工作面煤自燃特征參數(shù)計算模型研究

工作面煤自燃特征參數(shù)計算模型研究

中國的煤層自燃現(xiàn)象非常嚴重。據(jù)統(tǒng)計，72.86%的煤礦存在自發(fā)燃燒，51.3%以上的國有重要煤礦占主導(dǎo)地位。礦井火災(zāi)中90%以上為煤層自燃火災(zāi),造成了嚴重的煤炭資源損失和安全隱患。CO氣體由于其敏感性和易檢測性,常被用來進行煤自燃早期預(yù)測和預(yù)報,但是由于開采技術(shù)、開采裝備及地質(zhì)條件的不同,影響著煤層自燃火災(zāi)早期預(yù)測預(yù)報指標的確定,如扎賚爾礦務(wù)局西山礦南斜井在開采Ⅳ3煤層、大雁二礦在開采30號煤層、開灤集團東歡坨煤礦在開采8號煤層、荊各莊煤礦、崔家寨煤礦以及寧煤靈武礦區(qū)的1號、2號、14號、15號及16號煤層,在正常開采的過程中(工作面沒有煤自燃征兆)出現(xiàn)了CO氣體嚴重超過《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定值,CO氣體異常涌出,為井下煤自燃危險程度和區(qū)域的判斷造成極大的干擾性,不能準確地對煤自燃災(zāi)害進行預(yù)測預(yù)報,從而喪失預(yù)防和控制煤自燃的最佳時機。為此,通過對開采條件、煤層自燃特性、CO來源及其主要因素分析,建立工作面正常開采條件下上隅角CO濃度值的預(yù)測模型,論證和解釋工作面正常開采條件下上隅角CO濃度的涌出原因,為及時發(fā)現(xiàn)CO濃度異常、采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測提供參考依據(jù)。1co氣體在工作區(qū)的來源分析1煤體溫度和煤體碳量對co氣體表達的影響徐精彩等采用大型煤自然發(fā)火實驗臺對煤自燃過程中CO氣體產(chǎn)生規(guī)律進行研究,發(fā)現(xiàn)不同種類的煤在氧化過程中出現(xiàn)CO氣體的起始溫度不同,有的煤樣甚至在常溫狀態(tài)下就出現(xiàn)CO氣體,如靈武礦區(qū)的煤樣在常溫條件下破碎后立即裝入封閉容器內(nèi)就能檢測到CO氣體,隨煤體溫度的升高其CO產(chǎn)生速率相應(yīng)增加。2煤自由基的形成機理楊廣興等認為煤作為一種有機大分子物質(zhì),在外力(如地應(yīng)力、采煤機的剪切、鉆機的剪切等)作用下產(chǎn)生破碎,產(chǎn)生大量裂隙,必然造成煤分子的斷裂,從而產(chǎn)生大量的自由基。自由基可存在于煤顆粒的表面,也可存在于煤內(nèi)部新生的裂紋表面,自由基與氧發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO氣體。因此采煤機割落的煤炭、采空區(qū)以及煤壁裂隙都能夠在常溫的條件下和空氣中的氧氣緩慢氧化產(chǎn)生CO氣體。3co氣體的測定通過實驗室研究和現(xiàn)場觀測,朱令起等、魏國棟等、楊廣興等、遲春城等認為東歡坨煤礦、大雁二礦250綜采工作面、西山礦南斜井開采的Ⅳ3煤層及北斜井右四片回采工作面的煤層中都天然賦存著CO氣體,鄔劍明等采用解吸法對煤層中的CO氣體含量進行了測定。通過以上對煤層開采過程中的CO氣體來源進行分析,可以總結(jié)出工作面的CO氣體主要來源于3種形式,即:煤體的氧化產(chǎn)生、煤層中賦存CO氣體以及在割煤過程中產(chǎn)生。2co在工作中的影響因素分析1煤的土地co煤表面分子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,只有其中一些特殊結(jié)構(gòu)“活性基團”或“活性結(jié)構(gòu)”能與氧發(fā)生作用,并且不是所有活性結(jié)構(gòu)與氧作用的難易程度一樣,主要與煤的性質(zhì)和種類有關(guān),大量的試驗結(jié)果和應(yīng)用實踐表明,長焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤、貧煤、無煙煤等煤種受熱時CO的涌出規(guī)律都比較一致,但是CO濃度值的變化趨勢基本是隨煤的變質(zhì)程度的加深而提高。各種煤CO出現(xiàn)的臨界溫度:褐煤為41℃、長焰煤和肥煤為66℃、氣煤為59℃、焦煤為81℃、瘦煤為94℃、貧煤為130℃、無煙煤為83℃。因此針對不同煤層工作面CO濃度值計算時必須通過試驗測算其不同溫度下的實際CO產(chǎn)生率。2工作面風(fēng)力偏大時,工作面煤層開采過程中,監(jiān)測到的CO氣體濃度值為相對濃度,所以受風(fēng)量的影響較大,主要表現(xiàn)在2個方面:一方面當(dāng)工作面風(fēng)量偏大時,將會增量采空區(qū)的漏風(fēng)量,造成采空區(qū)氧化帶寬度增加,CO氣體的絕對產(chǎn)生量增大,但是能夠?qū)ぷ髅鍯O濃度起到一定的稀釋作用;另一方面,當(dāng)工作面的風(fēng)量偏小時,可減少采空區(qū)煤自燃氧化帶的寬度,減少采空區(qū)遺煤氧化程度,但對工作面內(nèi)CO的稀釋能力降低。3采空區(qū)內(nèi)co氣體增加變化多工作面開采參數(shù)也對采空區(qū)CO氣體產(chǎn)生量有很大的影響,如工作面傾向長度、傾角、采高等布置參數(shù),回采過程中的回采率、推進速度等參數(shù)。對CO氣體增加原理主要表現(xiàn)在2個方面:一是開采參數(shù)(工作面長度、采高)增加,將會使采空區(qū)的立體空間變大,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)空隙率增加,漏風(fēng)量增加;二是增加了采空區(qū)內(nèi)遺煤的絕對量(降低采出率)。以上2個條件都為采空區(qū)遺煤氧化創(chuàng)造了條件。3co濃度vco計算數(shù)學(xué)模型根據(jù)對靈武礦區(qū)工作面上隅角CO氣體來源和影響因素分析,在工作面正常開采條件下,能夠影響工作上隅角CO氣體濃度的主要因素為破碎煤體的氧化產(chǎn)生,因此,將其主要來源分為3類:①采空區(qū)遺煤氧化;②推采過程中進入采空區(qū)的煤體;③割煤、串聯(lián)工作區(qū)域放炮等其他原因產(chǎn)生。根據(jù)以上分析,可建立以下工作面上隅角CO濃度VCO計算數(shù)學(xué)模型:VCO=(V1+V2+V3)/QL(1)VCΟ=(V1+V2+V3)/QL(1)式中:QL為采空區(qū)漏風(fēng)量;V1為采空區(qū)遺煤氧化CO產(chǎn)生量;V2推采過程中進入采空區(qū)的煤體氧化CO產(chǎn)生量;V3為其他原因產(chǎn)生的CO氣體量。3.1工作面漏風(fēng)強度及空氣濃度分布在正常開采條件下,采空區(qū)存在漏風(fēng)風(fēng)流,給遺煤自燃提供了必要的供氧條件,漏風(fēng)風(fēng)流風(fēng)速的大小直接影響著煤體的散熱和CO氣體濃度的擴散,對于采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流大小一般使用漏風(fēng)強度、漏風(fēng)率等參數(shù)表示。1)漏風(fēng)強度與漏風(fēng)量。采空區(qū)氧濃度在一個特定區(qū)域主要受漏風(fēng)強度影響。當(dāng)新鮮風(fēng)流滲透到采空區(qū)遺煤時,沿著漏風(fēng)路線,隨著風(fēng)流流動,由于煤體對氧的消耗,瓦斯稀釋氧濃度,使得風(fēng)流中的氧含量逐漸降低。在特定區(qū)域,由于溫度恒定時,煤對氧的消耗速率及瓦斯釋放量基本是定值,因此采空區(qū)的漏風(fēng)強度QˉˉˉQˉ決定了氧濃度的分布情況。采空區(qū)漏風(fēng)量QL計算式為QL=QˉˉˉS(2)QL=QˉS(2)其中,S為工作面面積。根據(jù)相似定律,由已知工作面采空區(qū)漏風(fēng)強度可推算出類似工作面采空區(qū)漏風(fēng)強度和氧氣濃度分布。Qˉˉˉ1Q2=R1L2φ2R2L1φ1(Q1Q2)2(3)Qˉ1Q2=R1L2φ2R2L1φ1(Q1Q2)2(3)其中:Qˉˉˉ1Qˉ1、Qˉˉˉ2Qˉ2分別為要求和已知工作面的漏風(fēng)強度,m3/(min·m2);R1、R2分別為要求和已知采空區(qū)的滲透系數(shù);L1、L2分別為要求和已知工作面的周長,m;φ1、φ2分別為要求和已知工作面的摩擦阻力系數(shù),kg/m3;Q1、Q2分別為要求和已知工作面的配風(fēng)量,m3/min。由式(2)和式(3)得QL1QL2=Qˉˉˉ1S1Qˉˉˉ2S2=R1L2S1φ2R2L1S2φ1(Q1Q2)2(4)QL1QL2=Qˉ1S1Qˉ2S2=R1L2S1φ2R2L1S2φ1(Q1Q2)2(4)式中:QL1、QL2分別為要求和已知工作面的漏風(fēng)量,m3/min;S1、S2分別為要求和已知工作面面積,m2。定義漏風(fēng)系數(shù)為η,則η=QL1Q21=R1L2S1φ2R2L1S2φ1QL2Q22η=QL1Q12=R1L2S1φ2R2L1S2φ1QL2Q22設(shè)定2個工作面的開采條件相同,則η=QL/Q2,所以:QL=ηQ2(5)QL=ηQ2(5)式中,Q為工作面供風(fēng)量。3.2co生成量在開采時煤體氧化溫度可根據(jù)實際選定,相應(yīng)溫度條件下CO產(chǎn)生率可根據(jù)試驗測定,則CO濃度大小主要由氧化的煤量和CO產(chǎn)生率決定。1采空區(qū)氧化帶遺煤氧化修正系數(shù)V1=αLHZ1(1?φ)δ(T)(6)V1=αLΗΖ1(1-φ)δ(Τ)(6)式中:α為采空區(qū)氧化帶遺煤氧化修正系數(shù),小于1,一般情況下,綜采工作面取0.3~0.5,綜放工作面取0.2~0.4;L為工作面長度,m;H為開采煤層厚度,m;Z1為采空區(qū)氧化帶的寬度,m;φ為工作面采出率,%;δ(T)為煤體在溫度T時CO氣體的產(chǎn)生速率(根據(jù)煤自燃性試驗確定),mol/(cm3·s)。2散帶氧化修正系數(shù)采空區(qū)散風(fēng)率的計算V2=βLHZ2(1?φ)δ(T)(7)V2=βLΗΖ2(1-φ)δ(Τ)(7)式中:β為采空區(qū)散熱帶遺煤氧化修正系數(shù),在正常漏風(fēng)條件下一般取0.8~1.0,若漏風(fēng)率小于1%則取小于0.5;Z2為采空區(qū)散熱帶的寬度,m。3割煤過程中co產(chǎn)生量vg通常情況下串聯(lián)工作區(qū)域放炮或其他原因產(chǎn)生的CO存在時間較短,在正常監(jiān)測預(yù)報時,一般可以忽略。則:V3=Vg=vLH24×3600θ=1.157×10?5vLHθ(8)V3=Vg=vLΗ24×3600θ=1.157×10-5vLΗθ(8)式中:Vg為割煤過程中CO產(chǎn)生量;θ為在割煤過程中單位體積煤量機械破碎時CO產(chǎn)生量,mol/cm3;v為工作面推進速度,m/d。3.3煤體機械破碎前后vlp表15將式(5)至式(8)代入式(1),得工作面正常生產(chǎn)時上隅角CO濃度計算模型:VCO=[(αZ1+βZ2)LH(1?φ)δ(T)+1.157×10?5vHLθ]/(ηQ2)(9)VCΟ=[(αΖ1+βΖ2)LΗ(1-φ)δ(Τ)+1.157×10-5vΗLθ]/(ηQ2)(9)在一般開采條件下,煤體機械破碎產(chǎn)生CO量遠小于煤體氧體產(chǎn)生CO量,即δ(T)?1.157×10-5θ,因此,在計算工作面正常開采條件下上隅角CO濃度時,式(9)可簡化為VCO=(αZ1+βZ2)LH(1?φ)δ(T)ηQ2(10)VCΟ=(αΖ1+βΖ2)LΗ(1-φ)δ(Τ)ηQ2(10)4工作面腦c在靈武礦區(qū)選取不同開采方式的3個工作面進行現(xiàn)場驗證,分別在靈新礦L1816綜采工作面、羊場灣Y16綜放工作面及羊場灣大采高工作面,記錄不同工作面開采基本工藝參數(shù),同時通過對采空區(qū)進行煤自燃三帶觀測,分析了不同工作面不同開采條件下的氧化帶寬度,并采取煤樣進行自然發(fā)火模擬試驗,測定不同溫度下的CO產(chǎn)生速率,作為工作面上隅角CO濃度計算的依據(jù)。將上述參數(shù)分別代入式(10),最終得到各個工作面的極限CO氣體濃度參數(shù),見表1,由表1可知,靈武礦區(qū)典型工作面上隅角CO濃度預(yù)測計算值與現(xiàn)場實際觀測值基本吻合。5工作面開采對煤自然氧化的影響1)通過對工作面正常開采條件下上隅角CO氣體濃度的影響因素進行分析,推導(dǎo)出了綜合考慮CO產(chǎn)生的內(nèi)因和外因雙重條件的濃度值計算公式,通過現(xiàn)場驗證,能夠較真實地對靈武礦區(qū)不同開采條件下工作面上隅角的CO氣體濃度值進行計算,同時得出:隨著煤層開