【正文】 未出現(xiàn)過自燃現(xiàn)象。3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究及井下觀測情況，研究符合王臺(tái)礦煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體，為礦井防滅火措施提供提供依據(jù)?？梢?，煤的吸氧及熱量的積聚在煤自燃過程中起著關(guān)鍵的作用，是煤自燃的起因及過程必不可少的步驟。煤的自熱首先開始于吸附空氣中的氧氣，當(dāng)煤中含少量硫化礦物時(shí)，其自燃主要表現(xiàn)為煤自身吸附空氣中的氧而開始的自熱過程。2) 吸氧量測試條件：煤樣粒度以下；煤樣量：1g；煤樣加熱溫度：30℃和70℃。實(shí)驗(yàn)測量的煤樣的吸氧量如表23所示：表23 煤的物理吸氧量及含硫量煤樣名溫度/℃吸氧量（cm3/g）王臺(tái)礦15號(hào)煤樣3070從表23可以看出，實(shí)驗(yàn)煤樣的吸氧量隨煤樣溫度的增加而增大，這是因?yàn)槊簶訌某氐竭_(dá)臨界溫度(約70℃)之間是由于物理吸附向化學(xué)吸附過渡階段。圖23 煤樣的TG曲線圖通過分析煤樣TG、DTG曲線圖，找出五個(gè)特征溫度點(diǎn)，并進(jìn)行詳細(xì)分析，現(xiàn)將分別說明：(1)煤樣的臨界溫度T1即是煤樣的失重速率最大點(diǎn)溫度。在此溫度下，煤分子結(jié)構(gòu)中的側(cè)鏈、橋健等小分子干裂速度加快，使得活性結(jié)構(gòu)增速加快，煤的吸氧性增強(qiáng)，化學(xué)吸附量劇增，煤的吸附量基本與脫附氣量和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體基本相等，成一種動(dòng)態(tài)平衡。在此溫度下，煤中的活性結(jié)構(gòu)數(shù)量和對(duì)氧的吸附量到達(dá)極大值，煤增重量達(dá)到最大，即累計(jì)吸附量達(dá)到最大。煤樣顯示為增重，直到T5點(diǎn)煤開始燃燒，放出大量的熱和烷、烯烴以及CO和CO2氣體，之后煤樣又開始失重。min)；按下式計(jì)算： 式中：n0CO(t)— 給的條件下的CO發(fā)生率，mol/(Kg 煤低溫氧化微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究煤的自燃特性取決于煤的分子結(jié)構(gòu)，主要是活性范圍的種類、數(shù)量和分子之間結(jié)構(gòu)狀態(tài)，同時(shí)煤的自燃氧化過程也要反映在超分子微觀結(jié)構(gòu)的變化上。對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎研磨，過篩為平均直徑為160~100um的碎煤粉；取煤樣在自制空氣加熱爐中對(duì)煤進(jìn)行恒溫氧化，通100mlmin1的空氣使其氧化，按照出現(xiàn)不同氣體設(shè)定溫度，然后恒溫510min，使煤樣充分氧化，取出封裝在玻璃瓶，供紅外分析儀和后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。表27 分子中各種基團(tuán)紅外光譜吸收峰分析 基團(tuán)名稱吸收峰范圍/cm1吸收峰位置/cm1羥基OH3700~36003696，3653，3621苯酚、伯胺、基團(tuán)羥基NH氫和羥基上H的伸縮振動(dòng)，KBr3606~33083415苯環(huán)、烯烴、=CH伸縮振動(dòng)3299~30973043RXCH3基團(tuán)、芳香甲基CH33097~29943040芳香亞甲基、含氧環(huán)烷CH2中H的不對(duì)稱2994~28262917乙烯基團(tuán)(C =C )雙鍵伸縮振動(dòng)1680~15191603CHCH3，H的面內(nèi)變形振動(dòng)1519~13591427芳香醚，乙烯醚環(huán)氧化合物H與苯環(huán)變化振動(dòng)1350~11251157苯環(huán)骨架及所帶基團(tuán)振動(dòng)1061~9481032苯環(huán)上孤立的氫面外變形振動(dòng)948~878911根據(jù)圖26和表27可知，煤樣中含有基團(tuán)為：羥基、苯酚、伯胺、苯環(huán)、烯烴基團(tuán)、RXCH3基團(tuán)、芳香甲基、芳香亞甲基、羧酸、酯等C=O雙鍵、芳香醚、乙烯醚環(huán)氧化合物等。通過對(duì)王臺(tái)礦15號(hào)煤層煤樣光譜圖的分析，從光譜分析結(jié)果可看出，15號(hào)煤層所采的原煤樣含有較多的側(cè)鏈和羥基(OH)，故煤具有較強(qiáng)的自燃傾向性。煤在熱解過程時(shí)要產(chǎn)生多種氣體，且各種氣體產(chǎn)生的最低溫度，以及氣體生成量和煤溫之間的關(guān)系因煤質(zhì)不同而異。如撫順老虎臺(tái)礦煤層的氣煤，出于對(duì)丙烷和乙烷的吸附能力強(qiáng)，若以此作為指標(biāo)氣體，很難保證預(yù)報(bào)精度。在選擇指標(biāo)氣體時(shí)必須針對(duì)具體礦進(jìn)行專門試驗(yàn)研究，不能簡單照搬其它礦的結(jié)論。測試時(shí)向煤樣內(nèi)通入50ml/min的干空氣。C3H8氣體出現(xiàn)的較晚，煤溫達(dá)到160℃時(shí)才出現(xiàn)，此氣體的出現(xiàn)說明煤升溫氧化已發(fā)展到非常危險(xiǎn)的程度。平均傾角3176。二氧化碳：— m3/min。煤氧復(fù)合的放熱反應(yīng)與氧濃度有關(guān)，熱量積聚與漏風(fēng)強(qiáng)度有關(guān)，與松散煤體厚度有關(guān)，并且在常溫下煤氧復(fù)合速度慢、放熱強(qiáng)度小。因此，要對(duì)綜采面采空區(qū)浮煤自燃做出預(yù)測，必須掌握采空區(qū)氧化帶寬度、OCO、CO2的濃度，以及工作面日常實(shí)際推進(jìn)度、工作面風(fēng)量等參數(shù)。第二階段于2008年6月18日至25日再次對(duì)工作面進(jìn)行觀測。能夠表示采空區(qū)遺煤氧化升溫狀況的氣體成分主要是CO和O2。FLUENT是目前處于世界領(lǐng)先地位的CDF軟件之一，廣泛用于模擬各種流體流動(dòng)、傳熱、燃燒和污染物運(yùn)移等問。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量方程，方程如下所示：連續(xù)性方程 (41)動(dòng)量方程 (42) (43) 其中：。進(jìn)風(fēng)巷的CO濃度為0，回風(fēng)巷的CO濃度為觀測值。采空區(qū)被認(rèn)為是多孔介質(zhì)。圖47顯示了工作面與回風(fēng)巷不同距離時(shí)采空區(qū)氧氣濃度的變化，并顯示了不同等濃度線的數(shù)值。且目前在王臺(tái)鋪煤礦的通風(fēng)方式和推進(jìn)速度的條件下，煤氧化產(chǎn)生的CO濃度的最大值可為66ppm，表明在該條件下，煤氧化速度比較慢。在該區(qū)域內(nèi)，頂板冒落的巖塊處于松散堆積狀態(tài)，孔隙多且大，％，供氧充足，而氧化生成的熱量容易被漏風(fēng)帶走，熱量不能聚積，故為氧化散熱帶。根據(jù)氧濃度曲線可知采空區(qū)當(dāng)量氧濃度值=，則實(shí)驗(yàn)氧濃度與實(shí)際氧濃度相似比例系數(shù)=，采空區(qū)浮煤最短自然發(fā)火期Tmix=97天，可知2304綜采面采空區(qū)可能發(fā)生自燃的極限推進(jìn)度為： 因此，采空區(qū)無自然發(fā)火危險(xiǎn)；，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。（2），采空區(qū)無自然發(fā)火危險(xiǎn)；，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)以能夠反映礦井煤層自然發(fā)火的狀況和質(zhì)量特征為目標(biāo)，確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)太多，會(huì)增加指標(biāo)體系的復(fù)雜程度和評(píng)價(jià)的難度，甚至?xí)谏w關(guān)鍵因素；指標(biāo)太少，評(píng)價(jià)簡單易行，但又難以全面反映煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度。 2304綜采工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）是對(duì)一些較為復(fù)雜、較為模糊的問題作出決策的簡易方法，它特別適用于那些難于完全定量分析的問題。對(duì)于王臺(tái)礦，經(jīng)系統(tǒng)的分析并計(jì)算，得出其采空區(qū)煤自燃各影響因素的判斷矩陣如表53所示。 通過對(duì)采空區(qū)煤自燃影響因素進(jìn)行層次分析計(jì)算，求得判斷矩陣B符合一致性檢驗(yàn)條件。煤層自然發(fā)火的外因?qū)哟畏治龊涂疾毂砻鳎跖_(tái)礦開采地質(zhì)條件簡單，采煤方法先進(jìn)；通風(fēng)方式科學(xué)，風(fēng)量分配合理；工作面推進(jìn)速度快（）；兩巷采空區(qū)采用鉆孔放炮強(qiáng)制頂板冒落，且嚴(yán)實(shí)，不易形成漏風(fēng)。6 自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)研究 煤層自然發(fā)火規(guī)律 通過以上實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤層自然發(fā)火的研究，結(jié)合對(duì)試驗(yàn)工作面發(fā)火的考察，找出了煤層自然發(fā)火期，并對(duì)2304綜采面三帶的觀測和自然發(fā)火危險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出以下地點(diǎn)為15號(hào)煤層易自然發(fā)火地點(diǎn)及相關(guān)的自然發(fā)火規(guī)律。根據(jù)安全度值的不同，可將礦井煤層自然發(fā)火的安全性分為A、B、C、D等4個(gè)等級(jí)，如表56。其次是煤的含硫量，在該礦區(qū)，煤中硫成分含量較高，其是導(dǎo)致該礦區(qū)煤自燃的主要因素之一。 （54）式中：為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)；為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。構(gòu)造判斷矩陣是將結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為數(shù)量模型，它是將同一層次中兩兩因素間相對(duì)重要性給出一定標(biāo)度的判斷。根據(jù)15號(hào)煤層特征，采空區(qū)、煤柱、冒頂區(qū)是本煤層易發(fā)火地點(diǎn)，尤其是采空區(qū)，因?yàn)椴煽諈^(qū)一旦自燃，工作面被迫封閉，會(huì)造成上千萬設(shè)備被封閉在采空區(qū)內(nèi)，不僅影響生產(chǎn)，而且也會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。5 15號(hào)煤層自燃危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)方法煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)技術(shù)是在煤層尚未出現(xiàn)自然發(fā)火征兆之前，根據(jù)煤層的賦存條件、開拓開采條件以及煤本身的氧化放熱升溫特性等因素，采取不同的方法對(duì)煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度等重要火災(zāi)參數(shù)指標(biāo)做出超前判識(shí)的一種技術(shù)。因此，根據(jù)采空區(qū)氧化升溫區(qū)范圍和最大安全氧化帶范圍。采空區(qū)浮煤要自燃，不僅要有一定的浮煤厚度，還需要具備足夠的時(shí)間維持該區(qū)域的條件不變，即維持時(shí)間必須達(dá)到：TTmix式中：Tmix為浮煤的最短發(fā)火期，天。 （2）采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷濃度較高，以后沿漏風(fēng)流線逐漸被消耗，與常見U形進(jìn)回風(fēng)巷不同，三帶并不是沿工作面向采空區(qū)依次排列。根據(jù)圖48氧濃度分布圖和圖49速度分布圖的迭加，得到采空區(qū)自燃氧化帶的大致分布區(qū)域。隨著工作面的推進(jìn)，分別計(jì)算了回風(fēng)橫川與工作面距離分別為80m、160m和240m三種情況下采空區(qū)流場的變化、O2濃度場和CO濃度場的分布。上述控制方程的求解均采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的控制容積法進(jìn)行離散，離散過程中的對(duì)流項(xiàng)與擴(kuò)散項(xiàng)分別采用2階中心差分格式。為產(chǎn)生CO的耗氧量占煤耗氧總量的比例，為采空區(qū)吸收CO強(qiáng)度，取。計(jì)算結(jié)果可以用云圖、等值線圖、矢量圖、XY散點(diǎn)圖等多種方式顯示、存儲(chǔ)和打印，甚至傳送給其他CFD或FEM軟件。這個(gè)結(jié)果與觀測結(jié)果相近，說明已進(jìn)入窒息帶，由此可見窒息帶的起始邊界線為采空區(qū)后方約327m。2304綜采面3月份至6月份風(fēng)量分配情況如表41。圖42 M－9000型燃燒分析儀采空區(qū)的氣體成分觀測采用抽氣法，通過管道將采空區(qū)里的氣樣采集到采氣球內(nèi)，然后拿到地面用M－9000型燃燒分析儀進(jìn)行分析各種氣體成分。因此，還必須根據(jù)工作面實(shí)際推進(jìn)速度及氧化升溫帶的動(dòng)態(tài)變化情況，進(jìn)一步確定出采空區(qū)氧化自燃帶范圍。地壓：～?！?。這些氣體的生成濃度均隨煤溫的升高表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，其中CO濃度隨溫度的變化規(guī)律最好。圖34 王臺(tái)礦15號(hào)煤樣CO和CO2變化趨勢圖圖35 王臺(tái)礦15號(hào)煤樣CHC2H6 、C2H4和C3H8變化趨勢圖通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和趨勢圖，我們可以發(fā)現(xiàn)，王臺(tái)礦15號(hào)煤層煤樣在30℃到220℃溫度范圍的氧化過程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、COCHC2HC2HC3H4和C2H8氣體，CO、COCH4三種種氣體均在30℃時(shí)即開始出現(xiàn)，并氣體產(chǎn)物生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢。表31 煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)條件煤樣粒度（mm）煤高（cm）煤重（g）空氣流量（ml/min）升溫速度（℃/min）15號(hào)煤52010001202008年4月4日，采取王臺(tái)鋪煤礦15號(hào)煤層2304工作面煤樣。自燃解吸氣體是指原本就吸附于煤空隙表面，因煤升溫而解吸出來的氣體，其主要成分是CH4和CO2，還有少量的烷烴氣體。在一定區(qū)域范圍內(nèi)的各煤樣在熱解時(shí)，出現(xiàn)該氣體的最低溫度基本相同，其生成速率的變化與煤溫之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系且重復(fù)性較好； （3）可測性。其中，物理變化含有氣體的吸附、脫附、水分的蒸發(fā)與凝結(jié)、熱傳導(dǎo)、煤體的升溫、結(jié)構(gòu)的松散等；化學(xué)變化包含有煤表面分子中各種活性結(jié)構(gòu)與氧發(fā)生化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，生成各種含氧基團(tuán)及產(chǎn)生多種氣體，同時(shí)伴隨著熱效應(yīng)(有放熱和吸熱)。同時(shí)3696cm3621cm1OH(羥基)以及1110~1330cm1醚鍵等隨氧化溫度增加表現(xiàn)出先增加而后降低的規(guī)律，而1700cm1( C =O羰基)處吸收峰隨氧化溫度的增加而明顯增加。對(duì)該采空區(qū)的原煤樣及處理后的煤樣進(jìn)行光譜分析，得到如圖26所示的光譜曲線圖，對(duì)譜圖進(jìn)行處理得到系列成果(表27)。通常認(rèn)為煤大分子是由周邊連結(jié)有多種原子基團(tuán)的縮聚芳香稠環(huán)、氫化芳香稠環(huán)(統(tǒng)稱芳香核或基本單元結(jié)構(gòu))，通過各種橋鍵，如次甲基鍵(例如CHCH2CHCH2CH2CH2等)、氫鍵(O、CH2O等)、硫鍵(S)等聯(lián)結(jié)而成。由于煤在常溫～363K溫度段內(nèi)的水分蒸發(fā)量較小，所以近似認(rèn)為水分的蒸發(fā)主要在363K～393K溫度段內(nèi)完成。 DSC實(shí)驗(yàn)通過對(duì)王臺(tái)礦15號(hào)煤層煤樣的DSC實(shí)驗(yàn)，得出煤樣的DSC、DDSC曲線如圖24所示?！鏁r(shí)，物理吸附逐漸減弱，化學(xué)吸附增強(qiáng)，并伴隨由化學(xué)反應(yīng)，可以明顯的檢測到CO產(chǎn)生。在此溫度下，煤中帶有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的大分子斷鍵開始加快，煤的吸附、脫附動(dòng)態(tài)平衡被打破，由于前一階段的化學(xué)反應(yīng)消耗了大量的氧，可供反應(yīng)的氧氣量減少，反應(yīng)產(chǎn)氣量減少，煤表面空出了許多孔隙可以吸附大量氧氣，化學(xué)吸附量增大，煤樣失重速率減緩，開始增重。(2)煤樣的增速溫度T2即是煤樣失重速率最小點(diǎn)的溫度。 煤的熱重實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用德國耐馳公司的STA449C熱重分析儀，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖22所示。分別裝入四支樣品管內(nèi)，樣品管兩端分別塞以少許玻璃棉，再將樣品管安裝在儀器相應(yīng)的接頭上。實(shí)驗(yàn)是對(duì)采自王臺(tái)礦2304綜采面的煤樣進(jìn)行吸氧量的測試及數(shù)據(jù)采集。煤的工業(yè)分析主要對(duì)煤中的水分、灰分和揮發(fā)分進(jìn)行測定。根據(jù)試驗(yàn)工作面具體采礦、地質(zhì)、通風(fēng)條件，研究適用于王臺(tái)礦煤自燃防滅火技術(shù)。掌握15號(hào)煤層在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)過自燃的條件，提出針對(duì)性的預(yù)測預(yù)報(bào)措施、滅火措施，這對(duì)保證礦井的安全生產(chǎn)具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)過多年的觀測，王臺(tái)鋪井下溫度冬季在12℃左右，夏季在16℃左右。6）煤層開采條件（1）瓦斯根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，該礦于2006年7月對(duì)礦井瓦斯等級(jí)和二氧化碳涌出量進(jìn)行了鑒定。％。煤巖成分以亮煤、鏡煤為主，暗煤和絲炭次之。該礦批準(zhǔn)開采15號(hào)煤層，經(jīng)多次改造，2006年該礦核定生產(chǎn)能力210萬t/a，礦井開拓方式為斜井多水平盤區(qū)開拓。該礦位于山西省晉城市北東10km處，行政區(qū)劃屬晉城市城區(qū)北石店鄉(xiāng)和澤州巴公鎮(zhèn)、高都鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112176。因此難以撲滅，以至火災(zāi)可以持續(xù)數(shù)月，數(shù)年甚至幾十年至上百年之久，長期威脅著礦井的安全生產(chǎn)。分類號(hào)： 密級(jí)：UDC： 編號(hào)：晉城煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司王臺(tái)鋪煤礦科學(xué)研究報(bào)告王臺(tái)鋪煤礦15號(hào)煤層自然發(fā)火條件及綜合防滅火技術(shù)研究