易燃特厚煤層群最短自然發火期試驗

盧 恒,趙浩東,姜 濤

(國能神東煤炭集團有限責任公司大柳塔煤礦,陜西 榆林 719000)

0 引言

煤自燃是礦井開采過程中的主要災害之一,嚴重制約著煤炭資源的安全高效開采。據不完全統計,我國大中型煤礦中,自然發火危險程度嚴重或較嚴重的煤礦占72.9%;煤炭自燃引起的火災占礦井火災總數的90%～94%[1-3]。開采容易自燃或自燃煤層的礦井需先對煤的自然發火危險性進行評價,而煤層的最短自然發火期是煤的自然發火危險性最重要的指標之一。新疆某礦23-25號煤層群自燃傾向性等級屬于Ⅰ類,為易自燃煤層。因此,確定新疆某礦23-25號煤層群的最短自然發火期,對該礦設計實施安全有效的防滅火措施,保障該礦煤炭資源安全開采具有重要的意義。

1 煤層概況

23-25號煤層群位于侏羅系中下統八道灣組下段,煤層平均厚17.03 m,上距2-2煤層(采高2.8 m)平均間距為42.70 m,23-25號煤層群開采標高為+550～+716 m,層位穩定,多數煤層結構簡單,局部含夾矸1～2層,最高達6層,屬較穩定的厚煤層。侏羅系中下統八道灣組下段主要由中、粗砂巖及煤層組成,平均厚度194 m,該組地層以下為沼澤相沉積,屬于較平穩的沉積環境,巖性細膩,以泥質粉砂巖為主,底部以一厚層狀灰白色中、細砂巖與下伏三疊系分界,呈整合接觸。

2 煤層最短自然發火期理論分析

2.1 改良的卡連金煤層最短自然發火期數學模型

自然發火期是煤炭自燃危險性在時間上的度量,理論上自然發火期的定義是:煤體暴露于空氣中到發生自然發火整個過程所需要的時間,即揭露煤體至其發生自然發火為止計算的時間,而煤層自然發火最短的時間就是煤層最短自然發火期[4-7]。在煤礦安全生產過程中,為了有效防治煤炭自燃,研究煤炭自燃特性與自然發火規律的差異,預測煤體最短自然發火期是非常必要的[8]。楊永良等[9]以絕熱圓柱形煤柱為物理模型,利用實測的煤自燃基本參數,解算分析了漏風速度、粒度等參數對煤自然發火期的影響規律,最終準確確定了最短自然發火期;王德明等[10]通過70 ℃時煤樣罐出氣口的氧氣體積分數(C70)與交叉點溫度(Tcpt)實現了煤層實驗最短自然發火期的快速測試;朱云輝等[11]運用固相能量守恒定律判定煤炭最短發火期技術建立簡便實效的數學模型,并與使用同步熱分析儀所得的數據進行擬合得到精確的最短自然發火期;余明高等[12]根據煤與氧反應的熱平衡方程推導出了更符合實際情況的改良的卡連金煤層最短自然發火期數學計算模型,該模型在煤層最短自然發火期的研究中得到了廣泛應用。文中主要應用余明高改良的卡連金煤層最短自然發火期數學模型來計算新疆某礦23-25號煤層群的最短自然發火期。

自然條件下煤與氧氣發生氧化反應產生熱量,同時也會與周圍環境進行熱量交換。在絕熱條件下煤樣氧化產生的熱量使煤中含有的水分蒸發,同時使煤體加熱升溫并使煤中含有的瓦斯等氣體吸熱釋放,經過一段時間煤樣由常溫升溫到著火溫度,升溫到著火溫度所需的時間則為該煤層的最短自然發火期。利用改良的卡連金煤層最短自然發火期數學計算模型進行計算,該模型[12]為

(1)

2.2 瓦斯解析量

煤樣的瓦斯解析量受溫度的影響,在一定溫度下煤樣瓦斯吸附量為[13]

(2)

(3)

式中,p為煤層的瓦斯壓力,kPa。

2.3 放熱速率

在一定溫度下,煤樣放熱速率與CO產生率、CO2產生率、耗氧率及煤樣與氧氣的化學吸附熱有關,具體關系為

q(t)=qa[nO2(t)-nCO(t)-nCO2(t)]+

(4)

2.4 水分蒸發量

在ti+1～ti溫度段內煤樣的水分蒸發量等于煤含有的總水分量與該溫度段所蒸發煤體含有的總水分量的百分數。根據相關文獻,室溫～100 ℃蒸發全水分含量的5%,100～120 ℃蒸發全水分含量的95%。

3 試驗測試

3.1 煤樣工業性分析

對23-25號煤層群的采煤工作面或掘進工作面采取有代表性的原始煤樣。測得23-25號煤層群工業性指標數據水分、灰分和揮發分分別為10.62%、1.39%和46.37%。依據《GB/T 20104—2006煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》對23-25號煤層群進行煤層自燃傾向性進行鑒定,結果見表1。從表1可以看出,23-25號煤層群自燃傾向性等級屬于Ⅰ類,為容易自燃煤層。

表1 工業分析及自燃傾向等級鑒定結果

3.2 煤的比熱容測定

采用STA449C熱重分析儀進行煤樣比熱容測定。通過在程序控溫下測定樣品比熱容隨溫度的變化,得到煤樣比熱容的測定結果,見表2。

表2 不同溫度條件下煤樣比熱容

3.3 煤樣氧化升溫試驗

試驗儀器采用煤炭科學技術研究院有限公司的煤樣絕熱氧化反應裝置。該系統主要包括供氣裝置、程序升溫裝置、氣體分析裝置3個部分,供氣裝置由高壓氮氣瓶、高壓氧氣瓶、穩壓閥、流量計、三通以及管路等構成,如圖1所示。

圖1 煤樣絕熱氧化反應裝置

試驗使用99.999%的氮氣和氧氣按照比例配制不同濃度的氧氣。首先打開高壓氮氣瓶與高壓氧氣瓶,將出口氣體壓力控制在0.4 MPa,根據需要配制的氧氣濃度,用質量流量控制器按比例分別調節氮氣與氧氣的流量,然后經過混合器混合,用氣相色譜儀檢測出口氧氣濃度,當達到要求時,通入煤樣罐中,開始程序升溫試驗。

4 煤自然發火指標氣體優選

根據AQ/T1019—2006《煤層自然發火標志氣體色譜分析及指標優選方法》,對23-25號煤層群進行指標氣體優選,確定煤層的自燃標志性氣體及臨界值。以《伊犁永寧煤業化工有限公司對該礦23-25號煤層群自然發火標志氣體指標測定》報告為依據,23-25號煤層群自然發火標志氣體優選試驗特征溫度及其自然發火標志氣體優選結果見表3、表4。

表3 23-25號煤層群自然發火標志氣體優選試驗特征溫度及其氣體表征

表4 23-25號煤層群自然發火標志氣體優選結果

由表4可以看出,23-25號煤層群以CO、C2H4作為指標性氣體,CO氣體出現的煤溫不大于20 ℃,表明23-25號煤層群在常溫時就已發生緩慢氧化反應;C2H4出現的時間較晚,產生的初始溫度值較高,說明產生C2H4時煤體已經進入劇烈氧化階段,因此將C2H4作為該礦23-25號煤層群劇烈氧化階段的指標氣體。

此外,23-25號煤層群臨界溫度在50～60 ℃,干裂溫度在100～110 ℃。程序升溫過程中,煤樣耗氧速率隨煤溫的升高而增加。在煤溫達到50～60 ℃之前,耗氧速率呈線性規律緩慢增加;煤溫超過50～60 ℃后,耗氧速率呈指數規律快速增加。

5 最短自然發火期計算

根據改良的卡連金計算模型,將升溫過程中各溫度點的參數帶入公式(1)中進行分段計算,將所有的分段計算出來的時間疊加,即可得到該煤層的煤層試驗最短自然發火期。表5是新疆某礦23-25號煤層群煤樣試驗煤樣最短自然發火期計算表。由表2、5中數據計算得出該礦23-25煤層群試驗最短自然發火期為39 d。

6 結論

(1)新疆某礦23-25號煤層群自燃傾向性等級屬于Ⅰ類,為易自燃煤層。在設計開采該煤層時應該提前建立綜合防滅火方案,保證該煤層群的安全高效開采。

(2)根據煤層自然發火標志氣體色譜分析及指標優選,23-25號煤層群以CO、C2H4作為指標性氣體來掌握煤炭自燃情況。

(3)通過對23-25號煤層群進行氧化升溫試驗,根據卡連金計算模型,計算了最短自然發火期為39 d,該礦23-25號煤層群具有很高的自然發火危險性,為礦井防滅火措施提供了重要的理論依據。