崇信县百贯沟煤业防火研究报告.doc
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1、目 录1. 矿井概况12. 立项背景与项目目标12.1 研究目的与意义12.2 研究内容与目标23. 1503综放面煤层自燃特性参数实验33.1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测33.1.1 基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性测定33.1.2 煤层最短自然发火期预测73.2 煤层自燃指标气体实验83.2.1 指标气体优选原则93.2.2 实验设备93.2.3 实验过程93.2.4 实验结果及分析103.3 本章小结134. 1503综采工作面自燃危险区域判定研究134.1 1503综采工作面概况134.1.1 工作面位置及井上下关系134.1.2 煤层赋存特征及煤质情况144.1.3 地质构造
2、及水文地质情况144.1.4 巷道布置、采煤方法及通风系统154.2 采空区自燃“三带”研究意义154.3 采空区自燃“三带”划分标准164.4 半导体测温与束管取样分析系统建立184.5 采空区测温取样数据分析214.5.1 采空区温度实测数据214.5.2 采空区取样分析数据244.5.3 “三带”分布分析354.6 本章小结385. 采空区隐蔽火源发展规律CFD技术模拟395.1 基于采空区氧气浓度场CFD模型的自燃危险区域模拟395.2 采空区隐蔽火源与气体产物运移规律模拟445.3 本章小结476. 煤火预防、预报、应急与综合治理技术体系构建研究486.1 概述486.2 易燃煤层开
3、采煤火预防技术496.2.1 易燃煤层开采煤火特点剖析496.2.2 易燃煤层开采煤火规律分析516.2.3 综放面煤火预防重点526.2.4 巷道掘进期间防火技术536.2.5 综放面生产期间防火技术556.2.6 综放面停采时防火技术576.2.7 综放面临时停采防火技术586.3 易燃煤层开采煤火早期预报、应急与综合治理技术586.3.1 煤火早期预报概述586.3.2 指标气体选取596.3.3 巷道自然发火早期预报606.3.4 综放面自然发火监测及早期预报646.3.5 综放面封闭期间和闭墙内火灾气体检测及预报656.3.6 煤火应急与综合治理技术体系构建676.4 本章小结73I
4、II1. 矿井概况崇信县百贯沟煤业有限公司位于甘肃省平凉市崇信县新窑镇及黄花乡境内,距崇信县城西南约27km,其地理坐标为东经351012.017351222.336,北纬1065801.9171070150.493。矿区有四级公路向南至梁家胡同与崇(信)大(湾岭)公路相接,由此东至崇信县城27km,向西至大湾岭23km与宝(鸡)平(凉)公路相接,由大湾岭向北距安口南站11km,距平凉市70km,向南距陕西省宝鸡市中心约124km,交通便利。矿区井田走向长6.3km,倾斜长1.7km,井田面积约7.57km2。井田内主要可采煤层为煤5,局部可采煤层为煤3,储量中心在井田中部,共有地质储量761
5、2万t,可采储量4233万t。矿井设计生产能力为0.6Mt/a,矿井服务年限为50.4a。矿井开拓方式为斜井开拓,新开主井、副井,原混合井、风井作为风井一并使用。井下设一个开拓水平800m水平,上、下山开采。全矿共划分为4个采区,矿井投产时首采区布置有一个综采放顶煤工作面(煤5)。矿井通风采用中央并列抽出式通风方式,风井地面装配有FBD18防爆对旋轴流式主要通风机(装置)2台,适配电机功率275kw。作为矿井通风的主要动力,2台风机其中1台运转、1台备用。根据矿井瓦斯鉴定等级,百贯沟煤业属于瓦斯矿井,煤层自然发火倾向性自燃等级为类,属于自燃煤层,煤尘具有爆炸危险性。2. 立项背景与项目目标2.
6、1 研究目的与意义煤层自燃火灾是煤矿生产的主要灾害之一,据统计,我国国有煤矿每年因火害而封闭的采煤工作面均在100个以上,而被封在每个火区内的装备损失均达数千万元,且大量的煤炭资源因火害而被冻结。特别是近十多年来,随着我国综合机械化采煤技术的推广,其煤炭产量和效益得到了大幅度地提高。但是,与此同时,由于综采(放)技术具有一次性开采强度大,采空区遗留残煤多特点,加之受到机电设备功率数大、散热量多,开采深度大、放热强度高而引起采空区温度升高,以及一些孤岛、无煤柱等开采技术造成的采空区相互连通、漏风通道复杂等多种不利因素影响,致使矿井煤火频繁发生。其不仅极大地制约了矿井高产高效技术的发展,更为严重者
7、因为火害则可能引燃瓦斯煤尘爆炸或火烟毒化矿井,酿成重大恶性事故,而又严重地威胁着矿井的安全生产和井下人员的生命安全。然而,煤层自燃不同于外因火灾,外因火灾火势发展迅猛,很快就会形成大火,在矿井实际生产条件下,几乎没有处理火灾的缓冲期。而自燃(内因)火灾的形成是一个缓慢氧化蓄热过程,发现煤体暴露面处有自燃征兆,在未形成外因火灾之前,仍有一定的缓冲时间对火区进行控制和治理,如果能很好地利用这段时期控制和熄灭火区,将起到事半功倍的效果;而一旦错过这段控制火势的良好时机,高温区将会急剧发展,处理火区的工作条件将会迅速恶化。因此,开展对百贯沟煤业易燃煤层开采自然发火规律及防治体系构建的技术研究,对于确保
8、矿井安全、高产、高效和集约化生产,无疑具有十分重要的现实意义。2.2 研究内容与目标 易燃煤层自燃特性参数实验研究实验研究百贯沟煤业长走向采煤工作面煤层自燃特性基础参数、绝热氧化温升特性、不同氧化阶段煤炭自燃的气体产物成分和浓度变化规律,确立煤层自燃的指标气体、建立煤层自燃的预测预报体系。同时,以煤的自燃氧化动力学测定方法为基础,确定易燃煤层的自然发火期时间。 1503综采工作面自燃危险区域判定研究通过在1503综采工作面采空区内埋设温度传感探头测温和铺设束管取样分析,研究采空区内遗煤的自燃氧化过程,进而判断1503综采工作面在实际条件下采空区自燃“三带”的分布规律及其自燃危险区域的范围和形态
9、等。 采空区隐蔽火源发展规律模拟研究通过CFD模型技术,模拟研究采空区火源位置与气体运移范围之间的关系。 易燃煤层开采防灭火技术体系构建研究研究构建适合于百贯沟煤业易燃煤层开采的煤火预防、预报、应急与综合治理的一整套防灭火技术体系。即结合各类防灭火技术的不同特点,对自燃危险区域进行预防性处理;当预防体系失效后,根据煤层自燃初期的物理与化学变化产生的效应,利用温度分析法和束管气体分析法对煤层自燃进行早期预报。预报准确,就能及时准确地把自燃隐患点消除,一旦预报失败,就将形成自燃火灾。因此,就必须采用快速有效的应急技术,对自燃隐患点进行迅速处理,以便为自燃火灾的综合治理赢取时间,最终彻底扑灭煤火,抑
10、制煤层自燃次生灾害的发生,减少火害给矿井带来的损失。3. 1503综放面煤层自燃特性参数实验煤层自燃是由于煤与氧接触氧化放出热量,在一定的蓄热条件下,氧化放出的热量被积聚,当热量的积聚能够满足煤的自燃发展需要时,煤体温度便会不断上升,最终导致其自燃。其过程的发展是一个极其复杂的动态变化过程,它主要取决于煤的氧化放热特性、供氧条件及蓄散热环境。因此,为了摸清百贯沟煤业煤层自然发火机理,本课题首先于实验室对1503综放面煤层煤样开展了以下一系列实验研究。3.1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测3.1.1 基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性测定 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法原理近年来,中国矿业大
11、学提出了煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法,并作为标准AQ/T10682008煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法,通过对许多矿区的大量煤样进行了测定。其结果表明,该方法测定原理科学、鉴定结果更为符合实际。实际上,该方法原理是基于煤低温氧化复合反应和自由基链式反应的基本原理而提出来的。即煤自热过程包括低温氧化和快速升温阶段,经过大量不同煤种的自燃特性测试试验表明,如果仅采用某一阶段的一种指标,则难以较为全面地测试出煤的自燃特性。因此,必须采用低温氧化阶段的耗氧指标和快速升温阶段的交叉点温度指标来反映煤不同阶段的自燃特性。70出口氧气浓度反映70时温升速率的快慢,决定低温缓慢自热阶段氧化自热时间的长短
12、;交叉点温度的大小则主要反映了煤在快速氧化阶段的自燃特性。最后对这两个指标进行综合,从而确定出煤自燃倾向性的判定指数。 氧化动力学方法测定条件测试煤样粒度的选取煤低温缓慢氧化阶段耗氧量较低,选择合适试样的测试粒径对耗氧量的测试十分重要。粒径不宜太大,太大会影响煤与氧气接触的表面积,氧浓度变化不明显;同时也不宜太小,太小增加了氧气进入煤体的阻力,使空气流通不畅,影响测试的重复性。为了耗氧浓度的测试需要,同时考虑到煤样制取,该方法测试煤样的粒径为0.20.35 mm。煤样的干燥温度煤自燃倾向性体现的是煤本身自热的内在属性,不应受外在水分的影响,因此,待测煤样应为去除外在水分的空气干燥煤样。本方法煤
13、样的空气干燥温度选择为40 。供气流量的选取指标参数的测定过程中,不同阶段对应的供气浓度也不同。本方法初始阶段通入干空气流量为96mL/min,中间阶段通入干空气流量为8mL/min,后期程序升温阶段通入干空气流量则又调整为96mL/min。 中间测定结果中间测定结果如表31所示。表31 测定结果煤样名称煤样罐出口氧气浓度(70)/%交叉点温度Tcpt/1503面煤样18.54145.3 判定指数计算及最后结果煤自燃倾向性取决于煤在低温自热与加速氧化两个阶段的升温特性,这两个阶段的氧化机理和升温特性不同,两个阶段对煤自燃发展过程的促进作用也存在较大差异,即两者在对煤自燃的推动作用中的重要程度存
14、在差别。为了权衡两个阶段对煤自燃发展过程的不同影响程度,可引用权数对其进行区分。权数是指在综合指标中起着权衡轻重作用的指数,是权重的数值体现。重要程度高的指标参数,相应权数应大;而重要程度低的指标参数,相应权数则应小。将测试结果的两个指标参数按照其重要程度分别乘以相应权数再进行平均值处理,无疑有利于更好更全面地反映煤自身的氧化自燃特性。因此,在指标参数的合成过程中,正确地给定各指标参数的权数非常重要。常用的确定权数的方法有:根据经验确定; 根据测量次数确定;根据数据的精度参数确定。考虑到煤低温氧化阶段对于煤自燃过程的发展更为重要,根据试验结果与经验,低温氧化阶段的权数取0.6,快速氧化阶段的权
15、数取0.4。由于加法合成法能较好的体现出各评价指标之间的权重关系,故采用加法合成方法对这两个指标进行合成。依据加法合成法,煤自燃倾向性的综合判定指数计算式如下: (31) (32) (33)式中:I 煤自燃倾向性判定指数,无量纲; 煤样温度70 时煤样罐出气口氧气浓度指数,无量纲; 煤在程序升温条件下交叉点温度指数,无量纲; 煤样温度达到70 时煤样罐出气口的氧气浓度,%;Tcpt 煤在程序升温条件下的交叉点温度,;15.5 煤样罐出气口氧气浓度的计算因子,%;140 交叉点温度的计算因子,; 低温氧化阶段的权数,=0.6; 快速氧化阶段的权数,=0.4; 放大因子,=40;300 修正因子。
16、表32 煤自燃倾向性分类指标自燃倾向性分类判定指数容易自燃600自燃6001200不易自燃1200氧化动力学判定煤自燃倾向性分类指标如表32所示。利用上面公式进行计算,计算结果如表33所示。其结果显示,用氧化动力学方法鉴定结果为:百贯沟煤业煤层自然发火倾向性自燃等级为类,即属于容易自燃煤层。表33 氧化动力学方法判定结果煤样名氧化动力学判定指数I氧化动力学方法自燃等级自燃倾向性1503面煤样231容易自燃3.1.2 煤层最短自然发火期预测绝热氧化法是目前国内外普遍认为最准确、最能体现煤自身氧化能力强弱的一种测试方法。它通过最大程度地控制煤体与环境之间热量的交换,使煤体依靠自身的氧化产热升温,来
17、测试煤从40升到200所用的时间,它是在煤最易自燃的条件下模拟煤的自然发火过程。但是煤的绝热时间并不能代表煤的最短自然发火期,因为煤的自然发火期与煤样尺寸有关,绝热条件下的煤样尺寸通常小于矿井实际条件下的煤堆尺寸,导致绝热时间小于煤自然发火期,但是实验室绝热时间与现场煤的自燃性又有紧密联系,绝热时间越短,煤越容易自燃,发火期就越短,反之就越长。通过建立实验室绝热煤样与矿井最易自燃条件下煤堆自然发火的时间上度量模型,可以预测煤的最短自然发火期。因此提出以绝热氧化实验为基础,通过建立氧化动力学判定指标与煤最短自然发火期的之间的度量模型,通过煤自燃倾向性测试预测煤的最短自然发火期。按照标准测试方法,
18、对挑选的10个典型煤样进行氧化动力学测试和绝热氧化测试,采用数学分析软件对无量纲后的氧化动力学判定指数、绝热氧化时间数据进行曲线拟合,结果如下:曲线拟合数学模型为: (34)式中:I 判定指数,无量纲;T 绝热时间,h。因采用绝热氧化测试的小煤样与矿井条件下的大煤样在发火时间上还是有一定的差距,但它们之间有很好的相似性。于是,根据FK理论和大量不同尺寸煤样的基础实验数据分析,煤最短自然发火期的计算式为: (35)式中:Ts 煤最短自然发火期,h。综合(34)、(35)式得到: (36)于是,将百贯沟煤业1503面煤样的氧化动力学数据代入上式,预测得到:该煤5煤层最短自然发火期为15d。3.2
19、煤层自燃指标气体实验煤层自燃是一个极其复杂的物理、化学变化过程,是一个多变的自加速放热过程。在其自燃的不同温度下会出现不同种类和含量的气体,如CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8和C2H2等。根据煤自燃进程中的温升、气体释放等变化特征判识其自燃状态,对煤层自然发火进行识别并预警,是矿井火害预防与处理的基础,也是矿井火害防控与治理的关键。正因如此,它在矿井防灭火工作中,占有着极其重要的地位。因此,测试煤样自燃产生各种气体的顺序和浓度,正确找出煤层自然发火对应的指标气体,自然亦就成了百贯沟煤业煤层自然发火早期预报的前提条件。3.2.1 指标气体优选原则为了使得预报煤层自然发火更为及时
20、、准确,所选择的指标气体必须同时具备下列条件: 灵敏性:井下一旦出现有煤层自燃现象,且煤温超过一定值时,则该气体一定出现,其生成量随煤温升高而不断地稳定增加; 规律性:指标气体的浓度变化与煤温之间有较好的对应关系,且重复性好; 可测性:普通色谱分析仪能够分辨、检测到该指标气体的存在。3.2.2 实验设备指标气体实验系统如图31所示,其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。图32、图33为该实验系统的主要实物图。 图31 指标气体实验系统图 图32 温度控制箱实物图 图33 指标气体分析仪实物图3.2.3 实验过程对原煤样进行破碎并筛分出40
21、80目的煤样50g,将筛分出的50g煤样置于铜质煤样罐内,煤样罐置于程序控温箱内,然后连接好进气气路、出气气路和温度探头,检查气路的气密性。测试时,向煤样内通入50ml/min的干空气。在程序控温箱控制下对煤样进行加热,当达到指定测试温度时,恒定温度5min后采取气样进行气体成分和浓度分析。3.2.4 实验结果及分析 实验原始数据实验数据结果如表34所示。表34 百贯沟煤业1503综放面煤样指标气体程序升温实验数据温度/气体成分/ppmCOCO2CH4C2H4C2H6C2H2C3H830.00.13264.091.66 0.00 0.00 0.00 0.00 40.00.36 348.05 1
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