綜放面采空區遺煤自燃“三帶”范圍的預測

陳 立,郭鑫禾,武江河

(河北工程大學資源學院,河北邯鄲056038)

綜采放頂煤工藝的廣泛應用,在提高煤礦經濟效益的同時,也加劇了采空區遺煤的自燃,嚴重影響了礦井的安全生產[1-3]。而且不同的礦區和煤層,其預測指標和“三帶”劃分依據也并不相同[4-5]。孫勇[6]以采空區溫度和O2濃度為依據,利用數值模擬方法確定了采空區自燃“三帶”范圍;魏引尚[7-8]以CO作為自燃“三帶”預測指標和劃分依據來分析確定自燃“三帶”位置;尚秀廷[9]以采空區風速、O2濃度為依據,對輕放面采空區自燃“三帶”進行劃分,并確定了輕放面采空區的危險區域。針對小屯礦煤炭自燃的諸多影響條件及其復雜性,在煤樣氧化熱解實驗的基礎上,采用氣體采樣系統,對采空區的氣體成分進行了分析,以C2H2作為指標預測該礦自燃“三帶”范圍,為該礦區遺煤自燃“三帶”的劃分提供參考依據。

1 實驗概況

1.1 氧化熱解實驗

在小屯礦14252工作面采集新鮮煤樣9個,現場封裝;為了保證煤樣的充分氧化熱解,將煤樣制成2～10mm的顆粒,裝入氧化熱解裝置的煤樣加熱管,進行氧化熱解實驗。

1.2 自燃“三帶”測定實驗

1.2.1 采樣系統的制作

采樣系統由采樣器、輸氣管和抽氣泵組成。氣體采樣器用直徑150mm,壁厚5mm,長500mm的鋼管焊接而成,如圖1所示。管壁上打10mm孔60個,管壁內焊接襯墊16目不銹鋼金屬絲網,采樣器一側焊接有鋁塑管接頭。濾芯和外筒為濾塵器,其技術要求如下:

(1)濾塵器外筒用直徑168mm的鋼管制作,進氣眼直徑5mm,數量不少于50個;

(2)濾芯直徑100mm,濾芯骨架上包裹兩層直徑120mm不銹鋼篩網;

(3)接頭處管頭帶絲扣,要求能與6mm鋁塑管的管件螺紋聯結。

采空區抽樣氣體輸氣管采用高強度鋁塑管,直徑18mm;內外壁為高強度塑料,中間夾層為鋁合金;抽氣泵是整個氣體采集系統的動力裝置,試驗選用了2X-8型旋片真空泵。

1.2.2 測點的布置

為了檢測采空區氧化熱解氣體成分變化情況,按照采樣測點設置的總要求和原則[10],在工作面上、下端頭和工作面采空區分別布置測點,每個測點均埋設氣體采樣器。

1號測點分別在工作面上端頭敷設,2、3、4、5、6號測點采用沿工作面傾向均勻敷設的方法,在輕放支架底放溜槽后部采空區布設,7號測點在工作面下端頭敷設(圖2)。

2 測定結果與分析

2.1 氧化熱解實驗

通過實驗得到14252工作面煤樣氧化熱解產生的CO、C2H2兩種氣體隨溫度的變化情況(圖3)。當煤溫升至80℃～120℃后,解析出以C2H2為主的烯烴類氣體產物,而礦井空氣中一般不含C2H2。因此,C2H2可作為小屯礦14252工作面遺煤自燃的主要預測指標,只要在井下空氣中檢測到C2H2氣體,即可說明已有煤炭自燃。CO在100℃～120℃段曲線單調遞減,從120℃又開始增加,其隨溫度變化不定,可作為輔助判斷指標。

2.2 自燃“三帶”測定實驗

利用自制的氣體采樣系統,得到小屯礦14252綜放面采空區的氣體成分變化的數據,如圖4所示。

由圖4可以看出除4#和6#測點在距工作面為40m時才發現C2H2氣體外,其余測點均在距工作面為30～127m范圍內出現。由此可知:(1)在仰斜開采條件下,小屯礦14254綜放面采空區的自燃帶為距工作面30～127m的范圍,自燃帶的寬度為97m;(2)在距工作面小于30m的范圍內,未發現C2H2氣體,說明這個范圍內漏風、散熱條件較好,煤的氧化作用不強,耗氧量低,為散熱帶;(3)在距工作面大于127m的范圍內,也未出現C2H2氣體,進入窒息帶。

此外對CO、CO2、CH4的實測結果分析表明,在距工作面40～110m之間,其濃度急劇增加,尤其在62～89m范圍內,煤炭氧化比較劇烈,各測點出現波峰。

3 結論

1)確定C2H2為小屯礦14252綜放面遺煤自燃預測的主要指標,并將其含量作為該礦采空區遺煤自燃“三帶”的劃分依據;CO氣體可作為預測遺煤自燃的輔助指標,需配合主要預測指標進行綜合判定。

2)對采空區氣體進行采樣分析,得到自燃“三帶”的分布范圍:散熱帶0～30m,自燃帶30～127m,窒息帶＞127m。該數據為峰峰礦區的采空區遺煤自燃“三帶”范圍的劃分提供了參考。

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[10]胡為民,高新春,路廣利.礦井通風與安全[M].徐州:中國礦業大學出版社,2009.