首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 矿业工程论文 > 五里堠煤矿3号煤层工作面煤自燃特征及分级预警体系研究

五里堠煤矿3号煤层工作面煤自燃特征及分级预警体系研究

2024-06-12 69 上传者：管理员

摘要：为了研究确定五里堠煤矿3号煤层工作面煤自燃预警指标体系，采用程序升温试验系统测试煤样氧化自燃过程中特征气体生成规律；得到了煤自燃标志性气体，建立了煤自燃分级预警指标体系。结果表明：煤样氧化过程中随温度升高氧化活性增强，耗氧速率不断增大。在常温下，煤氧化产生了CO、CO2和C2H6,随煤氧化温度升高气体产生量不断增大；氧化温度升高到110℃时才氧化产生了C2H4.为了提高煤自燃风险的预警准确性，研究确定了煤自燃格氏火灾系数和气体比值及变化规律。得到了五里堠煤矿3号煤层工作面煤自燃预警的关键指标为CO、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6,提出了3号煤层工作面“灰、蓝、黄、橙、红”五级预警指标体系，结合现场确定了工作面煤自燃分级指标阈值，形成了3号煤层工作面煤自燃分级预警指标体系。

关键词：
分级预警
指标气体
格氏火灾系数
煤炭
煤自燃
加入收藏

煤炭作为全球最重要的能源资源之一，在国家经济发展和能源供应中发挥着关键作用[1]。然而，煤炭自燃是煤矿五大灾害之一，对煤矿的安全生产构成了极大的威胁[2]。煤自燃是一个动态过程，煤在与氧气接触的过程中官能团与氧气反应释放热量，热量聚集使煤的温度升高进而导致自燃。煤自燃危险程度的早期预警是防治煤自燃火灾的关键。煤自燃过程中产生的CO、C2H4、C2H6和C2H2等体积分数及变化规律常被作为表征煤自燃的程度和判定自燃危险性的指标。但煤自燃主要发生在采空区，其自燃环境和条件十分复杂；煤自燃产生的指标气体在到达采空区或工作面布置的测点过程中会受到风流稀释或煤岩石吸附作用的影响，造成气体体积分数发生变化。为了提高煤自燃危险程度的检测预警准确性，学者们开展了大量的研究。郝天轩等[3]对比各气体在煤自燃中的权重大小，优选出不同氧化阶段的标志气体；汪伟等[4]用SSA-RF采空区煤自燃温度回归模型分析采空区遗煤自燃温度；丁徐琴等[5]在不同氧气体积分数下研究低温氧化自燃的变化；张玉涛等[6]研究在煤自燃过程中微观结构的变化与特征温度之间的联系；郭庆等[7]利用小波变换分析工作面不同区域气体的体积分数的演化规律，得到其演化过程、周期性分布以及两种气体之间的相关性等；迟克勇等[8]使用空气发生装置结合程序升温装置研究空气湿度对煤自燃特征参数的影响；张鹏宇等[9]综合考虑瓦斯渗流场、瓦斯体积分数场等复杂流场的动力学变化，研究大范围采空区瓦斯运移过程中的热效应。

研究了五里堠矿3号煤层煤低温氧化过程中耗氧速率和指标气体随煤氧化温度升高的变化特征，得到了五里堠矿3号煤层煤自燃格氏火灾系数及C2H4/C2H6的比值变化规律。结合矿井现场条件得到了煤自燃过程中指标气体，氧化特征阶段，确定了各阶段的预警指标及阈值，建立了五里堠矿3号煤层工作面煤自燃分级预警指标体系，研究结果对预防与控制五里堠煤矿的煤自燃具有重要指导意义。

1、煤样氧化过程中自燃特征

1.1 煤样及实验测试方法

1) 煤样的处理。

本实验的样品取自山西省左权县五里堠煤矿3号煤层工作面煤样，煤样的元素分析、工业分析和热值如表1所示。现场采集新开采大块煤样使用塑料袋密封防止煤样氧化。在实验室将煤样破碎并筛分成5种粒径(0～0.9 mm, 0.9～3 mm, 3～5 mm, 5～7 mm和7～10 mm)。取5种粒径样品各200 g, 充分混合之后制备成为实验样品。

表1 实验煤样的元素分析、工业分析和热值

2) 煤自燃测试实验装置及条件。

试验采用煤自燃程序升温试验系统，结构如图1所示。该试验系统主要包含实验温度控制部分、气体供给部分、实验样品氧化升温罐和SP-2120型气相色谱分析部分组成。为使通气均匀，煤样反应罐上下两端分别留有2 cm左右自由空间(采用100目铜丝网支架托住煤样),将5种粒径(0～0.9 mm, 0.9～3 mm, 3～5 mm, 5～7 mm和7～10 mm)样品各200 g, 充分混合组成1 kg实验样品装入氧化反应罐中；反应罐上下两端各连接一根铜管，试验供气由下端铜管进入与煤样反应后由上端排出。实验系统采用油浴加热方式，导热油采用优冷U150H高温敞口加热专用油。实验开始前，连接好供气部分，煤样升温氧化实验，系统供气量为100 mL/min, 配气用体积分数为21%的O2和79%的N2混合气模拟空气条件，实验测试升温速率为0.3 ℃/min, 实验温度设定为30 ℃～170 ℃,煤温每升高10 ℃,采集反应后的气体测定煤氧化的气态产物。

图1 煤自燃程序升温实验系统

1.2 煤自燃氧化的耗氧速率

在煤低温氧化过程中，氧气与煤样表面的活性结构发生氧化反应而不断地被消耗。因此，耗氧速率是煤氧化反应强度的直接反映，氧气耗氧速率的计算公式(1)[11]:

(T)为出口氧气体积分数，mol/m3;Q为实验的供气量，mL/min;S为煤

样罐的横截面积，cm2;L为氧气在煤样罐中通过的距离，cm.

通过式(1)计算得到，在不同氧气体积分数下煤的耗氧速率，如图2所示。

图2 不同氧气体积分数时煤的耗氧速率

由图2可知，3号煤层煤样的耗氧速率随温度的上升而增大。在低温阶段，氧气在煤表面主要进行物理和化学吸附。而随着煤体温度的升高，煤表面活性结构逐渐被活化并与氧气发生化学反应，煤体内的活性基团随温度的升高而被活化，导致煤与氧的反应速度随着温度的升高而加速，温度越高，耗氧速率越高。

1.3 煤自燃氧化气体产物变化规律

1.3.1 CO和CO2气体

五里堠煤矿3号煤层煤自燃氧化过程中，产生的碳氧化物气体为CO和CO2,其气体产生规律及体积分数变化情况如图3、图4所示。

图3 CO体积分数随温度变化曲线

图4 CO2体积分数随温度变化曲线

由图3可以看出，五里堠煤矿3号煤层煤自燃程序升温过程中，CO体积分数随着温度的升高而增大，这是因为随着温度的升高，煤氧反应强度不断增大。在实验测试开始时，就检测到一定体积分数的CO,说明该煤在常温下就可以发生氧化反应，但由于温度较低，反应强度相对较弱，CO产生速率比较缓慢。当温度达到70 ℃时，CO体积分数增大趋势出现加速的迹象，表明此时该煤样开始发生比较明显的氧化反应。110 ℃时，CO体积分数增大，速率明显加速，表明此时煤开始发生激烈的氧化反应，煤氧反应进入快速反应阶段。

由图4可以看出，五里堠煤矿3号煤层煤自燃过程中，CO2体积分数变化规律与CO类似，再次整体随温度的升高而增大。70 ℃之前，CO2体积分数的增大趋势较为缓慢；超过70 ℃后，CO2体积分数增速增大；达到100 ℃后，CO2体积分数进一步增大，其增大趋势再次出现明显加速，根据前面的分析，主要是煤氧反应强度进一步加剧，煤氧化进入快速反应阶段。

1.3.2 C2H4和C2H6气体

五里堠煤矿3号煤层煤自燃氧化过程中，产生C2H4和C2H6气体，其气体产生规律及体积分数变化情况如图5、图6所示。

图5 C2H4体积分数随温度变化曲线

由图5可以看出，在实验初始阶段，五里堠煤矿3号煤层原始煤层没有C2H4气体产生，当煤温达到110 ℃时，煤的氧化反应加剧，煤分子开始有明显的侧键断裂的迹象，发生高温裂解，开始产生微量的C2H4,体积分数约为0.63×10-6,然后随着温度的升高逐渐增大，主要是此时煤氧化进入快速反应阶段，裂解作用得到显著强化。

图6 C2H6体积分数随温度变化曲线

由图6可以看出，实验初始阶段(30 ℃)出现了C2H6,体积分数约2.77×10-6,随后开始快速增大，在170 ℃之后，C2H6体积分数达到221×10-6.C2H6的解吸温度较高。另一方面温度较高时，煤氧反应强度增大，煤分子不稳定侧链的断裂加速，产生了部分C2H6,而当温度继续升高至130 ℃以后，煤氧化反应进一步加速，C2H6产生速率进一步增大。测试结果表明，原始煤层中没有或含有微量的C2H6,由于风流的稀释作用，常温下不易检测到微量的C2H6.

1.4 格氏火灾系数及气体产物比值

1) 格氏火灾系数。

煤在氧化自燃的过程中，由氧化生成的CO2体积分数增量、CO体积分数增量和O2体积分数减量进行计算来评价煤自燃危险程度的系数即格氏火灾系数。其采用气体变化量之间的比值进行评价，排除了工作面及采空区漏风稀释等外在因素对煤自燃危险判定的影响[12]。格氏火灾系数R2、R3计算如公式(2)和公式(3)。

R2=+△CO/(-△O2) (2)

R3=+CO/(+△CO2) (3)

根据公式(2)和公式(3)计算得到格氏火灾系数R随煤氧化温度升高曲线如图7所示。

图7 煤低温氧化过程中的格氏火灾系数

由图7可知，煤样低温氧化阶段格氏火灾系数R2随煤的氧化温度升高表现为波动上升趋势，在90 ℃之前，由0.001 5增长到0.034 6的第一个极大值点，之后转为波动下降，在110 ℃和130 ℃,分别达到了一个极小值点。之后转为增大趋势，在170 ℃增大到0.167 88.煤自燃格氏火灾系数R3随煤氧化温度升高为逐渐增长趋势，分别在60 ℃和130 ℃出现了两个极大值(0.441 3,0.813 8),在70 ℃和150 ℃出现了两个极小值(0.104 2,0.535)。在120 ℃以后都随着煤温的升高而逐渐增大，表明裂解温度后煤样氧化反应速率加快。当煤温达到130 ℃以后，煤氧反应速率急剧加快，R2值和R3值呈快速增长趋势。

2) φ(C2H4)/φ(C2H6)比值。

链烷比是用来研究温度和指标气体的体积分数关系的重要依据，它能克服单一指标气体受到气流和其他环境影响，造成对自燃风险判定准确性降低的问题，如图8所示。

图8 煤氧化过程中φ(C2H4)/φ(C2H6)比值

由图8可知，由于煤氧化升高到110 ℃时才产生了C2H4,煤氧化温度高于110 ℃时，方可计算得到φ(C2H4)/φ(C2H6)比值；其比值随煤的反应温度升高呈现为单调上升的趋势。随煤氧化温度升高，φ(C2H4)/φ(C2H6)比值由0.017 2逐渐增大到0.080 9.φ(C2H4)/φ(C2H6)比值可以作为煤自燃过程自燃风险等级的判定。

2、煤自燃分级预警体系及阈值确定

根据五里堠煤矿煤自燃指标气体产生情况及其随煤氧化温度升高的变化特征，通过实验和现场数据对接，提出了使用CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6五个关键指标，可实现五里堠煤矿煤自燃温度的准确表征，确定了五里堠煤矿3号煤层自燃分级预警阶段，预警指标阈值R0={O2>18%∩CO>10×10-6}∪{O2∈(15%,18%)∩CO>20×10-6}∪{O2∈(12%,15%)∩CO>50×10-6}∪{O2<12% ∩CO>80×10-6},如表2所示。

表2 煤自燃分级预警温度范围及气体指标临界值

在采空区O2体积分数大于18%且CO体积分数大于5×10-6,O2体积分数介于15%到18%之间且CO体积分数大于10×10-6,O2体积分数介于12%到15%之间且CO体积分数大于18×10-6,O2体积分数小于12%且CO体积分数大于25×10-6时，为预警初值。采用试验与实测数据相结合的方法，建立可准确表征煤自燃温度的5种指标(CO、O2、ΔCO/ΔO2、C2H4、C2H4/C2H6),以此为基础确定了煤自燃分级预警等级及临界值，实现煤自燃风险分级预警，为煤自燃早期防治提供技术支持。

3、结语

1) 通过实验测试得到五里堠煤矿3号煤层煤在低温氧化阶段的耗氧速率、CO、C2H4和C2H6等随煤氧化温度的升高呈不断增长的变化规律，并确定了关键指标C2H4出现温度为110 ℃.

2) 确定了五里堠煤矿采空区煤自燃预测主要指标气体为CO和C2H4,并将格氏火灾系数R2、R3和C2H4/C2H6作为辅助煤自燃预测指标。

3) 根据五里堠煤矿3号煤层煤自燃预测指标并结合工作面现场实际情况，将煤自燃预警阶段分为5个反应阶段，确定了“灰、蓝、黄、橙、红”5个预警等级及预警指标阈值，并在五里堠煤矿3号煤层工作面进行了应用，为矿井自燃火灾早期监测预警提供了指导。

参考文献:

[1]郑立永,田中华,朱红金,等.浅埋特厚煤层采空区煤自燃危险区域立体分布特性研究[J].煤炭工程,2023,55(9):79-84.

[2]王福生,孙玮,张渝,等.过渡金属离子促进煤自燃机理的量子化学计算[J/OL].煤炭学报:1-14[2023-8-17].https://link.cnki.net/urlid/11.2190.td.20230816.1310.002.

[3]郝天轩,张龙龙,李帆,等.基于主成分分析的煤自燃标志气体优选[J].煤炭技术,2023,42(10):176-181.

[4]汪伟,崔欣超,祁云,等.基于SSA-RF的采空区煤自燃温度回归分析模型[J].中国安全科学学报,2023,33(9):136-141.

[5]丁徐琴,张雷林.氧气体积分数对煤自燃特性影响的实验研究[J].煤矿安全,2023,54(7):156-162.

[6]张玉涛,杨杰,李亚清,等.煤自燃特征温度与微观结构变化及关联性分析[J].煤炭科学技术,2023,51(4):80-87.

[7]郭庆,任万兴,陆伟,等.回采工作面煤自燃气体演化规律及危险区域划分[J].煤炭学报,2023,48(S2):647-656.