崔家寨矿6号煤层井田两翼煤炭燃烧特性的试验研究

王玉怀，任建军，索 航，余 博

(1.华北科技学院，北京东燕郊 101601;2.河北省矿井灾害防治重点实验室，北京东燕郊 101601)

0 引言

矿井火灾是煤矿的重大灾害之一，矿井火灾不仅使矿井遭受巨大的物质损失，同时它也是导致矿工伤亡的主要因素［1］［2］［3］。煤炭自然发火是煤矿火灾的主要致因之一。据统计，我国国有重点煤矿中具有自然发火倾向的矿井约占51.3%，在国有重点煤矿中，每年因煤炭自燃形成的火灾约360次，煤炭氧化自热形成的火灾隐患约4000次［4］。煤炭自燃过程中会产生 CO、CO2、烟尘等，这是造成火灾时期人员伤亡的主要原因。据国内外统计，在矿井火灾事故中的遇难者95%以上死于烟雾中毒［5］。

崔家寨矿煤种以褐煤、长焰煤为主，各煤层均有自然发火危险，曾出现多次煤层自然发火事故或隐患。为了解该矿煤炭自燃过程中有害气体及烟雾的释放规律，指导矿井预防和治理井下火灾，采用锥形量热仪对崔家寨矿6号煤层煤样的燃烧特性进行了试验研究。

1 实验仪器工作原理

本次试验采用英国燃烧测试技术公司(FTT)公司的锥形量热仪(CONE)进行煤样的测试工作，测试仪器主要由燃烧室、载重台、氧分析仪、烟测量系统、通风装置及有关辅助设备等六部分组成。1993年国际标准化组织正式出版了利用锥形量热仪来测试材料火灾特性的标准——ISO5660［6］。目前，经不断研制和改进，锥形量热仪现在已成为研究火灾和评定材料燃烧性能的理想试验仪器。

CONE是一种根据氧耗原理设计的测定材料燃烧放热的仪器。所谓氧耗原理是指物质完全燃烧时每消耗单位质量的氧会产生基本上相同的热量，即氧耗燃烧热(E)基本相同［7］。1980年Huggett应用氧耗原理对常用易燃聚合物及天然材料进行了系统计算，得到了氧耗燃烧热(E)的平均值为13.1kJ/g，材料间的E值偏差为5%。所以，在实际测试中，测定出燃烧体系中氧气的变化，就可换算出材料的燃烧放热。

2 实验结果及其分析

2.1 试验测试结果

测试的煤样取自崔家寨矿6煤层，为了便于对比和分析，井田东翼11606工作面和西翼西翼11605工作面各取两个煤样。实验遵守的标准是ISO5660，采用水平实验法，测试时辐射能量取为50 kW/m2，标定常数 c 取 0.039694［8］。

试验过程中分别测试了4个煤样燃烧过程中释放的CO、热释放速率、总释放热、烟生成速率及总生烟量等参数，各参数的数据如图1～6所示。

2.2 试验结果分析

通过以上的数据分析，可以出如下结论:

2.2.1 煤样点燃时间(Tign)

煤样的点燃时间反映煤样被点燃的容易程度，点燃时间越短，说明煤样越容易燃烧。四种煤样的点燃和熄灭时间见表。井田西翼的两个煤样的点燃时间远小于东翼煤样的点燃时间，而4个煤样中3个煤样的熄灭时间相差不明显。因此，同样条件下，崔家寨矿6号煤层井田西翼11606工作面区域发火可能性高于东翼11605工作面区域。

表1 各煤样的点燃与熄灭时间

2.2.2 CO浓度及产生量

CO是煤炭自燃过程中释放出的主要有害气体之一，研究煤样燃烧过程中CO的释放规律对预防和处理井下煤炭自燃具有非常重要的意义。4个煤样燃烧过程中CO释放情况见图1，实验结果表明，东翼11606工作面煤样的平均产生CO量超过西翼，几乎达到西翼11605工作面的2倍。因此，东翼11606工作面附近区域的火灾CO的危险性最大。

图1 煤样燃烧过程中的CO释放情况

表2 各煤样燃烧过程中的的CO产生量

2.2.3 热释放速率(HRR)和总释放热(THR)

热释放速率(HRR)是表征火灾强度的最重要参数之一，其峰值(PHHR)表征了材料燃烧时的最大热释放程度。总释放热是材料从点燃到火焰熄灭所释放的热量总和。煤样的热释放速率和总释放热方面:西翼煤样的热释放速率和总释放热要远高于东翼两个煤样的总释放热。因此，西翼11605工作面附近一旦发生火灾后，将产生大量的热量。

图2 煤样燃烧过程中热释放速率变化情况

图3煤样燃烧过程中总释放热变化情况

表3 各煤样燃烧过程中的热释放速率(HRR)

2.2.4 烟生成速率(SPR)和总生烟量(TSR)

烟生成速率(SPR)和总生烟量(TSR)是表示材料燃烧时产生烟雾能力程度的参数。实验数据表明，西翼11605工作面第一个点煤样总生烟量最高，远远超过其他煤样;从发生火灾时烟雾速率和总量上考虑，西翼11605工作面附近区域发生火灾后的危害最大。东翼11606工作面第一个点的煤样的总生烟量比较高。剩余两个煤样在烟生成速率(SPR)和总生烟量(TSR)上差别不大。

图4 煤样燃烧过程中烟生成速率变化情况

图5 煤样燃烧过程中总生烟量变化情况

2.2.5 比消光面积(SEA)

图6 煤样燃烧过程中比消光面积变化情况

比消光面积越大，对救灾和人员疏散越不利。实验数据表明，井田西翼煤样的第一个煤样的SEA的平均值远远大于其他煤样，第二个煤样的SEA也超过了东翼的两个煤样。因此，西翼一旦发生火灾，救灾难度将超过东翼。

表4 各煤样燃烧过程中产生的比消光面积

4 结论

1)井田西翼的两个煤样的点燃时间远小于东翼煤样的点燃时间。

2)东翼工作面煤样燃烧产生的CO超过西翼工作面煤样。

3)西翼煤样燃烧后产生的热量超过东翼工作面煤样。

4)在烟释放速率和总生烟量方面，井田两翼煤样出现了一定的差异。在这两个参数上，西翼11605工作面第一个点煤样最高，东翼11606工作面第一个点的煤样次之。其余两个煤样差别不大。

5)西翼煤样燃烧后的比消光面积超过东翼工作面煤样，其中西翼一个煤样比消光面积的平均值是东翼煤样的5.5～6.8倍。

［1］ 鲜学福，王宏图，姜德义，刘保县.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述［J］.中国工程科学，2001，3(12):28－32.

［2］ 王德明.矿井火灾学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［3］ 周福宝，白兰永，杨绿刚.巷道喷涂防治煤炭自燃新技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2011.

［4］ 王刚，程卫民.矿井火灾防治实用措施［M］.北京:煤炭工业出版社，2013.

［5］ Jukka Hietaniemi，Raija Kallonen，Esko Mikkola.Burning characteristics of selected substances:production of heat，smoke and chemical species［J］.Fire and Materials，1999，23(4):171－185.

［6］ Babrauskas V，Grayson S J.Heat release in fires［M］.London:Chapman ＆ Hall，1995.

［7］ 王庆国，张军.锥形量热仪的工作原理及应用［J］.现代科学仪器，2003，(6):36 －39.

［8］ 王玉怀，马尚权，潘德祥.煤矿井下可燃材料燃烧特性的试验研究［J］.华北科技学院学报，2006，3(1):1－4.