供風(fēng)量對(duì)褐煤自燃極限參數(shù)的影響研究*

周西華，牛田元,白　剛,李　昂,王　成

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 阜新 123000; 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 煤炭資源安全開(kāi)采與潔凈利用工程研究中心，遼寧 阜新 123000)

0　引言

煤層自燃火災(zāi)占礦井火災(zāi)90%以上，嚴(yán)重威脅了煤礦井下安全生產(chǎn)[1]。煤體熱量的產(chǎn)生和積聚是導(dǎo)致煤炭發(fā)生自燃的最直接原因，煤自燃的根本原因是空氣中的氧氣氧化了煤體。煤自燃極限參數(shù)是判斷煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的有力依據(jù)，表征煤自燃極限外界條件的參數(shù)主要有下限氧濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度和最小浮煤厚度[2]。影響煤自燃極限參數(shù)的因素較復(fù)雜，研究影響自燃極限參數(shù)的各種因素并為井下控制煤自燃提供基礎(chǔ)參數(shù)意義重大，因此，自燃極限參數(shù)及其影響因素成為研究重點(diǎn)。為此，徐精彩等[3]用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析距離、氧濃度、放熱強(qiáng)度、溫度、漏風(fēng)強(qiáng)度、浮煤厚度幾種影響因素來(lái)對(duì)自燃極限參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)；鄧軍等[4]總結(jié)了用煤自燃極限參數(shù)來(lái)對(duì)煤自燃進(jìn)行預(yù)測(cè)的理論研究進(jìn)展；易欣等[5]用實(shí)驗(yàn)?zāi)M自燃過(guò)程得到隨著時(shí)間和溫度的變化煤自燃極限參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)而推出預(yù)防自燃的方法；譚波等[6]利用煤自燃程序升溫試驗(yàn)得出3種不同變質(zhì)程度的煙煤自燃極限參數(shù)的規(guī)律；馬礪等[7-9]利用煤自燃程序升溫試驗(yàn)裝置計(jì)算5種粒徑、煤樣升溫、4種不同的阻化劑處理?xiàng)l件下對(duì)煤自燃極限參數(shù)的影響。上述研究主要計(jì)算和分析了不同時(shí)間、粒度、煤溫、氧濃度、煤變質(zhì)程度、阻化劑對(duì)煤自燃極限參數(shù)的影響。

煤自燃是氧濃度、熱量積聚等多因素耦合作用導(dǎo)致，供風(fēng)量與采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍呈現(xiàn)一定規(guī)律，進(jìn)而影響采空區(qū)遺煤自燃極限參數(shù)，但目前關(guān)于供風(fēng)量對(duì)煤自燃極限參數(shù)影響研究甚少。為此，筆者選取內(nèi)蒙古平莊瑞安褐煤為試驗(yàn)煤樣，在前期研究供風(fēng)量與煤自燃?xì)怏w生成規(guī)律基礎(chǔ)之上[10]，計(jì)算了不同供風(fēng)量下的煤自燃極限參數(shù)，為預(yù)防井下遺煤自燃提供關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)。

1　不同供風(fēng)量條件下褐煤程序升溫試驗(yàn)

1.1　煤樣工業(yè)分析

試驗(yàn)煤樣選取內(nèi)蒙古平莊瑞安褐煤，在實(shí)驗(yàn)室將小塊狀的煤樣放入粉碎機(jī)中粉碎，篩選出介于50～80目的煤樣，裝入棕色60 mL廣口瓶中，然后將其密封封存以防氧化。煤樣的工業(yè)分析與元素分析數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

表1　煤樣的工業(yè)分析與元素分析

1.2　試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

程序升溫系統(tǒng)試驗(yàn)裝置如圖1所示。將稱(chēng)取的2份煤樣(2 g/份)放入到瓷盤(pán)中，然后推送到管式爐的碳硅管中，用乳膠塞將碳硅管的兩端密封，打開(kāi)鋼瓶的閥門(mén)，并將氣壓調(diào)節(jié)到0.1 MPa，將轉(zhuǎn)子流量計(jì)的流量設(shè)置為40，80，120，160，200 mL/min，對(duì)應(yīng)風(fēng)速為0.002 123，0.004 26，0.006 39，0.008 52，0.010 65 m/s。接通電源后，打開(kāi)溫度顯示器和管式爐電源開(kāi)關(guān)。管式爐升溫速率設(shè)置為2℃/min，由于40℃時(shí)可以除去褐煤中的外在水分，褐煤的著火溫度在200℃以上，所以在試驗(yàn)時(shí)采用的溫度在40～200℃之間，每隔一定的溫度啟動(dòng)管式爐程序升溫系統(tǒng)取大約5 mL氣體于球膽內(nèi)，用GC-4085型氣相色譜儀對(duì)球膽內(nèi)氣樣的氣體成分及體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1　Experiment device schematic diagram

試驗(yàn)得到供風(fēng)量為40～200 mL/min時(shí)，溫度在40～200℃范圍內(nèi)的O2，CO和CO2體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]計(jì)算得出耗氧速率、CO產(chǎn)生速率、CO2產(chǎn)生速率和放熱強(qiáng)度的數(shù)值，并將所得的放熱強(qiáng)度結(jié)果用于褐煤自燃極限參數(shù)的計(jì)算當(dāng)中。

2　煤自燃極限參數(shù)計(jì)算

煤自燃是內(nèi)因和外因都滿(mǎn)足的條件下發(fā)生的。煤層自燃除了滿(mǎn)足自燃內(nèi)在因素，即有自燃傾向性的煤以外，在一定時(shí)間的基礎(chǔ)上還要有足夠大的煤厚，充足的氧氣和熱量聚集的場(chǎng)所[11]。煤自燃的極限參數(shù)是引發(fā)自燃的外界條件的極限值，主要包括：最小浮煤厚度、下限氧濃度、上限漏風(fēng)強(qiáng)度。當(dāng)煤層厚度大于最小浮煤厚度，煤層中氧氣濃度大于下限氧濃度，漏風(fēng)強(qiáng)度小于上限漏風(fēng)強(qiáng)度3條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)煤體才有可能自燃[12]：

(h>hmin)∩(C>Cmin)∩(Q

式中：h為浮煤厚度，m；hmin為最小浮煤厚度，m；C為氧氣濃度，mol/m3；Cmin為下限氧濃度，mol/m3；Q為漏風(fēng)強(qiáng)度，m3/(m2·s)；Qmax為上限漏風(fēng)強(qiáng)度，m3/(m2·s)。

2.1　最小浮煤厚度

最小浮煤厚度主要與松散煤體溫度、放熱強(qiáng)度、漏風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)[13]。根據(jù)瑞安煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)井下煤巖體溫度為25℃，漏風(fēng)強(qiáng)度為0.10 m/s，根據(jù)文獻(xiàn)[8]中公式計(jì)算得出漏風(fēng)強(qiáng)度為0.10 m/s時(shí)不同供風(fēng)量條件下最小浮煤厚度如圖2所示。

圖2　最小浮煤厚度與供風(fēng)量的關(guān)系Fig.2　Relationship between the thickness of minimum floating coal and wind speed

由圖2可知：溫度為40～120℃時(shí)，最小浮煤厚度隨著供風(fēng)量增大而減小，更容易引發(fā)自燃；溫度為120～200℃時(shí)，在40～80 mL/min供風(fēng)量范圍內(nèi)，最小浮煤厚度隨著風(fēng)量增大而增大；在80～160 mL/min范圍內(nèi)，最小浮煤厚度隨著供風(fēng)量增大而減??；在160～200 mL/min范圍內(nèi)，最小浮煤厚度隨著供風(fēng)量增大而增大。漏風(fēng)強(qiáng)度一定時(shí)，溫度不同，供風(fēng)量不同對(duì)最小浮煤厚度的影響不同，繼而得出對(duì)煤層自燃危險(xiǎn)性的影響。井下煤層厚度大于最小浮煤厚度是進(jìn)入氧化升溫帶必要前提[13]，最小浮煤厚度越小越容易滿(mǎn)足這一前提，就更容易引發(fā)自燃。由此可見(jiàn)，溫度為40～120℃時(shí)和溫度為120～200℃，供風(fēng)量為80～160 mL/min時(shí)，供風(fēng)量的增大會(huì)增加自燃危險(xiǎn)性。定義臨界點(diǎn)溫度為供風(fēng)量一定時(shí)褐煤自燃極限參數(shù)在該溫度下達(dá)到的最大或最小值，不同供風(fēng)量下對(duì)應(yīng)最小浮煤厚度的臨界點(diǎn)溫度見(jiàn)表2。

表2　不同供風(fēng)量對(duì)應(yīng)的最小浮煤厚度臨界點(diǎn)溫度

由表2可知：隨著供風(fēng)量增大，最小浮煤厚度的臨界點(diǎn)溫度呈升高趨勢(shì)。供風(fēng)量越大，散熱越多，達(dá)到煤自燃極限參數(shù)極值所需溫度就越高，所以試驗(yàn)樣品的臨界點(diǎn)溫度隨之升高，臨界點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)隨之增加，導(dǎo)致煤自燃危險(xiǎn)性的溫度范圍降低，因此，風(fēng)量越大，最小浮煤厚度對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)溫度越大，自燃危險(xiǎn)性越小。

2.2　下限氧濃度

根據(jù)文獻(xiàn)[14]知，某一溫度下，其放熱強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的氧濃度近似正相關(guān)，存在一極限值，當(dāng)氧濃度小于這一極限值時(shí)，煤氧復(fù)合反應(yīng)的生成熱與散熱正好相等，煤體不再升溫，該極限值即為下限氧濃度。煤巖體溫度為25℃，漏風(fēng)強(qiáng)度0.10 m/s，浮煤厚度為0.6 m時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算出浮煤厚度為0.6 m，供風(fēng)量不同時(shí)下限氧濃度變化關(guān)系如圖3所示。

圖3　下限氧濃度與風(fēng)速的關(guān)系Fig.3　Relationship between lower oxygen concentration and wind speed

由圖3可知：溫度為40～120℃時(shí)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而減??；溫度為120～200℃時(shí)，在40～80 mL/min供風(fēng)量范圍內(nèi)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而增大；在80～160 mL/min范圍內(nèi)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而減?。辉?60～200 mL/min范圍內(nèi)，下限氧濃度隨著供風(fēng)量增大而增大。煤層中的氧濃度大于下限氧濃度是煤體進(jìn)入煤氧復(fù)合反應(yīng)中的必然條件[13]。筆者計(jì)算下限氧濃度所取的漏風(fēng)強(qiáng)度是一定值，即煤層散熱為定值，氧濃度超過(guò)下限氧濃度煤體即可蓄熱，所以下限氧濃度越小，越容易引發(fā)自燃，由此可見(jiàn)，溫度為40～120℃時(shí)和溫度為120～200℃，供風(fēng)量在80～160 mL/min范圍內(nèi)，供風(fēng)量的上升會(huì)增加自燃危險(xiǎn)性。不同供風(fēng)量的下限氧濃度臨界點(diǎn)溫度見(jiàn)表3。

供風(fēng)量為40 mL/min,溫度為90℃時(shí)，下限氧濃度達(dá)到最大值25.258 6%，供風(fēng)量為80 mL/min,溫度為140℃時(shí)，下限氧濃度達(dá)到最大值25.097 1%，煤層自燃的下限氧濃度都超過(guò)了25%，自燃風(fēng)流中氧氣濃度為21%，煤層不能滿(mǎn)足這一條件，所以無(wú)法發(fā)生自燃；供風(fēng)量為120,160,200 mL/min時(shí)臨界點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的下限氧濃度都小于21%，具備自燃的基本條件。由表3可見(jiàn)，供風(fēng)量越大，下限氧濃度的臨界點(diǎn)溫度呈升高趨勢(shì)，臨界點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)增加，導(dǎo)致煤自燃危險(xiǎn)性的溫度范圍降低，因此，供風(fēng)量越大，下限氧濃度的臨界點(diǎn)溫度越大，自燃危險(xiǎn)性越小。

表3　不同供風(fēng)量的下限氧濃度臨界點(diǎn)溫度

2.3 上限漏風(fēng)強(qiáng)度

對(duì)于給定的井下煤體，漏風(fēng)強(qiáng)度不斷增加到一個(gè)定值時(shí)，煤樣復(fù)合反應(yīng)的產(chǎn)生熱全部被熱量傳遞和風(fēng)流焓變所消耗，這一臨界值即為上限漏風(fēng)強(qiáng)度[15]。根據(jù)文獻(xiàn)[8]計(jì)算出當(dāng)煤層厚度為0.6 m時(shí)，不同供風(fēng)量條件下上限漏風(fēng)強(qiáng)度變化規(guī)律如圖4所示。

圖4　上限漏風(fēng)強(qiáng)度與風(fēng)速的關(guān)系Fig.4　Relation between upper air leakage intensity and wind speed

由圖4可知：溫度為40～120℃時(shí)，下限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著供風(fēng)量增加而增大；溫度為120～200℃時(shí)，在40～80 mL/min供風(fēng)量范圍內(nèi)，下限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著供風(fēng)量增加而減?。辉?0～160 mL/min范圍內(nèi)，下限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著供風(fēng)量增加而增大；在160～200 mL/min范圍內(nèi)，下限漏風(fēng)強(qiáng)度隨著供風(fēng)量增加而減小。煤層的漏風(fēng)強(qiáng)度小于下限漏風(fēng)強(qiáng)度是煤體進(jìn)入煤氧復(fù)合反應(yīng)中氧化升溫帶的必然條件[13]，上限漏風(fēng)強(qiáng)度越大，說(shuō)明產(chǎn)生熱量越多，煤體蓄熱越多，會(huì)更容易引發(fā)自燃。由此可見(jiàn)，當(dāng)溫度為40～120℃和120～200℃,供風(fēng)量在80～160 mL/min范圍內(nèi)時(shí)，供風(fēng)量的增大更容易引發(fā)煤體自燃。不同供風(fēng)量的上限漏風(fēng)強(qiáng)度臨界點(diǎn)溫度見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)：供風(fēng)量越大，上限漏風(fēng)強(qiáng)度的臨界點(diǎn)溫度呈升高趨勢(shì)，臨界點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的溫度點(diǎn)增加，導(dǎo)致煤自燃危險(xiǎn)性的溫度范圍降低，因此，風(fēng)量越大，上限氧濃度對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)溫度越大，自燃危險(xiǎn)性越小。

表4　不同供風(fēng)量的上限漏風(fēng)強(qiáng)度臨界點(diǎn)溫度

3　結(jié)論

1)通過(guò)計(jì)算煤自燃極限參數(shù)與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著溫度升高在低溫(40～120℃)時(shí)增大，中低溫(120～200℃)時(shí)減??；上限漏風(fēng)強(qiáng)度相反，隨著溫度升高在低溫(40～120℃)時(shí)減小，中低溫(120～200℃)時(shí)增大。

2)最小浮煤厚度和下限氧濃度隨著供風(fēng)量的增大在低溫(40～120℃)時(shí)減小，中低溫(120～200℃)時(shí)，僅當(dāng)供風(fēng)量在80～160 mL/min范圍內(nèi)，最小浮煤厚度和下限氧濃度會(huì)因?yàn)楣╋L(fēng)量的增大而減?。簧舷蘼╋L(fēng)強(qiáng)度相反隨著供風(fēng)量的增大在低溫(40～120℃)時(shí)增大，中低溫(120～200℃)時(shí)，僅在供風(fēng)量為80～160 mL/min時(shí)，最小浮煤厚度和下限氧濃度會(huì)增大。供風(fēng)量的增大會(huì)將3個(gè)自燃極限參數(shù)向更容易引發(fā)自燃的方向推進(jìn)，為避免自燃應(yīng)控制煤層的供風(fēng)量。

3)通過(guò)分析不同供風(fēng)量下的自燃極限參數(shù)的臨界點(diǎn)溫度得出，風(fēng)量越大，最小浮煤厚度、下限氧濃度和上限漏風(fēng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的臨界點(diǎn)溫度越大，導(dǎo)致煤自燃危險(xiǎn)性的溫度范圍越低，自燃危險(xiǎn)性越小。

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