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新型近红外非对称七甲川菁染料的设计与东古城煤矿最短自然发火期及采空区“三带”划分的研究
摘要：针对采空区氧化升温导致火灾，探究了东古城煤矿Z109综采工作面采空区的自然发火规律，通过氧化升温实验确定Z109工作面自燃预报标志性气体，并计算出了最短自然发火期为80 d;采用现场实测法记录氧气体积分数，利用氧气的体积分数划分出了采空区的自燃“三带”,散热带范围为31～35.9 m,氧化升温带范围为33.1～43.5 m,窒息带范围为69～74.5 m.根据采空区三带的划分，计算出最小安全推进速度为0.54 m/d,实际推进速度大于该速度，确保了回采期间不会发生遗煤自燃现象。研究结果对东古城煤矿预防采空区自燃和防灭火有指导作用。
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随着采煤技术的发展，采煤效率也在提升，而采空区遗煤量大、漏风分布复杂、冒落空间大等问题层出不穷，使得采空区遗煤自然发火时有发生[1,2]。煤自燃多数发生于采空区“三带”中的氧化带，确定最短自然发火期和采空区“三带”范围，对预防矿井火灾有着积极的作用。李飞[3]采用现场实测方法分析了“三带”之间的关系，并且利用氧气体体积分数指标法确定氧化升温带。疏义国等[4]基于自然发火标志，通过束管对采空区进行实时监测，实现发火预报。鉴于此，本文基于氧化升温实验来确定发火的自燃指标性气体进而得出最短发火期，通过现场实测手段，记录氧气体积分数从而划分出采空区自燃“三带”,对东古城采空区发火趋势进行预测[5]。
1、工作面概况
左云东古城煤矿Z109综采工作面位置于22号煤层中，煤层厚，赋存稳定。22号煤层的平均厚度为17.27 m, 含3～9层夹矸，结构较为复杂。其中回采面的最大绝对瓦斯涌出量为0.79 m3/min, 掘进面的最大绝对瓦斯涌出量为0.11 m3/min, 矿井绝对瓦斯涌出量为1.04 m3/min, 相对瓦斯涌出量为0.6 m3/t, 22号煤层的挥发性为39.26%,火焰长度大于400 mm, 煤层具有煤尘爆炸性，煤的吸氧量为0.68 cm3/g, 自燃倾向等级为Ⅱ类，为自燃倾向类煤层。
2、煤层最短自然发火期实验
2.1 煤的自燃倾向性实验
此次开展的实验采用的是东古城煤矿22号煤层Z109综采工作面的煤样。通过煤的工业性分析得出鉴定结果见表1.最终结果显示，Z109综采工作面自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃倾向为易自燃。
表1 煤样的工业性分析结果
2.2 煤样的氧化升温实验
本次氧化升温实验采用的煤样是山西焦煤东古城煤矿22号煤层Z109综采工作面，实验的仪器主要有程序升温炉，气路系统，绝热罐，温控装置和气相色谱仪等部分组成。实验的原理为模拟煤的自燃氧化过程，以矿井初始温度为15～30 ℃加入空气，在试验过程中会生成一氧化碳、二氧化碳、甲烷等产物，对它们的体积分数和变化规律进行相关分析，得出煤的临界和干裂温度进而得出煤的标志性气体测试出煤的自然发火期[6]。实验装置图如图1所示。
图1 绝热氧化反应装置
实验开始前先将煤样表面上的氧化层打磨干净，然后碎成小煤块，在利用碎煤机对它进行碎煤，筛选出大小粒径为80～120目的煤样[7]。取50 g放入程序升温炉内进行加热，设定气体流量为100 mL/min, 下表为煤样氧化升温过程中各气体浓度的变化，临界温度为171 ℃.
表2 实验煤样升温氧化过程中气体体积分数
2.3 煤的热分析实验
在煤样的比热测定中，根据对不同温度的条件下煤样的比热进行DSC实验分析测试得出实验室试验的结果见表3.
表3 不同温度条件下的煤样比热容
2.4 实验结果和分析
2.4.1 指标气体
所谓指标气体就是指在煤的低温氧化过程中生成的能够预报煤能否发生自燃的气体[8]。煤在热解时会产生多种气体，一些气体产生的最低温度，生成量和煤温和煤质有着密切的关系。图2和图3分别是CO、CO2以及烃类气体变化趋势图。
图2 CO、CO2变化趋势
图3 烃类气体变化趋势
由表2和图2、图3可以看出：煤的升温氧化气体产物的生成规律，CO在温度为50 ℃的时候出现，其在温度低时生成量较小，在100 ℃以后CO的温升率急速增加，表明煤在这个时候已经迅速氧化，CO在这个过程中出现最早，体积分数变化率大，与温度的关系比较明显，故选CO成为早期煤炭自然发火的预报预警气体。C2H4、C2H6、C3H8的体积分数随着温度的升高而逐渐增大，C2H6在87 ℃开始出现，C2H4、C3H8的出现对应的温度已经超过100 ℃,说明煤与氧气发生自燃已进入到了加速阶段。C2H2的生成在225 ℃,此时煤炭已经入激烈的氧化阶段。
2.4.2 煤层最短自然发火期结果
在绝热情况下，煤氧化过程释放的热量用于水分的蒸发，煤样的加热，使煤从常温变为交叉温度的称为最短自然发火期，计算最短自然发火期的模型见公式(1):
式中：τ为煤层的最短发火期，d; CiP、C
为煤在不同温度下的比热容，kJ/(kg·K);△Wp为在某一时间段内煤的水分蒸发量，%;λ为此时间段内水蒸发所吸收的热量，J/kg; Q'为此时间段内瓦斯解所吸收的热量，J/m3;△μp为在某温度段下的煤样瓦斯解吸量，m3/kg; μ
为在不同温度时瓦斯的吸附量，m3/kg.
其中煤样在不同温度下的瓦斯吸附量按照公式(2)计算：
式中：μtip为煤样在温度为ti时的瓦斯吸附量，m3/kg;μt0p
为煤样在实验室内温度为t0时的瓦斯吸附量，m3/kg;n为系数；p为瓦斯的压力，kPa.
在不同的温度下，煤样的放热速率也是不同的，放热速率的公式见式(3):
(t)分别为在给定的实验条件下的CO、CO2的产生速率，mol/(kg·min);n
(t)为在给定的实验条件下的耗氧速率，mol/(kg·min);qa为煤与氧化吸附的热，kJ/mol;(h
分别为CO、CO2在1.013 25×105Pa的压力下，温度为T时的焓差。
根据上述的计算模型，将温度节点的各个参数代入上述分段计算，得出由初始温度到临界温度每个阶段所需要的时间，再将其求和，最终得出煤的最短自然发火期[9]。解算得到的自然发火期如表4所示，由于在井下生产过程中影响煤自燃的因素是非常多的，例如煤的湿润度、通风方式以及煤的堆积状态等，为了贴近煤矿的实际情况，在本次实验的基础上加入修正系数，经过修正系数的加入得出一个比较合理的，符合实际情况的天数。例如，山西煤炭进出口集团左云东古城煤业有限公司22号煤层修正系数为1.2,最终得到，22号煤层最短自然发火期=(11.12+20.18+11.01+12.29+4.92+3.43+2.21+1.21+0.4+0.19)×1.2≈80 d.
3、东古城煤矿采空区“三带”划分研究
3.1 自燃“三带”划分指标
现场测试的方法主要有三种，指标气体分析法、测温法、示踪气体法。最有效的方法是利用采空区氧气体积分数的划分方法，因此使用氧气体积分数为主，其他手段为辅[10]。采空区划分“三带”的标准见表5.
3.2 现场测定方案
在Z109工作面运输巷和回风巷布设4根束管和2趟热电偶，测点编号依次为1'、2'、3'、4',如图4所示。Z109工作面布置图，由于采空区冒落的煤岩会压坏束管和热电偶，故将它们放入无缝保护钢管中进行保护，两侧的束管末端相互间隔为20 m.随着工作面的推进，测试出采集气体成分，根据Z109工作面的推进情况，每间隔1～2 d采集一次气体，记录成分，主要测试氧气和一氧化碳的体积分数，并且记录上束管测点和工作面的位置、日推近距离。在这些测点中，当氧气体积分数低于10%时就可以停止该点的测试工作，测试时间近2个月。
表4 实验煤样最短自然发火期计算
表5 采空区“三带”划分指标气体分析标准
图4 测点布置示意
3.3 测定结果记录与分析
因为现场勘测情况复杂的原因，在这次的测试中，2号和4号测试点的氧气体积分数基本保持不变，导致这样结果的原因可能是束管有断裂情况的发生[11]。2号和4号测点的一氧化碳的体积分数几乎为0,因此不再做出记录，1号和3号测点的氧气体积分数见表6.根据所测得的数据，绘制出1号和2号测点氧气的体积分数与工作面推进距离的关系见图5.
由图5分析可得，氧气体积分数大致的趋势为逐渐递减，一开始1号测点和3号测点的氧气体积分数在20.55%～21.78%,结束测量之后每个测点几乎都在采空区的深部，氧气体积分数保持在5%.其中1号测点在距离工作面31 m时，氧气的体积分数下降到了17.32%,在距离工作面74.5 m时，氧气的体积分数下降到7.63%;3号测点在距离工作面35.9 m时，氧气的体积分数为17.65%,在距离工作面69 m时，氧气的体积分数下降到9.52%,从图5中看出，3号测点的斜率更大，表明该测点的氧气体积分数下降更快。
表6 Z109工作面1号和3号测点氧气体积分数
图5 氧气体积分数变化曲线图
3.4 采空区“三带”划分
分析对比各测点氧气体积分数，考虑各种矿井的影响因素，利用氧气体积分数指标法结合表5划分采空区“三带”范围，因此最终得到进风巷侧的散热带宽度为31 m,自燃带宽度为43.5 m,窒息带大于74.5 m;回风巷侧的散热带宽度为35.9 m,自燃带宽度为33.1 m,窒息带大于69 m.综上，散热带范围为31～35.9 m,自燃带范围为33.1～43.5 m,窒息带范围为69～74.5 m,存在着进风巷的一侧自燃带宽度大于回风巷情况[12,13]。
表7 采空区“三带”划分测定
3.5 最小安全推进速度
综上分析可得，Z109工作面氧化升温带的最大宽度为43.5 m,最短自然发火期为80 d,因此根据式(4)计算出工作面的最小安全推进速度。
Vmin=Lmax/τ (4)
式中，Vmin为最小安全推进距离，m/d;Lmax为工作面氧化升温带的最大宽度，m;τ为最短自然发火期，d.
将所得的数据代入上述公式中，计算得最小安全推进速度，这说明如果工作面日推进量大于0.54 m时，采空区发生自燃发火的危险性很小；如果工作面在80 d的平均推进量小于0.54 m,采空区将会有遗煤自燃的风险。
在东古城煤矿Z109工作面1号和3号测点进行测量中，有效数据天数为15 d,工作面累计推进距离74.5 m,则工作面正常日平均推进速度为大于最小安全推进速度，故在正常情况下，采空区是不会发生遗煤自燃的情况。
4、结语
1) 通过煤样的氧化升温实验，可以得出东古城煤矿Z109工作面的主要指标气体为CO,辅助指标气体为C2H4,C2H6,当出现它们时，说明以达到高温状态。
2) 基于计算数学模型得出最短自然发火期为80 d,但在实际的矿井中自然发火期还受开采方法等各种因素的影响，所以还要结合实际情况考虑。
3) 对Z109综采工作面进行氧气体积分数的测定，并且进行采空区“三带”范围划分，散热带范围为31～35.9 m, 氧化自燃带范围为33.1～43.5 m,窒息带范围为69～74.5 m.
4) 根据划分出的Z109工作面采空区“三带”范围，计算出最小日推进安全速度为0.54 m/d,与实际日推进速度作对比，得出采空区不会发生遗煤自燃。
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基金资助:山西大同大学研究生教育创新项目(22cx51,22cx39);
文章来源:武泽伟,吴康,李洋等.东古城煤矿最短自然发火期及采空区“三带”划分的研究[J].煤,2023,32(12):6-10.
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2023-12-18
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