【正文】 是，與此同時， 由于綜采 （放）技術(shù) 具有 一次性開采強(qiáng)度大，采空區(qū)遺留殘煤多特點，加之 受到 機(jī)電設(shè)備功率 數(shù) 大、散熱 量 多，開采深度大、放熱強(qiáng)度高 而 引起采空區(qū)溫度 升 高， 以及一些 孤島、無煤柱等開采技術(shù)造成 的 采空區(qū) 相互 連通、漏風(fēng)通道復(fù)雜等 多種不利 因素 影響 ， 致 使 礦井煤火 頻繁發(fā) 生。其不僅極大地 制約了礦 井 高產(chǎn)高效技術(shù)的發(fā)展， 更為嚴(yán)重者因為火害則可能引燃瓦斯煤塵爆炸或火煙毒化礦井，釀成重大惡性事故，而又 嚴(yán)重 地 威脅著礦井的安全生產(chǎn)和井下人員的生命安全。 然而， 煤層自燃不同于外因火災(zāi)，外因火災(zāi)火勢發(fā)展迅猛，很快就會形成大火，在礦井實際生產(chǎn)條件下，幾乎沒有處理火災(zāi)的緩沖期。而自燃（內(nèi)因）火災(zāi)的形成是一個緩慢氧化蓄熱過程，發(fā)現(xiàn)煤體暴露面處有自燃征兆，在未形成外因火災(zāi)之前，仍有一定的緩沖時間對火區(qū)進(jìn)行控制和治理，如果能很好地利用這段時期控制和熄滅火區(qū)，將起到事半功倍的效 果；而一旦錯過這段控制火勢的良好時機(jī)，高溫區(qū)將會急劇發(fā)展，處理火區(qū)的工作條件將會迅速惡化。因此，開展對 百貫溝 煤業(yè) 易燃煤層開采 自然發(fā)火規(guī)律及防治體系構(gòu)建的技術(shù)研究 ，對于確保礦井安全、高產(chǎn)、高效和集約化生產(chǎn)，無疑具有十分重要的現(xiàn)實意義。 研究內(nèi)容與目標(biāo) ⑴ 易燃煤層 自燃特性參數(shù) 實驗 研究 實驗 研究 百貫溝 煤業(yè) 長走向 采煤 工作面煤層自燃特性基礎(chǔ)參數(shù)、絕熱氧化溫升特性、不同氧化階段煤炭自燃的氣體產(chǎn)物成分和濃度變化規(guī)律，確立煤 層 自燃的指標(biāo)氣體、建立煤層自燃的預(yù)測預(yù)報體系 。 同時，以煤 的 自燃氧化動力學(xué)測定方法為基礎(chǔ)，確 定易燃煤層的自 然 發(fā)火期 時間 。 ⑵ 1503 綜采工作 面自燃危險區(qū)域 判定 研究 通過在 1503 綜采工作 面 采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)溫度傳感探頭測溫和鋪設(shè)束管取樣分析， — 3— 研究采空區(qū)內(nèi)遺煤的自燃氧化過程，進(jìn)而判斷 1503 綜采工作面在實際條件下采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律及其自燃危險區(qū)域的范圍和形態(tài)等。 ⑶ 采空區(qū)隱蔽火源發(fā)展規(guī)律模擬研究 通過 CFD 模型 技術(shù)， 模擬 研究采空區(qū) 火源位置與氣體運(yùn)移范圍之間的關(guān)系。 ⑷ 易燃煤層開采防滅火技術(shù)體系構(gòu)建研究 研究構(gòu)建 適 合 于 百貫溝 煤業(yè) 易燃煤層開采的煤火預(yù)防、預(yù)報、應(yīng)急與綜合治理的一 整 套 防滅火技術(shù)體 系。 即結(jié)合各類防滅火技術(shù)的不同特點，對自燃危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)防性處理；當(dāng)預(yù)防體系失效后，根據(jù)煤層自燃初期的物理與化學(xué)變化產(chǎn)生的效應(yīng)，利用溫度分析法和束管氣體分析法對煤層自燃進(jìn)行早期預(yù)報。預(yù)報準(zhǔn)確，就能及時準(zhǔn)確地把自燃隱患點消除，一旦預(yù)報失敗，就將形成自燃火災(zāi)。因此，就必須采用快速有效的應(yīng)急技術(shù)，對自燃隱患點進(jìn)行迅速處理，以便為自燃火災(zāi)的綜合治理贏取時間，最終徹底撲滅煤火， 抑制煤 層 自燃次生災(zāi)害的發(fā)生， 減少火害給礦井帶來的損失。 3. 1503 綜放面 煤層自燃特性參數(shù)實驗 煤 層 自燃是由于煤與氧接觸氧化放出熱量，在一定 的蓄熱條件下，氧化放出的熱量被積聚，當(dāng)熱量的積聚能夠滿足煤 的 自燃發(fā)展需要時，煤體溫度 便會 不斷上升，最終導(dǎo)致 其 自燃。其過程的發(fā)展是一個極其復(fù)雜的動態(tài)變化過程，它主要取決于煤的氧化放熱 特 性、供氧條件及蓄散熱環(huán)境。因此，為了摸清 百貫溝 煤業(yè) 煤層自然發(fā)火機(jī)理，本課題 首先于 實驗室對 1503 綜放 面 煤層 煤樣 開展 了以下 一系列實驗 研究。 煤層 自燃傾向性 鑒定 及自 然 發(fā)火期預(yù)測 基于氧化動力學(xué)方法的煤自燃傾向性測 定 ⑴ 煤 自燃傾向性的氧化動力學(xué)測 定 方法 原理 — 4— 近年來 ，中國礦業(yè)大學(xué)提出了煤自燃傾向性的氧化動力學(xué)測 定 方 法 ，并作為標(biāo)準(zhǔn)AQ/T1068— 20xx《 煤 自燃傾向性的氧化動力學(xué)測 定 方法 》，通過 對許多礦區(qū)的大量煤樣進(jìn)行了測 定。其 結(jié)果表明，該方法測 定 原理科學(xué)、鑒定結(jié)果更 為 符合實際。 實際上，該方法原理是基于煤低溫氧化復(fù)合反應(yīng)和自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的基本原理而提出來的。即煤自熱過程包括低溫氧化和快速升溫階段，經(jīng)過大量不同煤種的自燃特性測試試驗表明，如果僅采用某一階段的一種指標(biāo)，則難以較為全面地測試出煤的自燃特性。因此，必須采用低溫氧化階段的耗氧指標(biāo)和快速升溫階段的交叉點溫度指標(biāo)來反映煤不同階段的自燃特性。 70℃出口氧氣濃度反映 70℃時溫升速率的快慢，決定低溫緩慢自熱階段氧化自熱時間的長短；交叉點溫度的大小則主要反映了煤在快速氧化階段的自燃特性。最后對這兩個指標(biāo)進(jìn)行綜合，從而確定出煤自燃傾向性的判定指數(shù)。 ⑵ 氧化動力學(xué)方法測 定 條件 ① 測試煤樣粒度的選取 煤低溫緩慢氧化階段耗氧量較低，選擇合適試樣的測試粒徑對耗氧量的測試十分重要。粒徑不宜太大，太大會影響煤與氧氣接觸的表面積，氧濃度變化不明顯；同時也不宜太小，太小增加了氧氣進(jìn)入煤體的阻力，使空氣流通不暢，影響測試的重復(fù)性。為了 耗 氧濃度的測試需要，同時考慮到煤樣制取，該方法測試煤樣的 粒徑為 ～ mm。 ② 煤樣的干燥溫度 煤自燃傾向性體現(xiàn)的是煤本身自熱的內(nèi)在屬性，不應(yīng)受外在水分的影響 ， 因此 ，待測煤樣應(yīng)為去除外在水分的空氣干燥煤樣。本方法煤樣的空氣干燥溫度選擇為40 ℃ 。 ③ 供氣流量的選取 指標(biāo)參數(shù)的測定過程中，不同階段對應(yīng)的供氣濃度也不同 。 本方法初始階段通入 — 5— 干空氣流量為 96mL/min，中間階段通入干空氣流量為 8mL/min，后期程序升溫階段通入干空氣流量則又調(diào)整為 96mL/min。 ⑶ 中間測定結(jié)果 中間 測 定 結(jié)果如表 3— 1 所示。 表 3— 1 測 定 結(jié)果 煤樣名稱 煤樣罐出口氧氣 濃度 （ 70℃） /% 交叉點溫度 Tcpt/℃ 1503 面 煤樣 ⑷ 判定指數(shù)計算及 最后 結(jié)果 煤自燃傾向性取決于煤在低溫自熱與加速氧化兩個階段的升溫特性，這兩個階段的氧化機(jī)理和升溫特性不同，兩個階段對煤自燃發(fā)展過程的促進(jìn)作用也存在較大差異，即兩者在對煤自燃的推動作用中的重要程度存在差別。 為了權(quán)衡兩個階段對煤自燃發(fā)展過程的不同影響程度，可引用權(quán)數(shù)對其進(jìn)行區(qū)分。權(quán)數(shù)是指在綜合指標(biāo)中起著權(quán)衡輕重作用的指數(shù)，是權(quán)重的數(shù)值體現(xiàn)。重要程度高的指標(biāo)參數(shù)，相應(yīng)權(quán)數(shù)應(yīng)大；而重要程度低的指標(biāo)參數(shù)，相應(yīng)權(quán) 數(shù)則應(yīng)小。將測試結(jié)果的兩個指標(biāo)參數(shù)按照其重要程度分別乘以相應(yīng)權(quán)數(shù)再進(jìn)行平均值處理，無疑有利于更好更全面 地 反映煤自身的氧化自燃特性。因此，在指標(biāo)參數(shù)的合成過程中，正確地給定各指標(biāo)參數(shù)的權(quán)數(shù)非常重要。常用的確定權(quán)數(shù)的方法有： ① 根據(jù)經(jīng)驗確定； ② 根據(jù)測量次數(shù)確定； ③ 根據(jù)數(shù)據(jù)的精度參數(shù)確定。考慮到煤低溫氧化階段對于煤自燃過程的發(fā)展更為重要，根據(jù)試驗結(jié)果與經(jīng)驗，低溫氧化階段的權(quán)數(shù)取 ，快速氧化階段的權(quán)數(shù)取 。由于加法合成法能較好的體現(xiàn)出各評價指標(biāo)之間的權(quán)重關(guān)系，故采用加法合成方法對這兩個指標(biāo)進(jìn)行合成。 依據(jù)加 法合成法，煤自燃傾向性的綜合判定指數(shù)計算式如下： 2O2O 1 5 .5 1001 5 .5C CI ??? （ 3— 1） — 6— 140 100140cp tcp tT TI ??? （ 3— 2） ? ?OO22 300c p t c p tC C T TI I I? ? ?? ? ? （ 3— 3） 式中： I —— 煤自燃傾向性判定指數(shù)，無量綱； O2CI —— 煤樣溫度 70 ℃ 時煤樣罐出氣口氧氣濃度指數(shù)，無量綱； cptTI —— 煤在程序升溫條件下交叉點溫度指數(shù)，無量綱； O2C —— 煤樣溫度達(dá)到 70 ℃ 時煤樣罐出氣口的氧氣濃度， %； Tcpt —— 煤在程序升溫條件下的交叉點溫度， ℃ ； —— 煤樣罐出氣口氧氣濃度的計算因子， %； 140 —— 交叉點溫度的計算因子， ℃ ； O2C? —— 低溫氧化階段的權(quán)數(shù)，O2C?=； cptT? —— 快速氧化階段的權(quán)數(shù)，cptT?=； φ —— 放大因子， φ=40； 300 —— 修正因子。 表 3— 2 煤自燃傾向性分類指標(biāo) 自燃傾向性分類 判定指數(shù) I 容易自燃 I ＜ 600 自燃 600≤I ≤1200 不易自燃 I ＞ 1200 氧化動力學(xué)判定煤自燃傾向性分類指標(biāo)如表 3— 2 所示。利用上面公式進(jìn)行計算，計算結(jié)果如表 3— 3 所示 。其 結(jié)果顯示， 用 氧化動力學(xué)方法鑒定結(jié)果為 ： 百貫溝 煤業(yè)煤層自然發(fā)火傾向性自燃等級 為 Ⅰ 類，即屬于容易自燃煤層 。 — 7— 表 3— 3 氧化動力學(xué) 方法 判定結(jié)果 煤樣名 氧化動力學(xué)判定指數(shù) I 氧化動力學(xué) 方法自燃等級 自燃傾向性 1503 面 煤樣 231 Ⅰ 容易自燃 煤 層 最短自 然 發(fā)火期預(yù)測 絕熱氧化法是目前國內(nèi)外 普遍 認(rèn)為最準(zhǔn)確、最能體現(xiàn)煤自身氧化能力強(qiáng)弱的一種測試方法。它通過最大程度 地 控制煤體與環(huán)境之間熱量的交換，使煤體依靠自身的氧化產(chǎn)熱升溫，來測試煤從 40℃ 升到 200℃ 所用的時間，它是在煤最易自燃的條件下模擬煤的自然發(fā)火過程。但是煤的絕熱時間并不能代表煤的最短自然發(fā)火期，因為煤的自然發(fā) 火期與煤樣尺寸有關(guān)，絕熱條件下的煤樣尺寸通常小于礦井 實際 條件下的煤堆尺寸，導(dǎo)致絕熱時間小于煤自然發(fā)火期，但是實驗室絕熱時間與現(xiàn)場煤的自燃性又有緊密聯(lián)系，絕熱時間越短，煤越容易自燃，發(fā)火期就越短，反之就越長。通過建立實驗室絕熱煤樣與礦井最易自燃條件下煤堆自然發(fā)火的時間上度量模型，可以預(yù)測煤的最短自然發(fā)火期。因此提出以絕熱氧化實驗為基礎(chǔ)，通過建立氧化動力學(xué)判定指標(biāo)與煤最短自然發(fā)火期的之間的度量模型，通過煤自燃傾向性測試預(yù)測煤的最短自然發(fā)火期。 按照標(biāo)準(zhǔn)測試方法，對挑選的 10 個典型煤樣進(jìn)行氧化動力學(xué)測試和絕熱氧化 測試，采用數(shù)學(xué)分析軟件對無量綱后的氧化動力學(xué)判定指數(shù)、絕熱氧化時間數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，結(jié)果如下： S = 90 .33 8 70 0 38r = 0 .9 75 27 5 22絕熱時間 /h判定指數(shù)0 50 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 002 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 — 8— 曲線擬合數(shù)學(xué)模型為： 14861 0 0 ( )1486T Ln I? ? （ 3— 4） 式中 ： I —— 判定指數(shù)，無量綱； T —— 絕熱時間， h。 因 采用絕熱氧化測試的小煤樣與礦井條件下的大煤樣在發(fā)火時間上還是有一定的差距，但 它 們之間有很好的相似性 。于是， 根據(jù) F— K 理論和大量不同尺寸煤樣的基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)分析，煤最短自然發(fā)火期的 計算式為： ? （ 3— 5） 式中 ： Ts — 煤最短自然發(fā)火期， h。 綜合（ 3— 4）、（ 3— 5）式得 到 ： 14865 3 .1 2 5 ( )1486sT Ln dI? ? （ 3— 6） 于是，將 百貫溝 煤業(yè) 1503 面 煤樣的氧化動力學(xué)數(shù) 據(jù)代入上式，預(yù)測得 到： 該 煤 5煤層最短自然發(fā)火期為 15d。 煤層 自燃指標(biāo)氣體實驗 煤 層 自燃是一個 極其 復(fù)雜的物理、化學(xué)變化過程，是 一個 多變的自加速放熱過程 。在 其 自燃的不同溫度下會出現(xiàn)不同種類和含量的氣體，如 CO、 CO CH C2H C2HC3H8和 C2H2等。根據(jù)煤自燃進(jìn)程中的溫升、氣體釋放等變化特征判識 其 自燃狀態(tài)，對 煤層 自然發(fā)火進(jìn)行識別并預(yù)警 ，是 礦井火 害 預(yù)防與處理的基礎(chǔ) ，也 是礦井火 害 防 控與治理 的關(guān)鍵 。正因如此，它在礦井防滅火工作中， 占有 著 極其重要的地位 。因此，測試煤樣自燃產(chǎn)生各種氣體的順序和 濃度， 正確 找出 煤層 自然發(fā)火對應(yīng)的指標(biāo)氣體，自然亦就成了 百貫溝 煤業(yè) 煤 層 自然發(fā)火早期預(yù)報 的 前提條件。 — 9— 指標(biāo)氣體優(yōu)選原則 為了使 得 預(yù)報 煤層 自然發(fā)火更為及時 、 準(zhǔn)確，所選擇的指標(biāo)氣體必須 同時 具備下列條件： ⑴ 靈敏性：井下一旦 出現(xiàn) 有煤 層 自燃 現(xiàn)象 ，且煤溫超過一定值時，則該氣體一定出現(xiàn)， 其 生成量隨煤溫升高 而不斷地 穩(wěn)定增加； ⑵ 規(guī)律性：指標(biāo)氣體的濃度變化與煤溫之間有較好的對應(yīng)關(guān)系，且重復(fù)性好； ⑶ 可測性：普通色譜分析儀能 夠分辨、 檢測到 該 指標(biāo)氣體的存在。 實驗設(shè)備 指標(biāo)氣體實驗系統(tǒng)如圖 3— 1 所示， 其主要由程序控溫箱、氣體分析儀、銅質(zhì)煤樣罐、預(yù)熱氣路、溫度控制系統(tǒng)、氣體質(zhì)量流量控制器等組成。圖 3— 圖 3— 3 為該 實驗系統(tǒng)的主要實物圖。 圖 3— 1 指標(biāo)氣體實驗系統(tǒng)圖 圖 3— 2 溫度控制箱 實物 圖 圖