缓慢氧化更容易发生自燃火灾用观测工作主要是分析采空区预埋管路和气样掌握采空区气体浓度随工作面推进的变化情况用气样测定仪器包括气相色谱仪和负压气体采样仪用监测测点在两道采空区里在50m左右布置一个探头保持采空区内部一侧三个探头上下顺槽同时观测测点布置图如图3所示用3.2测试结果3.2.1采空区浮煤分布根据现场观测开进回风顺槽及两端头支架处浮煤遗煤分布如图4所示用根据观测数据得到进风侧和回风侧采空区内部距工作面不同距离时各点的氧气浓度变化关系如图5所示随着向采空区内部深入氧气浓度呈现下降趋势进风侧采空区氧气浓度缓慢下降开从20%降到5%在埋深为118m时氧气浓度最低为5%回风侧采空区氧气浓度从19%降到2.5%,在埋深为0～50m时，回风侧采空区氧气浓度快速下降至5%,在50～120m范围内缓慢(a)1303进风侧采空区氧气浓度随埋深变化趋势(b)1303回风侧采空区氧气浓度随埋深变化趋势图51303进、回风侧采空区氧气浓度随埋深变化趋势根据工作面煤样自燃性试验测试结果，通过实测采空区氧气浓度，可以得到采空区漏风强度在进、回风侧的分布规律，如图6所示。图61303进、回风侧采空区漏风强度曲线分布由图6可知，1303采空区漏风强度在靠近工作面的地方较高。进风巷在0～22m范围内快速下降至13×10²cm/(s●cm),在22～120m范围内缓慢下在14～120m范围内缓慢下降，在距离工作面81m处最低为3×10²cm/(s●cm)。根据郓城矿区相关技术资料，结合1303工作面煤样实验测试结果、采空区浮煤分布状况、采空区进、回风两侧氧气浓度、漏风强度以及现场观测数据即可划“三带”划分结果如图7所示，进风侧氧化散热带在距工作面35m而回风侧氧化散热带约距工作面25m。由于工作面进风顺槽连续不断给采空区提供新鲜风流，氧化升温带范围大于回风侧，在35～120m范围内，窒息带在120m后部；在回风侧采空区内采空区中部氧化后的乏风流出，氧气浓度较低，因此与进风侧相比，回风侧氧化升温带范围较小，在距离工作胶带顺槽轨道顺槽4.2在1303高温高湿工作面条件下，随着向采空区内部深入，氧气浓