寸草塔煤矿22 煤层自然发火标志气体及自燃预警值研究
2021-02-05王文清邢真强郭佳策
王文清,邢真强,郭佳策
(1.国家能源投资集团神东煤炭集团 寸草塔煤矿,内蒙古 鄂尔多斯017209;2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺113122;3.煤矿安全技术国家重点实验室,辽宁 抚顺113122)
自燃火灾是矿井火灾的主要体现形势,其中采空区自燃火灾占矿井自燃火灾总数的60%。我国存在自然发火危险性的矿井约占矿井总数的3/4,煤炭自然发火产生的有毒有害气体严重威胁着矿井工作人员的生命健康,同时由于火灾引发的煤尘、瓦斯爆炸等次生灾害后果更为严重[1-2]。
CO 由于其具有易检测性、规律性、灵敏性等特性,通常用于煤炭自燃火灾的早期预警工作。《规程》规定,工作面回风隅角CO 体积分数24×10-6是职业健康指标,不是自然发火临界指标。由于煤层赋存条件、煤种、开采工艺方法、开采技术装备的不同,在很大程度上影响着标志气体CO 临界值的确定。因此,标志气体CO 的临界值应该在实验室测试,现场统计分析的基础上综合确定[3]。
神东矿区是我国13 个亿吨矿区之一,煤层多为浅埋藏、(易)自燃煤层赋存,主要开采的煤种为低阶长焰煤和不黏煤,煤种变质程度较低,煤层最短自然发火期仅为18 d,受采空区复杂漏风影响,遗煤低温氧化条件下CO 产生量较大,通风负压及大气压力双重作用影响下,造成该区域生产工作面回风隅角CO 体积分数不同程度“超限”,给自然发火监测预警工作带来干扰,同时给现场制定科学有效的防灭火措施,以及回风隅角CO 管控措施带来了困惑,严重影响矿井安全生产。
寸草塔煤矿作为国家能源投资集团神东煤炭集团主力矿井之一,矿井主采22 煤,属不黏煤,吸氧量为0.72 cm3/g,为容易自燃煤层,最短自然发火期47 d,采空区遗煤存在低温易氧化的特点。
1 22 煤层自然发火预报指标体系
1.1 煤样程序升温氧化实验
煤样采集是标志性气体优选成功与否的基础。按照煤样采集标准采集寸草塔煤矿22 煤层煤样,煤样采集地点为22301 工作面,按照煤样制备标准制备实验样品。
自然发火标志气体测试装置主要由样品储存装置、程序控温装置、气体定量供给装置、数据自动采集装置组成,可在一定程度上实现煤层自燃绝热氧化条件,精准采集分析煤样自燃热解气体产物[4-8]。自然发火标志气体测试装置如图1。
图1 自然发火标志气体测试装置Fig.1 Test device for natural ignition mark gas
1.2 标志气体分析及优选
采集22 煤层煤样氧化自燃热解的气体产物,进行气体成分和体积分数分析。煤样在氧化升温过程中,CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、H2等气体出现的温度区间为30~220 ℃,并且气体的产生量随煤温的升高呈现一定的规律。其中,CO 的出现温度为30 ℃,且其产生量贯穿于整个氧化反应过程中,其产生量在60 ℃以前较小,但在60~70 ℃时,CO、CO2气体产生量规律呈现指数上升,说明煤样已经开始加速氧化,煤样反应机理由物理吸附向化学吸附以及化学反应进程转变,CH4的出现温度为30 ℃,CH4产生量规律呈现先增加后减小,H2的出现温度为120 ℃,气体产生量呈现单一递增趋势,C2H6的出现温度为60℃,C2H4的出现温度为100 ℃,C2H6、C2H4产生量规律呈现指数上升,C2H6、C2H4、H2的出现,说明了煤样与O2发生了较强的化学反应,C2H2的出现温度为220 ℃,说明此时的煤样已经与O2化学反应已经转向激烈状态。
通过对22 煤层煤样氧化热解的气体变化规律总结分析,结合自然发火标志气体指标优选标准,选取寸草塔煤矿22 煤层自然发火标志气体为CO、C2H4、H2、C2H2,其中,CO 的出现说明采空区遗煤已经处于低温氧化状态,应当加强气体监测工作,并做到定点、定时、定人;如果检测到CO 体积分数持续稳定上升,说明遗煤已经进入快速氧化状态,应当加强自燃预测预报工作,并采取有效火灾预防措施;如果在检测到CO 的基础上,气样中含有C2H4、H2,说明遗煤已经进入加速氧化状态,必须立即实施行之有效的防灭火措施;如果气样中检测到C2H2,表明遗煤已经进入激烈氧化状态,采空区很可能已经出现明火,防灭火措施需谨慎得当,防止次生灾害的发生。
1.3 CO 产生速率
1.3.1 实验煤样CO 产生速率
在煤样程序升温氧化实验过程中,假设风流仅沿样品储存装置的轴向流动,可认为样品储存装置轴向dx 位置样品的CO 产生速率为:
式中:S 为样品储存装置的横截面积,cm2;vCO代表CO 的产生速率,mL/(min·m3);q 为实验通气量,mL/min;c 为煤氧化过程中的CO 产生量,10-6。
将式(1)进行积分可得:
式中:C1、C2分别为样品储存装置进口和出口气体中的CO 产生量,10-6;L 为样品储存装置的装煤高度,cm。
整理式(1)、式(2)可得如下关系式:
计算出22 煤层煤样在不同温度下CO 的产生速率,煤样CO 产生速率与温度关系曲线如图2。
图2 煤样CO 产生速率与温度关系曲线Fig.2 Relation curve between CO production rate and temperature of coal sample
从图2 可知,22 煤层实验煤样温度区间在30~220 ℃的前提下,区间各温度点对应的CO 产生速率为0.55~11 800 mL/(min·m3)。
1.3.2 自燃临界态CO 产生速率
研究表明,煤自燃按时间顺序分为:低温缓慢自热阶段、快速氧化阶段,二者之间转折点所对应的温度称之为临界温度,由CO 生成率可以发现,当煤温超过临界温度值以后,反应速率加快,温度急剧升高,CO 产生量急剧加大。因此,找出煤样处于自燃临界温度时CO 的产生速率,并结合其它参数得出煤层自燃预警浓度,并采取针对的防灭火措施具有重大意义[9-11]。
寸草塔煤矿22 煤层煤样温度超过60~70 ℃后,煤样CO 产生速率急剧增加,因此,推断22 煤层煤样的临界温度为60~70 ℃。
经计算,煤样自燃临界温度为60 ℃,CO 临界体积分数为8×10-6,CO 产生速率为4.6 mL/(min·m3)。
2 工作面回风隅角CO 安全及自燃预警值模型构建
研究表明,在工作面正常回采条件下,工作回风隅角CO 来源主要为采空区遗留低温氧化所产生。因此,建立工作面正常回采时,回风隅角CO 体积分数[CO]预测数学模型如下:
式中:k1为采空区氧化升温带内遗煤氧化修正系数,小于1(综采工作面为0.15~0.35);l1为采空区氧化升温带的宽度,m;k2为采空区散热带遗煤氧化修正系数,在正常漏风条件下,一般取0.5~0.7;l2为采空区散热带的宽度,m;φ 为煤炭回采率,%;νCO为煤体在常温(临界温度)状态下的CO 产生速率,mL/(min·m3);L 为工作面倾向长度,m;H 为煤层厚度,m;Q 为工作面供风量m3/min;η 为漏风系数,一般取0.06~0.1。
3 采空区自燃“三带”现场观测分析
3.1 工作面概况
寸草塔矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内,位于毛乌素沙漠北缘,井田西部为侵蚀性丘陵地貌,井田东部由于受毛乌素沙漠影响,地表多为流动性或半固定波状沙丘覆盖,湾兔沟自西北向东南纵贯全井田。
22301 综采工作面为22 煤三盘区首采工作面,工作面走向长度3 914.2 m,倾向长度300.5 m,煤层平均厚度2.6 m,回采高度2 m,日推进度9.947 5 m,遗煤厚度200~400 mm,工作面风量设计配风量978.3 m3/min,采用“U”型全负压抽出式通风方式。
3.2 采空区自燃“三带”分布规律测试方案
在22301 工作面两巷道靠外帮预埋3 芯束管,束管敷设长度300 m,束管外套DN50 无缝焊管加以保护,束管进气端外套三通保护支管保护,支管抬高2 m,采用锚杆配合冲孔铁板将支管固定于煤壁上。将束管出气端与矿井红外束管监测系统相连接,实时在线分析采空区气体浓度,同时,记录采空区各束管采样点与工作面的位置关系。
3.3 采空区气体变化分析
随工作面推进,采空区CO 和O2体积分数变化规律如图3。以O2体积分数18%和7%为划分指标,22 煤层采空区散热带及氧化升温带总宽度为125 m,工作面正常推采过程中,回风隅角CO 体积分数在(70~90)×10-6波动变化;采空区内CO 体积分数在(40~200)×10-6波动变化,其中高体积分数CO 于工作面后部60~70 m 范围内采空区积存,工作面后部150 m 范围内采空区CO 体积分数稳定至40×10-6。
4 回风隅角CO 体积分数预测及CO 超限的控制技术
4.1 工作面推采条件下回风隅角CO 体积分数预测
结合式(4),经计算得到的22301 工作面正常推采时工作面回风隅角CO 体积分数预测值见表1。
图3 22301 工作面采空区气体变化曲线Fig.3 Change curves of gas in goaf of 22301 working face
表1 22301 工作面正常推采条件下回风隅角CO 体积分数预测值Table 1 Prediction value of CO concentration in corner of return air under normal pushover mining condition of 22301 working face
由表1 可以看出,基于22301 工作面回风隅角CO 安全及自燃预警体积分数预测模型,计算得出22301 工作面回风隅角CO 安全体积分数预测值为81×10-6,现场实测值为(70~90)×10-6,误差在合理区间内。因此可以认为22301 工作面正常回采条件下,回风隅角CO 安全指标体积分数为81×10-6。推断得出,若回风隅角CO 测值达到325×10-6,表明22 煤采空区遗煤已经达到临界温度,处于加速氧化状态,且温度会急速上升,短时间内可超过临界温度,将发生氧化自燃,应立即采取相关防灭火措施。
4.2 工作面回风隅角CO 超限的控制技术措施
结合22301 工作面赋存条件、通风方式、开采工艺等特点,提出的回风隅角CO 超限管控技术措施如下[12-14]:
1)降风减压。在满足工作面安全生产的前提下,减小工作面的配风量,降低向采空区漏入的风量,从而减少采空区遗煤的氧气的供给条件,进一步降低采空区遗煤的氧化进程。
2)井上下封堵漏风。加强地表漏风通道查找,采用大型机械回填和人工回填相结合的方式开展地表回填工作,确保回填工作不得滞后工作面150 m。加强工作面两巷道漏风通道封堵工作,采用高分子泡沫墙对工作面采空区两线侧进行封堵,高分子泡沫墙体厚度不小于1.5 m,高分子泡沫墙封堵距离一般为300 m。
3)改变工作面区域流场负压点,改变采空区流场。减少工作面进风侧通风设施,增加工作面回风侧通风设施,进行回风侧增阻调节,减少漏风通道两端的压差,进而减少采空区气体向工作面回风隅角运移积聚。采空区回风侧预埋气体抽放管路,采用瓦斯移动式抽放泵抽放采空区气体,进一步改变采空区负压流场,进一步减少采空区CO 体积分数。
5 结 语
1)寸草塔煤矿22 煤层煤自燃预测预报标志气体体系为CO、H2、C2H4、C2H2。
2)划分了22 煤采空区自燃“三带”分布范围,其中散热带宽度为22~35 m,氧化带宽带为92~125 m。
3)22 煤工作面正常回采时回风隅角CO 安全体积分数为81×10-6,自燃预警体积分数为325×10-6。
4)提出了包括降风减压、封堵漏风、改变采空区漏风流场等防控CO 超限措施。