采場自燃發(fā)火危險(xiǎn)預(yù)測方法與控制原理研究
關(guān)鍵詞 綜采 漏風(fēng) 自燃 注氮 防滅火
PREDICTION AND CONTROL OF SPONTANEOUS
COMBUSTION IN WORKING FACES
Luo Xinrong Jiang Shuguang Li Zenghua
(China University of Mining Technology)
Zhang Yingdi Xu Boyun Wang Chunyao
(Dongtan Coal Mine)
Abstract:Measured ventilation resistance and isobar in mining areas,the leakage rate in intake goaf and the distribution of air leakage in mining areas were determined by instantaneous and steady liberation of trace gas SF6.Gas concentration and temperature are measured and three oxidation areas in goaf are determined.According to oxidation experiment of coal and in-situ measurements,the CO and CO2 can be produced largely by coal and oxygen combination at ambient temperature and the temperature of coal and rock in goaf can rise 10℃ due to heat produced by coal and oxygen combination.The analysis shows that the conditions of the nitrogen-injection modeling can be well satisfied if hydrodynamic similarity is pledged to the model.The research shows that nitrogen injection is noneffective for a 200 m long goaf and that there is a great danger of spontaneous combustion because of air leakage for pillarless mining.It is very important to inject nitrogen at the location of air leakage and to take the measures of blocking leakage and eliminating pressure difference.
Keywords:Fully-mechanized mining,Air leakage,Spontaneous combustion,Nitrogen injecting,F(xiàn)ire
東灘煤礦井深710m,地溫30~33℃,主采3號煤層自燃發(fā)火嚴(yán)重,屬一級自燃危險(xiǎn)礦井。近年來,東灘煤礦推行綜采放頂煤新工藝,年產(chǎn)量從220萬t提高到540萬t,實(shí)現(xiàn)了綜放面高產(chǎn)高效。綜放面采用后退式“U”型通風(fēng),實(shí)行無煤柱開采。采場進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷及采空區(qū)與鄰近老空區(qū)連成一片,構(gòu)成復(fù)雜的漏風(fēng)形式,直接影響采空區(qū)氧化三帶的分布及其自燃發(fā)火性。綜放面順槽沿底板掘進(jìn),有些地方頂煤離層或冒落嚴(yán)重。工作面“兩道”和端頭支架不放煤,使采空區(qū)“兩道”遺留6~8m寬、3~6m厚的浮煤。一次采高2.8m,放頂煤3~6m,使采空區(qū)一次冒落區(qū)增大,遺煤增多,采場漏風(fēng)增大。工作面順槽和相鄰采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)大。通過測定采場通風(fēng)等勢圖及漏風(fēng)、采空區(qū)氧化三帶和采空區(qū)注氮模擬實(shí)驗(yàn)、煤炭氧化自燃模擬實(shí)驗(yàn),查清了東灘煤礦綜放面采空區(qū)余煤氧化三帶范圍及自燃發(fā)火危險(xiǎn)性,制定了合理的控制方法,保障了綜放面高產(chǎn)高效。
1 綜放面采場通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等勢圖與漏風(fēng)研究
采場內(nèi)部漏風(fēng)與煤炭自燃有著密切的聯(lián)系。因此,確定綜放面采場區(qū)域通風(fēng)阻力分布及等勢圖和采空區(qū)的漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯及漏風(fēng)量大小,對防治自燃火災(zāi)具有重要意義。綜放面通風(fēng)系統(tǒng)見圖1。根據(jù)通風(fēng)阻力數(shù)據(jù)繪制了綜放面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等勢圖2。
漏風(fēng)測定方法普遍采用釋放示蹤氣體SF6技術(shù)。釋放SF6有兩種方法:一種是在巷道或采空區(qū)瞬時(shí)釋放SF6,定點(diǎn)定時(shí)采取氣樣分析SF6的濃度,確定風(fēng)流的運(yùn)動(dòng)軌跡。另一種是在巷道或工作面連續(xù)定量釋放SF6,定點(diǎn)定時(shí)采取氣樣分析SF6濃度,確定漏風(fēng)量的大小。管道內(nèi)定點(diǎn)的SF6濃度與時(shí)間的關(guān)系近似對數(shù)正態(tài)分布曲線〔1〕
(1)
式中 CM—SF6峰值濃度;t0—SF6峰值濃度到達(dá)定點(diǎn)x0時(shí)間,min;σ—方差??捎梅逯禎舛鹊竭_(dá)管道定點(diǎn)x0的時(shí)間t0計(jì)算漏風(fēng)速度V=x0/t0。
圖1 綜放面通風(fēng)系統(tǒng)圖
東灘煤礦4302綜放面的主要漏風(fēng)源是工作面的進(jìn)風(fēng)區(qū)域,主要漏風(fēng)匯在工作面的回風(fēng)區(qū)域。為了檢測漏風(fēng)風(fēng)速,采用在進(jìn)風(fēng)巷瞬時(shí)釋放SF6技術(shù),在采空區(qū)布置2個(gè)采樣點(diǎn)。定時(shí)采取氣樣分析SF6氣體濃度。獲得了三條比較理想的SF6在采空區(qū)的彌散曲線圖3。對于采面進(jìn)風(fēng)隅角的漏風(fēng)可視為不完全的點(diǎn)漏風(fēng)源。SF6峰值濃度所經(jīng)過的路程S與時(shí)間t的關(guān)系可用下式表示:
S=atn (2)
將實(shí)測數(shù)據(jù)代入上式S、t,得
S=4.24t0.553 (3)
漏風(fēng)風(fēng)速為
(4)
圖2 綜放面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等勢圖
圖3 SF6氣體在采空區(qū)的彌散曲線
圖4 綜放面風(fēng)量分布曲線
綜放面一次采全高。在工作面周期來壓步距的采空區(qū)范圍內(nèi),存在較大的空隙。形成主要的漏風(fēng)通道。采用連續(xù)定量釋放SF6技術(shù),在工作面定點(diǎn)定時(shí)采樣分析SF6濃度,便可以確定漏風(fēng)量的大小。4302綜放面釋放SF6點(diǎn)和采樣點(diǎn)的布置見圖4。采空區(qū)漏風(fēng)量占綜放面進(jìn)風(fēng)量的17%,達(dá)144m3/min。
2 采空區(qū)煤炭氧化三帶分析
采空區(qū)煤炭氧化三帶可以在采空區(qū)布置測點(diǎn),采樣分析氣體成分和測定采空區(qū)煤炭氧化溫度來確定。測點(diǎn)布置見圖1。測定系統(tǒng)由采樣束管和氣相色譜儀組成。分析的氣體成分:O2、CO、CO2、CH4等烴類氣體。采空區(qū)煤炭氧化溫度采用AD590溫度傳感器及配套的測溫儀表來測定。根據(jù)實(shí)測綜放面采空區(qū)氧濃度,劃分了4302綜放面采空區(qū)氧化三帶圖5。采空區(qū)的氧化散熱帶≤10~30m,可能自燃帶范圍15~120m。綜放面采空區(qū)氧化三帶的范圍是在特定的漏風(fēng)源匯及漏風(fēng)風(fēng)壓條件下形成的,當(dāng)漏風(fēng)源匯及風(fēng)壓發(fā)生變化時(shí),其氧化三帶也要隨之變化,但氧化三帶與漏風(fēng)源匯及漏風(fēng)風(fēng)壓關(guān)系的變化規(guī)律應(yīng)該是相同的。
圖5 綜放面采空區(qū)氧化三帶
圖6 綜放面采空區(qū)溫度等值線圖
采空區(qū)溫度實(shí)測結(jié)果的等值線見圖6。在氧化散熱帶,溫度由28~32℃上升到36~34℃。進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)溫度由28℃上升到36℃,而回風(fēng)側(cè)由32℃升到34℃。溫度上升梯度高于可能自燃帶和窒息帶。進(jìn)入可能自燃帶后溫度升高比較平緩,說明煤炭氧化速度比較緩慢,處于潛伏期或自熱前期。進(jìn)入窒息區(qū)后,溫度開始下降。這說明綜放面在正常推進(jìn)速度(80~100m/月)下采空區(qū)不會(huì)自燃發(fā)火。
采空區(qū)的一氧化碳濃度隨進(jìn)風(fēng)的采空區(qū)深度增加,由0逐漸上升,在50~60m處達(dá)到最大值280PPM,此后又緩慢下降,到達(dá)窒息區(qū)后仍有CO出現(xiàn)。這就造成了4302綜放面回風(fēng)隅角始終有一氧化碳20~120PPM,回風(fēng)流也經(jīng)常出現(xiàn)一氧化碳2~10PPM。
圖7 綜放面采空區(qū)甲烷濃度及其分布
上圖:立體圖;下圖:等值線圖
圖8 綜放面采空區(qū)二氧化碳濃度及其分布
上圖:立體圖;下圖:等值線圖
3 煤炭氧化自燃模擬試驗(yàn)與自由基反應(yīng)機(jī)理
對東灘煤礦煤樣進(jìn)行恒溫(30℃)和升溫(30~290℃)條件下氧化自燃模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖9。分析煤炭在不同溫度下氧化氣體產(chǎn)物及氧化能力。探討煤炭氧化過程的標(biāo)志性氣體及自燃機(jī)理。試驗(yàn)煤樣分別取自3號煤層的上分層(1號試樣)和下分層(2號試樣)。試驗(yàn)結(jié)果表明,東灘煤礦煤樣在常溫下具有強(qiáng)烈的氧化能力。產(chǎn)生大量的一氧化碳(見圖10)。在30℃常溫下,便產(chǎn)生高達(dá)75PPM濃度的一氧化碳,在24h的通氣時(shí)間內(nèi),一氧化碳濃度始終高于30PPM。1號和2號煤樣的著火溫度分別為275、265℃。出現(xiàn)乙烯(C2H4)溫度為80~100℃。出現(xiàn)其它重?zé)N氣體的溫度更高。乙烯可作為東灘煤礦煤炭自燃早期預(yù)報(bào)的標(biāo)志性氣體。
煤炭常溫下氧化模擬試驗(yàn)和自由基反應(yīng)機(jī)理可以很好地解釋東灘煤礦煤炭在常溫下氧化產(chǎn)生大量的一氧化碳。自由基(游離基)就是含有未成對電子的分子或分子碎片。氧氣分子就是最常見的一種自由基,具有兩個(gè)未成對電子。煤是一種有機(jī)巖大分子物質(zhì)。在外力作用下煤體破碎,產(chǎn)生大量裂隙,必然造成煤分子的斷裂。分子鏈斷裂的本質(zhì)是鏈中共價(jià)鍵的斷裂,從而生成大量自由基。當(dāng)有氧氣存在時(shí),則會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)。煤中自由基與O2反應(yīng),生成過氧化物自由基,放出熱量,使煤溫緩慢上升。并使過氧化物自由基進(jìn)一步反應(yīng),生成CO、CO2、烴類等氣體。同時(shí)生成新的自由基。在供氧充足,持續(xù)蓄熱條件下,反應(yīng)熱量使煤溫大幅度升高,導(dǎo)致煤炭自燃。在一定溫度下,煤發(fā)生裂解反應(yīng),生成烷烴和烯烴氣體〔2〕。煤炭自燃的自由基反應(yīng)機(jī)理假說,能夠很好地解釋下列現(xiàn)象:①采空區(qū)余煤在常溫下接觸O2,便能產(chǎn)生大量的CO;②在煤層中打鉆,鉆孔煤壁及碎煤與O2接觸,也會(huì)產(chǎn)生CO;③綜采面采煤機(jī)工作時(shí),回風(fēng)流中CO濃度增加3~10PPM,在剛采下煤堆中,CO濃度高達(dá)20~200PPM。
圖9 煤樣氧化自燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)
圖10 煤樣30℃氧化生成一氧化碳曲線
4 綜放面采空區(qū)模型注氮模擬試驗(yàn)研究與分析〔5〕
注氮防滅火技術(shù)在國內(nèi)外已有不少成功的經(jīng)驗(yàn)和考察結(jié)果。有的工作面只有32m長,注氮流量200~300m3/min,才能有效地防治自燃火災(zāi)。對于采深大于600m,工作面長超過200m的綜放面,由于現(xiàn)場技術(shù)條件限制,難以進(jìn)行實(shí)測考察。因此采用現(xiàn)場調(diào)研,實(shí)驗(yàn)室注氮模擬試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬綜放面采空區(qū)注氮后的氧、氮分布規(guī)律是考察注氮效果,優(yōu)化注氮位置與注氮流量的有效途徑與方法。
綜放面采空區(qū)是一個(gè)三維空間,注氮后的采空區(qū)氮?dú)夥植寂c注氮位置、流量,采空區(qū)滲流場分布和幾何空間等因素有關(guān)。其中注氮位置與流量可在一定的范圍內(nèi)調(diào)整,是待優(yōu)化的參數(shù)。采空區(qū)滲流場分布與綜放面兩端的通風(fēng)壓差和采空區(qū)碎脹巖石(多孔介質(zhì))的壓實(shí)程度有關(guān),還與漏風(fēng)源匯的分布密切相關(guān)。采空區(qū)的幾何空間參數(shù)(如長度、冒落帶高度、周期來壓步距等)是固定的或周期變化的,可視為常量。為使模型試驗(yàn)結(jié)果能夠推廣應(yīng)用于實(shí)際情況,必須保持模型與原型綜放面之間的流體動(dòng)力現(xiàn)象相似,包括幾何相似,運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。
幾何相似,通過調(diào)換采空區(qū)的充填材料,便可模擬各種工作面情況,可以保證幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似。動(dòng)力相似,要保證采空區(qū)的流體動(dòng)力相似。同時(shí)兼顧工作面風(fēng)流的動(dòng)力相似。根據(jù)流體力學(xué)原理〔4〕,作用在流體上的力主要有壓力、重力、粘性力和慣性力等,它們組成三個(gè)動(dòng)力相似的準(zhǔn)則數(shù)和一個(gè)流體動(dòng)力彌散的相似準(zhǔn)數(shù):即雷諾準(zhǔn)數(shù)Re=,歐拉準(zhǔn)數(shù)富勞德準(zhǔn)數(shù)貝克列準(zhǔn)數(shù)其中:ρ—流體密度;V—流速;μ—粘度;d—調(diào)和直徑;P—壓力;g—重力;L—流場特征長度;D—分子擴(kuò)散率;T—多孔介質(zhì)彎曲率。顯然,保證上述四個(gè)準(zhǔn)數(shù)同時(shí)滿足相似條件是困難的。必須分析簡化。在近水平采場風(fēng)流運(yùn)動(dòng)過程中,可以認(rèn)為Fr準(zhǔn)數(shù)自動(dòng)滿足相似條件。
采空區(qū)近似層流運(yùn)動(dòng),流動(dòng)阻力與雷諾數(shù)有關(guān),因此,必須保證雷諾數(shù)和歐拉數(shù)相等。經(jīng)過分析得到
(5)
其中是壓力梯度,下標(biāo)m為模型參數(shù),下標(biāo)p為原型參數(shù),-0.3為綜放面實(shí)測參數(shù)。
顯然,在Re、Eu滿足相似條件的情況下,Pe自動(dòng)滿足相似條件。工作面風(fēng)流處于紊流狀態(tài)。流動(dòng)阻力與雷諾數(shù)無關(guān),只與工作面煤壁與支架的相對粗糙度有關(guān)。因此,工作面風(fēng)流的動(dòng)力相似只要支架模型和采高按比例縮小即可。
注氮系統(tǒng)由高壓氣瓶、減壓閥、穩(wěn)壓閥、穩(wěn)流調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)及注氮管路組成(見圖11)。經(jīng)過二級穩(wěn)壓、一級穩(wěn)流后,注氮流量穩(wěn)定。且連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)范圍10~600ml/min。模型注氮流量與原型注氮流量比等于幾何相似比的立方數(shù)量數(shù)。實(shí)際模型注氮流量(Q)m=15ml/min。相當(dāng)于原型(Q)p=15m3/min=900m3/h。最后加大注氮流量,考察大流量的惰化效果以及工作面泄漏的氮?dú)饬颗c注氮流量的關(guān)系。加大的注氮量分別為:(Q)m=150ml/min;(Q)m=515ml/min。相當(dāng)于原型綜放面的注氮流量:(Q)p=150m3/min=9000m3/h;(Q)p=515m3/min=30900m3/h。
圖11 綜放面采場注氮模型
圖12 綜放面采空區(qū)壓力等值線
本模型做了6次采空區(qū)流場的壓力和采面漏風(fēng)測定。將壓力轉(zhuǎn)換為無量綱壓力。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)處理后,得到綜放面采空區(qū)無量綱壓力等值線圖12。在模型上做了8次注氮模擬試驗(yàn),共測得了7次注氮后模型采空區(qū)氧、氮濃度分布。第一次注氮流量5ml/min。連續(xù)注氮48h后,模型采空區(qū)的氧、氮濃度無明顯變化。第二次注氮流量15ml/min。連續(xù)注氮48h。第三、四、五次的注氮流量150ml/min,注氮時(shí)間不等。第六、七、八次的注氮流量515ml/min,注氮時(shí)間不等。當(dāng)注氮流量增大時(shí),風(fēng)流排氮量占注氮量的30%~90%。因此,加大注氮量和注氮時(shí)間會(huì)導(dǎo)致注氮損失增加。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。得到了東灘煤礦綜放面采空區(qū)注氮后氧濃度減少量的分布等值線圖13。從圖形上可以看到:對于綜放面長度200m、可能自燃帶為80m的采空區(qū):當(dāng)①注氮流量QN2=900m3/h,靠近采空區(qū)底板的氧化散熱帶,氧濃度減少量在0.5%以下。可能自燃帶的氧濃度減少量在0.5%~1.5%之間。靠近注氮口的20m范圍,氧濃度減少2%~4%。在采空區(qū)頂板15m的氧濃度減少量比底板約多0.5%。表明了氮?dú)獾纳细⌒?yīng)?;仫L(fēng)流排氮量約占注氮量的20%。②注氮流量QN2=9000m3/h,氧化散熱帶的氧濃度減少量在1%以下,可能自燃帶的氧濃度減少量在1%~2.5%之間。風(fēng)流排氮量占注氮量的36%~70%。③注氮流量QN2=30900m3/h,氧化散熱帶的氧濃度減少量在2%左右。可能自燃帶的氧濃度減少量在3%~7%?;仫L(fēng)流排氮量占注氮量的80%~90%。
圖13 綜放面采空區(qū)注氮后氧濃度減少量的分布等值線圖
5 結(jié) 論
(1)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)等勢圖對分析采場漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯的分布具有重要的指導(dǎo)意義。采用對數(shù)分布曲線方程式描述瞬態(tài)釋放示蹤氣體SF6在風(fēng)流中的運(yùn)動(dòng)軌跡是可行的。綜放面進(jìn)風(fēng)隅角及采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)速V=7.52S-0.808。綜放面采場漏風(fēng)率為17%。
(2)根據(jù)東灘煤礦綜放面采空區(qū)氣體成分和漏風(fēng)風(fēng)速的實(shí)測分析,采空區(qū)氧化散熱帶≤10~30m,可能自燃帶范圍15~120m。氧化散熱帶溫度平均上升5℃,溫度梯度最大??赡茏匀紟囟绕骄仙?℃,溫度梯度平緩。窒息帶溫度下降,溫度梯度為負(fù)值。
(3)常溫下破碎煤-氧自由基反應(yīng)生成大量的CO和CO2,所產(chǎn)生的熱量使采空區(qū)煤巖溫度升高10℃左右。因此,回風(fēng)隅角和回風(fēng)流中出現(xiàn)常規(guī)濃度的CO(回風(fēng)隅角≤100PPM,回風(fēng)流≤10PPM),不應(yīng)認(rèn)為采空區(qū)出現(xiàn)煤炭自燃。也不影響工作面正常生產(chǎn)。當(dāng)回風(fēng)隅角和回風(fēng)流中持續(xù)出現(xiàn)異常濃度的CO時(shí),則應(yīng)警惕采空區(qū)煤炭自燃,采取必要的防范措施。
(4)保證模型綜放面采空區(qū)流體動(dòng)力相似,便可滿足采空區(qū)注氮模擬條件。目前移動(dòng)式制氮機(jī)組的單機(jī)制氮能力,難以滿足200m長綜放面采空區(qū)惰化要求。只當(dāng)注氮流量達(dá)到30000m3/h(相當(dāng)于32m長的綜放面采空區(qū)注氮流量300m3/h)時(shí),能取得很好的惰化效果,但氮?dú)怆S風(fēng)流的損失高達(dá)80%以上。
(5)根據(jù)實(shí)測分析,無煤柱開采的綜放面月推進(jìn)度大于80m時(shí),采空區(qū)無自燃發(fā)火危險(xiǎn)。而鄰近老空區(qū)的漏風(fēng)及自然發(fā)火危險(xiǎn)大。應(yīng)在漏風(fēng)源處注氮,配合堵漏和均壓等措施,徹底惰化漏風(fēng)源。
〔作者簡介〕 羅新榮 中國礦業(yè)大學(xué)采礦系副教授 中國煤炭勞保學(xué)會(huì)礦井瓦斯防治專業(yè)委員會(huì)委員 中國煤礦安全裝備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)粉塵分標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)委員 先后承擔(dān)了江蘇省和國家自然科學(xué)基金 煤炭部和國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目以及橫向科研項(xiàng)目十余項(xiàng)工作 從事礦井通風(fēng)降溫 瓦斯防治 防滅火和監(jiān)測儀器儀表的科研與教學(xué)工作 發(fā)表論文30余篇 題頭照片羅新榮
張迎第 高級工程師 現(xiàn)任東灘煤礦總工程師 先后主持了國家“九五”攻關(guān)等項(xiàng)目十余項(xiàng) 發(fā)表論文多篇
羅新榮(中國礦業(yè)大學(xué) 徐州221008)
蔣曙光(中國礦業(yè)大學(xué) 徐州221008)
李增華(中國礦業(yè)大學(xué) 徐州221008)
張迎第(東灘煤礦 鄒城273512)
許波云(東灘煤礦 鄒城273512)
王春耀(東灘煤礦 鄒城273512)
參考文獻(xiàn)
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