北徐樓煤礦三下煤層自然發火規律研究

摘要：論文以北徐樓煤礦三下煤層為研究對象，運用煤氧化反應和表面反應熱自燃機理，通過取樣進行自然發火特性實驗及對該礦三下煤層自然發火情況進行統計分析，研究得出該礦三下煤層自然發火特點及規律。

關鍵詞：三下煤層 自然發火 實驗 規律

1 北徐樓煤礦三下煤層開采概況

北徐樓煤礦為低瓦斯礦井，其三下煤平均埋深-850m，平均厚度7m。三下煤呈玻璃光澤，以亮煤為主，鏡暗煤次之。條帶狀結構，塊狀構造，含黃鐵礦，高發熱量煤層。

在開采過程中常面臨煤層自然發火的影響，自2010年9月份北徐樓煤礦三下煤層首采工作面開采以來，因自然發火而被迫封閉處理4次，每次從封閉到啟封、再到正常開采時間少則兩月，多則半年，嚴重影響了北徐樓煤礦的正常采掘安排，給礦方造成了極大的經濟損失。

據此，本課題從該礦三下煤層的自然發火特性實驗入手，根據大量統計數據及對煤層自然發火主要影響因素的分析，研究得出了三下煤層的自然發火規律。

2 煤自燃機理研究現狀

煤自燃問題自十七世紀即開始研究探索，近十多年來，國內外學者從不同的角度、采用不同的方法對煤自燃的機理進行了研究，并取得一些新進展，主要體現在利用熱分析技術研究煤自燃機理、從煤的活化能入手研究煤自燃機理、從煤分子結構模型入手研究煤的自燃機理、從煤巖相學角度研究煤的自燃機理、從煤氧化反應和表面反應熱的角度研究煤自燃機理等幾個方面。

對煤氧化反應和表面反應熱煤自燃機理的研究，Ltay[1]研究了煤的氧化機理，指出煤的低溫氧化從外層開始，遵從核反應收縮模型，反應速度是由空氣從氧化層的擴散控制。Continillo[2]研究了化學吸附氧及化學反應的速率，指出在不同的溫度區域，該速率遵從不同的變化規律。徐精彩[3]根據測定煤表面氧反應熱研究煤的自燃機理，得出不同的煤其表面反應熱不同，并與煤體溫度有關。何萍[4]通過對煤氧化過程中氧化的形成特征的研究，選擇出煤自燃指標。

3 三下煤自然發火特點及規律研究

3.1 三下煤自然發火特性參數實驗研究

3.1.1 實驗裝置和原理。實驗選取目前普遍采用的“XK-Ⅲ型”煤低溫自然發火實驗裝置。該裝置由三大部分組成，分別為爐體、通氣管路和控制檢測。

煤自然發火實驗通過模擬煤氧接觸發生化學反應放熱引起煤溫升高而發火這一過程，主要考察在煤氧化放熱升溫過程中，相應氣體的產生順序、變化規律、煤溫變化情況、氧氣消耗情況以及測算最短自然發火期等。該裝置能夠有效模擬現場條件，采空區漏風相當于氧氣進入發生煤氧接觸，實驗起始溫度設定在井下溫度變化范圍之內，選取在25℃左右。

3.1.2 實驗內容及結果。采集北徐樓煤礦三下煤層塊狀煤樣，用塑料編織袋裝填煤樣約0.7t，破碎后裝入爐體。煤樣升溫氧化實驗結果：

煤樣升溫氧化過程中氣體產物及其濃度變化見表1。

由煤樣氧化升溫實驗結果看出：CO2出現的最早，其次是CH4，然后是CO，再次是C2H4；由于常溫下CO2就已經存在，因此難以作為標志性氣體，而CH4在礦井賦存中也已常態化，且CH4在開始升溫階段呈現出不明顯的變化特征，因此把CO作為煤在氧化過程中的首選標志性氣體；而C2H4的出現，表明煤已進入了加速氧化階段，對應煤溫度超過200℃。

3.1.3 煤層最短自然發火期[5]實驗結果

3.2 三下煤自然發火情況統計研究

3.2.1 三下煤自然發火情況統計。北徐樓煤礦三下煤層自然發火情況，見表2。

3.2.2 自然發火統計特點及規律。根據統計數據及長期跟蹤觀測可以看出，三下煤層自然發火特點及統計規律如下：①煤體自燃氧化過程中，通風系統不穩定，容易加快煤體氧化過程；②煤體自燃時，伴隨大量有毒有害的有機氣體產生；③綜放工作面在切眼、停采線處，采空區自燃火災較多；④工作面采空區是煤自燃最主要的區域，但采空區自燃火災不易滅火，且封閉一段時間后啟封易復燃。

參考文獻：

[1]Itay M.Hill C R.Glasser D. Study of the low temperature oxidation of coal.Fuel Processing Technology，1989，21（2）：81-97.

[2]Continillo G.Galiero G.Maffettone P L.etc.Characterization of chaotic in the spontaneous combustion of coal stockpiles.Symposium on combustion，1996.1585-1592.

[3]賀敦良，徐精彩.煤炭表面反應熱與自燃性探討[J].煤礦安全，1990（6）：31-36.

[4]何萍，唐修義.煤氧化過程中氣體的形成特征與煤自燃指標氣體選擇[J].煤炭學報，1994，19（6）：635-643.

[5]中國煤科總院重慶研究院.北徐樓煤礦三下煤最短自然發火期實驗報告.