高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機理研究

楊勝強,秦 毅,孫家偉,蔣春林,倫嘉云

(1.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;3.中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116)

高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機理研究

楊勝強1,2,3,秦 毅1,2,3,孫家偉1,2,3,蔣春林1,2,3,倫嘉云1,2,3

(1.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇徐州 221116;2.中國礦業(yè)大學安全工程學院,江蘇徐州 221116;3.中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室,江蘇徐州 221116)

為解決高瓦斯易自燃煤層安全生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵難題,結(jié)合陽泉礦區(qū)石港礦實際情況,利用實驗室試驗、理論分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機理進行研究。結(jié)果表明:高瓦斯易自燃煤體在含瓦斯風流不同瓦斯體積分數(shù)條件下,氧化產(chǎn)物總體上呈現(xiàn)“滯緩效應(yīng)”,而在等溫條件下,隨著CH4體積分數(shù)的增加煤自燃氧化產(chǎn)物總體上呈現(xiàn)“抑制效應(yīng)”;立體抽采條件下采空區(qū)漏風使得自燃“三帶”范圍變寬,同時利用高抽巷和尾巷CO體積分數(shù)可進行采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測,將自然發(fā)火劃分為兩個階段;高瓦斯易自燃采空區(qū)立體抽采條件下散熱帶可采用氧氣氮氣體積比等于0.221來進行劃分,自燃帶仍可采用氧氣體積分數(shù)5%來進行劃分。

高瓦斯易自燃煤層;滯緩效應(yīng);抑制效應(yīng);自然發(fā)火預(yù)測;自燃“三帶”

礦井瓦斯和煤自燃事故嚴重威脅煤礦安全高效開采,特別是礦井瓦斯和煤層自燃并存時,對于礦井生產(chǎn)以及人員安全構(gòu)成了雙重威脅,往往在解決瓦斯的同時,由于瓦斯抽采和瓦斯排放所帶來的破裂煤體和采空區(qū)漏風引起破裂煤體和采空區(qū)遺煤自燃,并且煤體自燃又成為瓦斯燃燒和瓦斯爆炸的引火源,不僅嚴重影響瓦斯安全抽采和安全排放,而且還成為礦井生產(chǎn)的巨大危險源;反過來,在防治自燃過程中,所采取的采空區(qū)和煤體封堵,減少漏風,以及松散煤體灌注防滅火黃泥膠體形成隔離帶等措施,均不利于卸壓瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯排放。因此,在采取防治煤層自燃措施中,兼顧卸壓瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯排放,在瓦斯抽采和瓦斯排放過程中,兼顧松散煤體和采空區(qū)漏風控制防治自燃火災(zāi),成為同時存在瓦斯和自燃災(zāi)害礦井實現(xiàn)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵難題。

陽泉礦區(qū)石港礦所采14號、15號煤層均屬高瓦斯易自燃煤層,其工作面采用“U+I+高抽巷”立體抽采巷道布置方式,在瓦斯綜合治理方面取得了很好的效果[1]。但高抽巷的開拓,對上覆巖層進行了區(qū)域性卸壓,使周圍巖體松動,引發(fā)裂隙發(fā)育。隨著工作面不斷推進,采空區(qū)及上覆巖層裂隙形成橫向及縱向變化,致使采空區(qū)在工作面通風負壓和抽放負壓條件下,形成復(fù)雜的多源多匯漏風通道和較大的漏風強度,使采空區(qū)遺煤供氧充分,增加了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險性[2]。筆者結(jié)合陽泉礦區(qū)石港礦實際情況,利用實驗室試驗、理論分析和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機理進行研究,對高瓦斯易自燃煤層瓦斯治理和自然發(fā)火防治具有重要的現(xiàn)實意義。

1 高瓦斯易自燃煤層自燃特性實驗研究

對高瓦斯易自燃采空區(qū)而言,漏風流進入采空區(qū)后,與采空區(qū)瓦斯發(fā)生傳質(zhì)作用,使得采空區(qū)漏風流中含有一定量的瓦斯,采空區(qū)遺煤在這種含瓦斯風流作用下氧化升溫[3],為了更加客觀準確地研究高瓦斯采空區(qū)遺煤自燃氧化特性,利用自行研制的含瓦斯風流條件下煤低溫氧化實驗裝置[4],現(xiàn)場采集15號煤層井下新鮮煤樣,設(shè)置了A,B兩組實驗,見表1。

設(shè)置程序控溫箱升溫速率(1℃/min)和最終溫度[5],實時記錄熱電偶溫度數(shù)據(jù),并采集煤自燃氧化產(chǎn)物的氣樣,利用GC-4000A氣相色譜儀進行分析,選取煤自燃氧化產(chǎn)物CO,CO2,C2H4作為研究對象,各實驗方案CO,CO2,C2H4體積分數(shù)隨溫度的變化曲線如圖1所示。

表1 煤自燃程序升溫實驗方案Table 1 Experim ental program of coal spontaneous com bustion tem perature programmed%

由圖1可知,在含不同體積分數(shù)CH4(或N2)的混氣條件下,CO,CO2,C2H4等氣體的產(chǎn)生均有一定的規(guī)律,表現(xiàn)為以下幾個方面:

(1)混氣中CH4(或N2)體積分數(shù)的增加導(dǎo)致O2稀釋,氧化產(chǎn)物體積分數(shù)隨混氣中CH4(或N2)體積分數(shù)的增加呈下降趨勢,O2體積分數(shù)大于18%、溫度小于150℃時,氧化產(chǎn)物生產(chǎn)量差異較小,當溫度超過150℃后,氧化產(chǎn)物生產(chǎn)量差異逐步增加,表明18%～21%的氧氣體積分數(shù)對煤自燃的抑制作用相對較小,對于易自燃煤體,自燃仍較容易發(fā)生;O2體積分數(shù)在10%～16%時,CO,CO2氧化產(chǎn)物的生產(chǎn)量明顯降低,表明該階段氧氣體積分數(shù)對煤自燃的抑制作用相對較大;在O2體積分數(shù)小于8%時,CO,CO2氧化產(chǎn)物的生產(chǎn)量顯著降低,表明該階段氧氣體積分數(shù)對煤自燃的抑制作用很大。

圖1 氧化產(chǎn)物體積分數(shù)隨溫度的變化曲線Fig.1 Product concentration curveswith temperature

(2)不同瓦斯體積分數(shù)使得氧化產(chǎn)物CO,C2H4生成的初始溫度不同,隨著CH4體積分數(shù)的增加, CO,C2H4生成的初始溫度逐漸升高,總體上呈現(xiàn)“滯緩效應(yīng)”,即:混氣中CH4含量越低,對應(yīng)的氧氣體積分數(shù)越高,氧化產(chǎn)物生成的初始溫度也越低,生成的時間越早;混氣中CH4含量越高,對應(yīng)的氧氣體積分數(shù)越低,氧化產(chǎn)物生成的初始溫度也越高,生成的時間越遲。CH4體積分數(shù)為0～10%時,CO生成的初始溫度為45℃左右,C2H4生成的初始溫度為75℃左右;CH4體積分數(shù)為26.51%時,CO生成的初始溫度為72℃,C2H4生成的初始溫度為90℃;而CH4體積分數(shù)為61.9%時,CO生成的初始溫度為105℃, C2H4生成的初始溫度為180℃,“滯緩效應(yīng)”較為明顯。

(3)混氣中CH4體積分數(shù)越低,對應(yīng)的氧氣體積分數(shù)越高,氧化產(chǎn)物生成量越大;混氣中CH4體積分數(shù)越高,對應(yīng)的氧氣體積分數(shù)越低,氧化產(chǎn)物生成量越少。由此表明,混氣中的CH4含量從整體上抑制了煤體自燃氧化產(chǎn)物的生成,呈“抑制效應(yīng)”。

因此可以得知:在高瓦斯礦井采空區(qū)自燃帶、煤巷高冒區(qū)、封閉火區(qū)等自燃危險區(qū)域,由于高體積分數(shù)的瓦斯導(dǎo)致煤自燃氧化產(chǎn)物生成的初始溫度相對滯緩,如果按常規(guī)條件下煤自燃指標氣體生成規(guī)律與溫度的關(guān)系來預(yù)測煤自燃進程,就會造成預(yù)報延遲甚至誤判,貽誤自然發(fā)火防治的最好時機。

2 抽采條件下采空區(qū)漏風及自然發(fā)火預(yù)測

2.1 抽采條件下采空區(qū)漏風

2.1.1 采空區(qū)漏風實測分析

陽泉礦區(qū)石港礦采用獨特的高抽巷瓦斯抽采技術(shù),取得了良好的效果,但是采空區(qū)下部巖層垮落導(dǎo)致上部巖層破斷,裂隙擴散到上鄰近層[6],鄰近層14號煤層瓦斯涌入高抽巷,但是隨著工作面推進和高抽巷抽采瓦斯,上鄰近層的瓦斯壓力得到釋放,高抽巷開始抽到來自本煤層采空區(qū)的氣體[7]。因此,設(shè)高抽巷中氣體單位質(zhì)量中本煤層采空區(qū)氣體體積分數(shù)為x,高抽巷中來自上鄰近層原始瓦斯氣體體積分數(shù)為y,注入氮氣遺留下的氮氣體積分數(shù)為z,于是可得以下質(zhì)量守恒方程。

式中,φc(O2),φc(CH4),φc(N2),φc(CO)分別為采空區(qū)O2,CH4,N2,CO體積分數(shù),%;φg(O2),φg(CH4), φg(N2),φg(CO)分別為高抽巷O2,CH4,N2,CO體積分數(shù),%;φy(CH4),φy(N2)分別為鄰近層原始CH4, N2的體積分數(shù),%;φz(N2)為采空區(qū)注氮時N2體積分數(shù),%。

選擇陽泉礦區(qū)石港礦15101工作面所測數(shù)據(jù),以高抽巷抽放數(shù)據(jù)為突破口,以工作面和采空區(qū)的氣樣體積分數(shù)為基礎(chǔ),來分析采空區(qū)的氧氣消耗和漏風量。鄰近層的原始瓦斯氣體成分取高抽巷中測得的最高瓦斯體積分數(shù)氣樣[8],本煤層采空區(qū)氣體根據(jù)采空區(qū)埋管氣體取樣分析得到,其測點布置如圖2所示,根據(jù)現(xiàn)場實際得出主要成分為CH4,O2,N2,CO, CO2等,分析工作面條件相對穩(wěn)定時間內(nèi)采空區(qū)測點27個氣樣數(shù)據(jù)和高抽巷氣樣數(shù)據(jù),見表2。

高抽巷在取樣期間的抽采混合總量為1 573 m3/ min,平均每天的混合量為174.8 m3/min,抽采的純瓦斯總量為937.25 m3/min,平均每天的純瓦斯抽采量為104.14 m3/min。同時將表2數(shù)據(jù)代入式(1)～(4),得高抽巷中抽到的氣體中來自本煤層采空區(qū)氣體的體積分數(shù)為(表中的數(shù)據(jù)均是平均值,計算所得為高抽巷中抽到氣體中來自本煤層采空區(qū)氣體的平均體積分數(shù))x-=0.343 4,高抽巷抽到采空區(qū)氣體混合量為60.026 m3/min;高抽巷中來自上鄰近層原始瓦斯氣體體積分數(shù)為y-=0.589 3,高抽巷來自鄰近層氣體混合量為104.58 m3/min;注氮遺留下的氮氣的體積分數(shù)為z-=0.047 8。

圖2 取樣觀測系統(tǒng)Fig.2 Sampling observing system

2.1.2 采空區(qū)漏風數(shù)值模擬

為了直觀地對采空區(qū)漏風規(guī)律進行觀察和研究,利用CFD模型[9-12],對石港15101工作面立體抽采條件下的漏風規(guī)律進行了數(shù)值模擬,得到了采空區(qū)風流矢量圖,如圖3所示。

表2 陽泉礦區(qū)石港礦各部分氣樣數(shù)據(jù)Table 2 Various parts gas sam p le data of Shigang M ine in Yangquan%

圖3 采空區(qū)風流矢量圖Fig.3 Vector diagram of air in goaf

從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出:

(1)采空區(qū)的漏風速度在豎直方向上有明顯的界限,垮落帶的采空區(qū)氣體流動速度明顯高于斷裂帶的氣體流動速度。

(2)立體瓦斯抽采條件下,采空區(qū)氣體在多種動力作用下比較凌亂,但流動總體可分為兩部分:一是以高抽巷負壓導(dǎo)致的采空區(qū)深部氣體流動;另一個是以內(nèi)錯尾巷和回風巷導(dǎo)致的采空區(qū)近部的工作面漏風。在內(nèi)錯尾巷和回風巷的雙重作用下,工作面在回風側(cè)采空區(qū)的漏風比一般工作面要大很多,而由于高抽巷的作用,使得整個工作面漏入采空區(qū)風量也要大很多。

從實測和數(shù)值模擬的結(jié)果來看,立體抽采條件下采空區(qū)漏風規(guī)律如圖4所示。

圖4 采空區(qū)漏風示意Fig.4 Schematic of goaf breathing

通過圖4可以看出,在這種情況下,采空區(qū)漏風分為兩部分:

(1)采空區(qū)淺部漏風。由于進風巷和回風巷、尾巷之間的壓差導(dǎo)致的采空區(qū)漏風,這部分漏風主要影響的是采空區(qū)靠近工作面附近的區(qū)域。隨著工作面推進,由于進風巷和回風巷、尾巷之間的壓差引起的漏風將逐漸減弱。

(2)采空區(qū)深部漏風。由于高抽巷和工作面之間的壓差導(dǎo)致的,風流從工作面漏入采空區(qū),到達采空區(qū)深部,進而進入高抽巷抽采系統(tǒng)中。

因此,可以得出,如果采空區(qū)只受到第1部分漏風的影響,隨著采空區(qū)深度的加深,采空區(qū)內(nèi)的風流會越來越弱,遺煤低溫氧化和物理吸附會使得采空區(qū)氣體成分中的氧氣不斷消耗,而遺煤的瓦斯涌出也會侵占氧氣在采空區(qū)氣體中的百分比,從而使采空區(qū)深部的氣體中氧體積分數(shù)會逐漸降低,形成窒息帶。但是由于高抽巷的作用使得深部采空區(qū)氣體被抽入高抽巷系統(tǒng),而采空區(qū)淺部的氣體會不斷的流入采空區(qū)的深部,不斷補充中深部采空區(qū)氣體中的氧氣含量,使得深部采空區(qū)氧氣體積分數(shù)維持在相對較高而且穩(wěn)定的水平,從而不能形成窒息帶。高抽巷抽采瓦斯量越大,采空區(qū)的窒息帶就被高抽巷向采空區(qū)深部“抽”得越遠。

2.2 抽采條件下采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測

目前,將本煤層采空區(qū)CO含量作為采空區(qū)自然發(fā)火危險的一個重要指標,能夠及時反映采空區(qū)自燃情況和危險[13-14],但是,在工作面正常回采過程中,采空區(qū)的氣樣難以獲取,利用采空區(qū)氣樣成分的變化指導(dǎo)現(xiàn)場的采空區(qū)自燃防治很困難。然而,通過前面采空區(qū)漏風分析,可以根據(jù)高抽巷中出現(xiàn)CO氣體的變化規(guī)律,判別高抽巷是否抽到了來自于本煤層采空區(qū)的漏風流。因此,在工作面正常回采過程中,可以通過分析高抽巷的氣體成分來代替本煤層采空區(qū)CO分析來預(yù)測采空區(qū)自然發(fā)火,由于這部分漏入高抽巷的采空區(qū)氣體主要來自采空區(qū)深部,因此可用該方法來預(yù)測采空區(qū)深部的自然發(fā)火危險。尾巷和工作面或者采空區(qū)之間并沒有明顯的空隙和通道相連,因此其來自采空區(qū)的風量主要是通過破碎煤巖的裂隙進入尾巷,這部分通過采空區(qū)裂隙進入尾巷的風量為尾巷的實際風量或者尾巷漏風量。如果尾巷都是這部分風流,就會導(dǎo)致尾巷的CH4體積分數(shù)過高,因此采用風筒送風的方式,稀釋尾巷內(nèi)的CH4,但是稀釋前后的瓦斯量的大小相等。同時,尾巷的實際風量來自于淺部采空區(qū),尤其是易于自燃的14號煤層所在采空區(qū),在近距離采空區(qū)尤其是14號煤層中發(fā)生自燃,在尾巷中最容易出現(xiàn)CO升高,因此利用尾巷的氣樣分析CO來預(yù)測采空區(qū)淺部自燃是非常方便而行之有效的方法。所取氣樣應(yīng)該是尾巷端頭的氣樣,而尾巷端頭與采空區(qū)緊密連接,頂?shù)装宀环€(wěn)定,O2體積分數(shù)低,采集過程有一定危險性,因此可以測得尾巷安全段的CO體積分數(shù)和風量及總風量,在風量基本一定的情況下,尾巷的實際風量也就是采空區(qū)漏入尾巷的風量基本穩(wěn)定,可以通過計算得出尾巷端頭氣樣CO的體積分數(shù)及在尾巷實際風量下的CO體積分數(shù),根據(jù)質(zhì)量守恒,可得如下守恒方程。

瓦斯質(zhì)量守恒:

式中,φwd(CH4),φwd(CO)分別為尾巷端頭瓦斯和CO體積分數(shù),%;Qwl為尾巷漏風量,m3/min;φwp(CH4), φwp(CO)分別為尾巷平均瓦斯和CO2體積分數(shù),%; Qwf為尾巷風量,m3/min。

因此,通過式(4)～(6)可分別得出采空區(qū)深部和淺部的CO體積分數(shù),即

式中,φsc(CO)為深部采空區(qū)CO體積分數(shù),%; φqc(CO)為淺部采空區(qū)CO體積分數(shù),%。

根據(jù)15101工作面高抽巷和尾巷實測數(shù)據(jù),用式(7),(8)推得采空區(qū)深部和淺部的CO體積分數(shù),結(jié)果見表3。

表3 高抽巷和尾巷氣樣體積分數(shù)和計算所得數(shù)據(jù)Table 3 Data sheet of high drainage roadway and tail roadway gas sam p le concentrations and calculated%

對比高抽巷和尾巷實測數(shù)據(jù)和計算所得采空區(qū)CO體積分數(shù),可以排除其他干擾因素的作用,從而直觀地反映出采空區(qū)自然發(fā)火危險性。理論推導(dǎo)得出的采空區(qū)深部CO體積分數(shù)是高抽巷CO體積分數(shù)的1.5～2.0倍,而理論推出的采空區(qū)淺部CO體積分數(shù)是尾巷CO體積分數(shù)的3.5倍左右。綜合上述分析和煤層自燃特性實驗,可將采空區(qū)自然發(fā)火危險性劃分為2個階段:

(1)采空區(qū)低溫氧化階段。

在這個階段,尾巷和高抽巷開始有一定量的CO,采空區(qū)遺煤存在低溫氧化區(qū)域,采空區(qū)的自然發(fā)火危險性和所測到的深部采空區(qū)CO體積分數(shù)和淺部采空區(qū)CO成正比變化。

(2)采空區(qū)自然發(fā)火危險階段。

φg(CO)≥0.007 5%或者φwd(CO)≤0.006 5%

當高抽巷CO體積分數(shù)達到0.007 5%或者尾巷CO體積分數(shù)達到0.006 5%時,說明采空區(qū)的浮煤自燃氧化已經(jīng)達到一定程度,可以判定采空區(qū)內(nèi)部已經(jīng)存在一定范圍的高溫區(qū)域,當采空區(qū)浮煤進入自然發(fā)火危險階段時,必須減少瓦斯抽采量和工作面供風量,同時采取采空區(qū)注氮和注阻化泡沫等技術(shù)手段,控制采空區(qū)自燃氧化進一步的發(fā)展。如果不采取措施,采空區(qū)的自然發(fā)火危險將會迅速增加,遺煤高溫區(qū)域也將進一步擴大。在開采過程中,應(yīng)該盡量使采空區(qū)自然發(fā)火危險保持在第1階段。

可以看出,深部采空區(qū)CO體積分數(shù)和淺部采空區(qū)CO體積分數(shù)可以直接而迅速地反映出陽泉礦區(qū)石港礦立體抽采條件下的采空區(qū)自然發(fā)火危險性。這兩個值越大,自然發(fā)火危險性越高。在實際開采過程中,應(yīng)不斷監(jiān)測工作面數(shù)據(jù),觀察這兩個值的變化,當這兩個值上升速度非?？斓臅r候必須采取相應(yīng)的措施,防止自然發(fā)火危險程度進一步惡化。

3 高瓦斯易自燃采空區(qū)自燃“三帶”劃分

自燃“三帶”的劃分通常有3個標準,即采空區(qū)漏風風速、氧氣體積分數(shù)和溫度分布[15-16],其中漏風風速指標和氧氣體積分數(shù)指標是一致的,兩者都反映了采空區(qū)漏風強度大小,而采空區(qū)漏風風速實測很難實現(xiàn),于是采用氧氣體積分數(shù)指標來進行自燃“三帶”劃分是目前工程實踐中最常用的方法。石港礦高瓦斯易自燃采空區(qū)中,采空區(qū)漏風與煤層中解析出的瓦斯經(jīng)過一系列傳質(zhì)作用后,使采空區(qū)各氣體體積分數(shù)發(fā)生了變化。如果按照目前“三帶”劃分方法劃分高瓦斯易自燃采空區(qū)自燃“三帶”,則漏風風速指標所得結(jié)果與沒有瓦斯涌出時所得結(jié)果一致,而此時瓦斯涌出使得采空區(qū)氧氣得到稀釋,氧氣體積分數(shù)較沒有瓦斯涌出時變小。因此,應(yīng)消除瓦斯對采空區(qū)自燃“三帶”劃分影響,建立高瓦斯易自燃采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法。

3.1 散熱帶劃分

實測陽泉礦區(qū)石港礦不同采空區(qū)氣體成分平均數(shù)據(jù),見表4,可以看出:15108工作面采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)要高出15101工作面1倍左右,雖然他們的氧氣體積分數(shù)差不多,但是15108工作面的氧氣氮氣體積分數(shù)比卻比15101工作面的高0.015,氮氣體積分數(shù)則要低近4%。因此,采用氧氮氣體積比指標可以比較準確地反映高瓦斯易自燃采空區(qū)遺煤氧化強度,氧氮氣體積比降低說明氧氣消耗增大,該區(qū)域的自然發(fā)火危險程度高,而單純的氧氣體積分數(shù)降低有可能是因為這一區(qū)域的遺煤氧化強度增加,也有可能是瓦斯涌出導(dǎo)致氧氣體積分數(shù)降低,氧氮體積比就是消除瓦斯涌出影響而由遺煤氧化強度增加導(dǎo)致氧氣體積分數(shù)下降的體現(xiàn)。

表4 陽泉礦區(qū)石港礦不同采空區(qū)氧氮氣體積比Table 4 Oxygen-nitrogen ratio in d ifferent goaf of Shigang M ine in Yangquan

一般采空區(qū)氣體中,散熱帶的氮氣、氧氣和瓦斯體積分數(shù)總和為99.5%左右[17],且散熱帶中瓦斯體積分數(shù)幾乎保持不變,其中,在沒有瓦斯涌出時,氧氣體積分數(shù)為18%,氮氣體積分數(shù)約為81.5%,氧氣氮氣體積分數(shù)之比為0.221;在有瓦斯涌出時,瓦斯涌出導(dǎo)致氧氣體積分數(shù)和氮氣體積分數(shù)同時降低,但氧與遺煤低溫氧化受瓦斯涌出影響使得氧氣體積分數(shù)降低值小于2.96%,且低溫氧化產(chǎn)生的CO和CO2幾乎可以忽略不計,氧氣氮氣體積分數(shù)比基本仍為0.221。因此,就高瓦斯易自燃采空區(qū),散熱帶劃分標準為氧氣氮氣體積分數(shù)比為0.221,而不是傳統(tǒng)的氧氣體積分數(shù)18%,選取圖2所示進、回風兩側(cè)測點實測數(shù)據(jù),對其進行處理,則進、回風兩側(cè)各測點氧氣氮氣體積分數(shù)比隨工作面推進距離變化規(guī)律如圖5所示,可以看出,15101工作面進風側(cè)散熱帶范圍為距離工作面80 m左右,回風側(cè)散熱帶范圍為距離工作面45 m左右。

圖5 進、回風兩側(cè)各測點氧氣氮氣體積分數(shù)比隨工作面推進距離變化規(guī)律Fig.5 Inlet and return airmeasurement points on each side of the oxygen from nitrogen ratio with variation of face advance

3.2 自燃帶劃分

高抽巷瓦斯抽采和工作面尾巷風排瓦斯效果都受采場上覆巖層垮落和破斷形態(tài)影響[18],而采空區(qū)自燃“三帶”與采場上覆巖層垮落和破斷形態(tài)具有一定的對應(yīng)關(guān)系[19],因此,選取上覆巖層進入相對穩(wěn)定垮落階段且通風系統(tǒng)相對穩(wěn)定時15101采空區(qū)回風側(cè)測點實測數(shù)據(jù),則隨著采空區(qū)深度變化采空區(qū)氣樣體積分數(shù)的變化情況如圖6所示。

圖6 采空區(qū)氣樣體積分數(shù)和深度的關(guān)系Fig.6 Relationship gas samples concentration and depth of goaf

從圖6可以看出,15101工作面在其他因素不變,穩(wěn)定開采情況下,采空區(qū)深度在55 m到98 m之間43 m的范圍內(nèi)氣體成分尤其是氧氣基本維持相對穩(wěn)定,從自燃性氧氣體積分數(shù)來說,采空區(qū)深度的增加,氧氣體積分數(shù)并不會有很大的降低,出現(xiàn)這種情況的原因主要是采空區(qū)淺部和深部漏風所致。因此,在陽泉礦區(qū)“一面四巷”立體抽采情況下,采空區(qū)自燃帶應(yīng)延伸至高抽巷失去抽采作用的采空區(qū)深部并加一段距離,也就是在高抽巷基本閉合以后再加一定深度用于消耗殘留氧氣的采空區(qū)位置。根據(jù)陽泉礦區(qū)石港礦所得科研結(jié)論[20]:高抽巷的作用區(qū)段為工作面后部40～140 m。其中對于下部采空區(qū)的漏風影響的主要作用區(qū)段為80～120 m,主要是由于在該部分區(qū)域上覆巖層破斷比較充分,而高抽巷斷面的有效面積還足以維持比較順利的瓦斯抽采。考慮到高抽巷距離15號煤層的距離,高抽巷瓦斯抽采對于下部采空區(qū)的影響區(qū)域可以延伸至采空區(qū)深部約170 m左右,由此推測,自燃帶延伸至采空區(qū)深度約220～230 m處,瓦斯作為一種窒息性氣體,對煤自燃起抑制作用,使得在氧氣體積分數(shù)小于5%時,煤自燃將無法直接進行。因此,自燃帶仍可采用氧氣體積分數(shù)5%來進行劃分。

綜合上述分析,則石港15101工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布如圖7所示。

圖7 采空區(qū)自燃“三帶”分布Fig.7 Distribution of spontaneous combustion“three zone”in goaf

4 結(jié) 論

(1)高瓦斯易自燃煤體在含瓦斯風流不同瓦斯體積分數(shù)條件下,氧化產(chǎn)物CO,C2H4生成的初始溫度不同,總體上呈現(xiàn)“滯緩效應(yīng)”,而在等溫條件下,隨著CH4體積分數(shù)的增加煤自燃氧化產(chǎn)物CO,CO2, CH4的生成量逐漸減少,總體上呈現(xiàn)“抑制效應(yīng)”。

(2)“一面四巷”立體抽采條件下,進風巷和回風巷、尾巷之間的壓差導(dǎo)致采空區(qū)淺部漏風,高抽巷和工作面之間的壓差導(dǎo)致采空區(qū)深部漏風,使得采空區(qū)窒息帶被抽的更遠,自燃“三帶”范圍變寬。

(3)通過現(xiàn)場實測、數(shù)據(jù)分析和理論推導(dǎo),利用高抽巷CO體積分數(shù)和尾巷CO體積分數(shù)可進行采空區(qū)發(fā)火預(yù)測,且被劃分為兩個階段。

(4)立體抽采條件下高瓦斯易自燃采空區(qū)自燃“三帶”劃分,散熱帶劃分標準應(yīng)采用消除瓦斯影響的氧氣氮氣體積比等于0.221來進行劃分,而不是傳統(tǒng)的氧氣體積分數(shù)18%,自燃帶仍可采用氧氣體積分數(shù)5%來進行劃分。

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Research on coup ling hazard m echanism ofm ine gas and coal fire for a gassy and high spontaneous combustion propensity coal seam

YANG Sheng-qiang1,2,3,QIN Yi1,2,3,SUN Jia-wei1,2,3,JIANG Chun-lin1,2,3,LUN Jia-yun1,2,3

(1.State Key Laboratory ofCoal Recourse and Safe Mining,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Faulty ofSafety Engineering,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;3.Key Laboratory ofGas and Fire Control for Coal Mines,China University ofMining &Technology,Xuzhou 221116,China)

In order to resolve the key safety problems existed in the coal extraction in a gassy and high spontaneous combustion propensity coal seam,based on the mining condition in Shigang Mine in Yangquan coal field,this paper studied on the coupling hazardmechanism ofmine gas and coal fire for a gassy and high spontaneous combustion propensity coal seam by combining usages of experimental investigations,theoretical analysis and on-site measurements.The results show that under the conditions of air flow with variousmine gas concentrations,the oxidation products show the“stagnancy effect”in general;and the“inhibitory effect”of oxidation products is taken place as increasing the CH4concentration can be observed when given the isothermal conditions.The stereoscopic gas drainage plan can change the air leakage pattern in themine gob which also results in varying the widths of coal spontaneous combustion“three-zone”.Meantime,by combing using the analyses of CO concentrations both in high-level drainage roadway and in tailgate road to predict the spontaneous combustion in the“three-zone”,two distinguished stages can be identified.The ration of 0.221 of oxygen to nitrogen can be used to be divided thermal zone for high gas and combustible goaf, spontaneous combustion zone with oxygen concentration of 5%can still be used to be divided.

high gas and combustible coal seam;stagnancy effect;inhibitory effect;spontaneous combustion prediction;spontaneous combustion“three-zone”

TD75

A

0253-9993(2014)06-1094-08

楊勝強,秦 毅,孫家偉,等.高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機理研究[J].煤炭學報,2014,39(6):1094-1101.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1013

Yang Shengqiang,Qin Yi,Sun Jiawei,etal.Research on coupling hazard mechanism ofmine gas and coal fire for a gassy and high spontaneous combustion propensity coal seam[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1094-1101.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1013

2013-07-14 責任編輯:畢永華

國家自然科學基金資助項目(51174198);中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室自主課題資助項目(SKLCRSM11X01)

楊勝強(1964—),男,貴州銅仁人,教授,博士生導(dǎo)師。通訊作者:秦 毅(1988—),男,甘肅會寧人,碩士。E-mail:qinyicumt@ yeah.net