易燃特厚煤层群最短自然发火期试验

卢 恒,赵浩东,姜 涛

(国能神东煤炭集团有限责任公司大柳塔煤矿,陕西 榆林 719000)

0 引言

煤自燃是矿井开采过程中的主要灾害之一,严重制约着煤炭资源的安全高效开采。据不完全统计,我国大中型煤矿中,自然发火危险程度严重或较严重的煤矿占72.9%;煤炭自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90%～94%[1-3]。开采容易自燃或自燃煤层的矿井需先对煤的自然发火危险性进行评价,而煤层的最短自然发火期是煤的自然发火危险性最重要的指标之一。新疆某矿23-25号煤层群自燃倾向性等级属于Ⅰ类,为易自燃煤层。因此,确定新疆某矿23-25号煤层群的最短自然发火期,对该矿设计实施安全有效的防灭火措施,保障该矿煤炭资源安全开采具有重要的意义。

1 煤层概况

23-25号煤层群位于侏罗系中下统八道湾组下段,煤层平均厚17.03 m,上距2-2煤层(采高2.8 m)平均间距为42.70 m,23-25号煤层群开采标高为+550～+716 m,层位稳定,多数煤层结构简单,局部含夹矸1～2层,最高达6层,属较稳定的厚煤层。侏罗系中下统八道湾组下段主要由中、粗砂岩及煤层组成,平均厚度194 m,该组地层以下为沼泽相沉积,属于较平稳的沉积环境,岩性细腻,以泥质粉砂岩为主,底部以一厚层状灰白色中、细砂岩与下伏三叠系分界,呈整合接触。

2 煤层最短自然发火期理论分析

2.1 改良的卡连金煤层最短自然发火期数学模型

自然发火期是煤炭自燃危险性在时间上的度量,理论上自然发火期的定义是:煤体暴露于空气中到发生自然发火整个过程所需要的时间,即揭露煤体至其发生自然发火为止计算的时间,而煤层自然发火最短的时间就是煤层最短自然发火期[4-7]。在煤矿安全生产过程中,为了有效防治煤炭自燃,研究煤炭自燃特性与自然发火规律的差异,预测煤体最短自然发火期是非常必要的[8]。杨永良等[9]以绝热圆柱形煤柱为物理模型,利用实测的煤自燃基本参数,解算分析了漏风速度、粒度等参数对煤自然发火期的影响规律,最终准确确定了最短自然发火期;王德明等[10]通过70 ℃时煤样罐出气口的氧气体积分数(C70)与交叉点温度(Tcpt)实现了煤层实验最短自然发火期的快速测试;朱云辉等[11]运用固相能量守恒定律判定煤炭最短发火期技术建立简便实效的数学模型,并与使用同步热分析仪所得的数据进行拟合得到精确的最短自然发火期;余明高等[12]根据煤与氧反应的热平衡方程推导出了更符合实际情况的改良的卡连金煤层最短自然发火期数学计算模型,该模型在煤层最短自然发火期的研究中得到了广泛应用。文中主要应用余明高改良的卡连金煤层最短自然发火期数学模型来计算新疆某矿23-25号煤层群的最短自然发火期。

自然条件下煤与氧气发生氧化反应产生热量,同时也会与周围环境进行热量交换。在绝热条件下煤样氧化产生的热量使煤中含有的水分蒸发,同时使煤体加热升温并使煤中含有的瓦斯等气体吸热释放,经过一段时间煤样由常温升温到着火温度,升温到着火温度所需的时间则为该煤层的最短自然发火期。利用改良的卡连金煤层最短自然发火期数学计算模型进行计算,该模型[12]为

(1)

2.2 瓦斯解析量

煤样的瓦斯解析量受温度的影响,在一定温度下煤样瓦斯吸附量为[13]

(2)

(3)

式中,p为煤层的瓦斯压力,kPa。

2.3 放热速率

在一定温度下,煤样放热速率与CO产生率、CO2产生率、耗氧率及煤样与氧气的化学吸附热有关,具体关系为

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

(4)

2.4 水分蒸发量

在ti+1～ti温度段内煤样的水分蒸发量等于煤含有的总水分量与该温度段所蒸发煤体含有的总水分量的百分数。根据相关文献,室温～100 ℃蒸发全水分含量的5%,100～120 ℃蒸发全水分含量的95%。

3 试验测试

3.1 煤样工业性分析

对23-25号煤层群的采煤工作面或掘进工作面采取有代表性的原始煤样。测得23-25号煤层群工业性指标数据水分、灰分和挥发分分别为10.62%、1.39%和46.37%。依据《GB/T 20104—2006煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》对23-25号煤层群进行煤层自燃倾向性进行鉴定,结果见表1。从表1可以看出,23-25号煤层群自燃倾向性等级属于Ⅰ类,为容易自燃煤层。

表1 工业分析及自燃倾向等级鉴定结果

3.2 煤的比热容测定

采用STA449C热重分析仪进行煤样比热容测定。通过在程序控温下测定样品比热容随温度的变化,得到煤样比热容的测定结果,见表2。

表2 不同温度条件下煤样比热容

3.3 煤样氧化升温试验

试验仪器采用煤炭科学技术研究院有限公司的煤样绝热氧化反应装置。该系统主要包括供气装置、程序升温装置、气体分析装置3个部分,供气装置由高压氮气瓶、高压氧气瓶、稳压阀、流量计、三通以及管路等构成,如图1所示。

图1 煤样绝热氧化反应装置

试验使用99.999%的氮气和氧气按照比例配制不同浓度的氧气。首先打开高压氮气瓶与高压氧气瓶,将出口气体压力控制在0.4 MPa,根据需要配制的氧气浓度,用质量流量控制器按比例分别调节氮气与氧气的流量,然后经过混合器混合,用气相色谱仪检测出口氧气浓度,当达到要求时,通入煤样罐中,开始程序升温试验。

4 煤自然发火指标气体优选

根据AQ/T1019—2006《煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选方法》,对23-25号煤层群进行指标气体优选,确定煤层的自燃标志性气体及临界值。以《伊犁永宁煤业化工有限公司对该矿23-25号煤层群自然发火标志气体指标测定》报告为依据,23-25号煤层群自然发火标志气体优选试验特征温度及其自然发火标志气体优选结果见表3、表4。

表3 23-25号煤层群自然发火标志气体优选试验特征温度及其气体表征

表4 23-25号煤层群自然发火标志气体优选结果

由表4可以看出,23-25号煤层群以CO、C2H4作为指标性气体,CO气体出现的煤温不大于20 ℃,表明23-25号煤层群在常温时就已发生缓慢氧化反应;C2H4出现的时间较晚,产生的初始温度值较高,说明产生C2H4时煤体已经进入剧烈氧化阶段,因此将C2H4作为该矿23-25号煤层群剧烈氧化阶段的指标气体。

此外,23-25号煤层群临界温度在50～60 ℃,干裂温度在100～110 ℃。程序升温过程中,煤样耗氧速率随煤温的升高而增加。在煤温达到50～60 ℃之前,耗氧速率呈线性规律缓慢增加;煤温超过50～60 ℃后,耗氧速率呈指数规律快速增加。

5 最短自然发火期计算

根据改良的卡连金计算模型,将升温过程中各温度点的参数带入公式(1)中进行分段计算,将所有的分段计算出来的时间叠加,即可得到该煤层的煤层试验最短自然发火期。表5是新疆某矿23-25号煤层群煤样试验煤样最短自然发火期计算表。由表2、5中数据计算得出该矿23-25煤层群试验最短自然发火期为39 d。

6 结论

(1)新疆某矿23-25号煤层群自燃倾向性等级属于Ⅰ类,为易自燃煤层。在设计开采该煤层时应该提前建立综合防灭火方案,保证该煤层群的安全高效开采。

(2)根据煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选,23-25号煤层群以CO、C2H4作为指标性气体来掌握煤炭自燃情况。

(3)通过对23-25号煤层群进行氧化升温试验,根据卡连金计算模型,计算了最短自然发火期为39 d,该矿23-25号煤层群具有很高的自然发火危险性,为矿井防灭火措施提供了重要的理论依据。