【正文】 易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 29 400 500 600 700 800 900 1000溫度 /K020406080100T G / % 2 0 1 5 1 050D T G / (%/m i n )內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤礦 F 6103 綜放面 77 架下部煤層煤樣升溫速率為 5 ， 10 ， 15 ℃ / mi n 的 D TG 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果D T G 峰值 : 340 . 6 KD T G 峰值 : 350 . 9 KD T G 峰值 : 353 . 9 KD T G 峰值 : 514 . 3 KD T G 峰值 : 508 . 0。一個(gè)是 起 始 溫度到干裂溫度 的失重過程 ，一個(gè)是干裂溫度 著火 溫度之前的 增重過程 ，另一個(gè)是 著火 溫度到燃盡溫度過程中失重階段 。 由???????? 2ln iPiT?對(duì) T1 作圖，便可以得到一條直線，從直線的斜率 可求 E 。mol 1178。 ii PPi TREEART 1lnln 2 ?????????? ? （ i=1,2,3?? ） （ 32） 式中 ： pT — DTG 曲線上不同階段的峰值溫度， ℃ ； ? — 升溫速率 ； A —指前因子； E — 活化能 ， kJ178。根據(jù)阿侖尼烏斯定律 和 Kissinger 微分法 可以獲得活化能的計(jì)算 方法 ，見公式 31 和公式 32。在 化學(xué)反應(yīng) 過程中， 反應(yīng)活化能的大小由反應(yīng)物分子性質(zhì)所決定，也就跟分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān) ， 不同反應(yīng)有不同 的活化能 ， 活化能越低，反應(yīng) 越容易，反應(yīng) 速率 也 越快，活化能越 大 ，反應(yīng) 越困難。 表 34 實(shí)驗(yàn)煤樣 TG及 DTG曲線上特征溫度點(diǎn)匯總表 編號(hào) 采 樣 地 點(diǎn) 升溫速率 (℃/min) 失水失重階段 氧化增重階段 燃燒失重階段 臨界溫度(℃) 干裂溫度 (℃) 增重極值溫度 (℃) 著火溫度(℃) 失重極值溫度 (℃) 1 27架下部 10 125 275 2 77架中部 10 140 250 3 77架下部 5 145 255 4 77架下部 10 150 260 5 77架下部 15 160 280 煤 氧化進(jìn)程中動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析 活化能 的 計(jì)算 方法 活化能 的 定義目前還沒有完全統(tǒng)一的提法，隨著反應(yīng)速率理論的發(fā)展，人們對(duì)這 個(gè) 概念的理解在不斷深化。在 此 溫度下， 煤的 氧化著火速度 達(dá)到最大值 ， 煤的燃燒進(jìn)入全盛時(shí)期，表明煤 與氧氣 發(fā)生了劇烈的化學(xué)反應(yīng)。 在此溫度 以后 ，含氧官能團(tuán)開始全面裂解，煤體芳環(huán)結(jié)構(gòu)也迅速氧化分解，產(chǎn)生大量 CO、 CO2和小分子有機(jī)氣體，放出大量熱量，煤體質(zhì)量開始急劇下降，預(yù)示 著稠環(huán)芳香核的全面裂解 ， 也暗示著揮 發(fā)物開始燃燒。 著火 溫度 即指 煤釋放出足夠的揮發(fā)分與周圍 助燃?xì)怏w 形成可燃混合物 燃燒的 的最低溫度。 增重極值溫度 增重極值溫度 是氧化增重階段煤樣增重速率最大點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度，即 DTG曲線上 增重速率最大點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的溫度。在 此溫度下 ，煤體中的水分 蒸發(fā) 殆盡， 煤的吸氧性增強(qiáng)， 并以 化學(xué)吸附 為主，煤 分子結(jié)構(gòu)中的橋鍵、烷基側(cè)鏈、含氧官能團(tuán)及一些小分子開始裂解或解聚，并以小分子揮發(fā)物 的形式 釋放。 在此 溫度以后，煤 樣 失 重以失去水分和化學(xué)分解反應(yīng)為主，此時(shí)煤與氧 化學(xué) 反應(yīng)速度加快，消耗煤體內(nèi) 物理 吸附 和化學(xué)吸附 的氧氣， 且煤體孔隙中氣體的解析量和 逃逸量大于吸附 量， 放出 CO、 CO2， N2等氣體 。 TG 及 DTG 曲線上特征溫度點(diǎn)分析 臨界溫度 臨界溫度是失水失重過程中煤樣失重速率最大點(diǎn) 所對(duì)應(yīng)的溫度，即 DTG 曲線上的第一個(gè)最低點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度。 圖 312 F6102綜放 面 77架下部煤層煤樣的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 （ 升溫速率 15℃ /min） 易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 26 分析圖 312 可知： 77 架下部煤層煤樣 ，升溫速率為 15℃ /min 的熱重曲線同樣 可以劃分為四個(gè)階段。 易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 25 圖 311 F6102綜放 面 77架下部煤層煤樣的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 （ 升溫速率 5℃ /min） 分析圖 311可知： 77 架下部煤層煤樣 ，升溫速率為 5℃ /min 的熱重曲線 同樣 可以劃分為四個(gè)階段。 圖 310 F6102綜放 面 77架下部煤層煤樣的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 （ 升溫速率 10℃ /min） 分析圖 310 可知： 77 架下部煤層煤樣 ，升溫速率為 10℃ /min 的熱重曲線同樣 可以劃分為四個(gè)階段。 圖 39 F6102綜放 面 77架中部煤層煤樣的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 （ 升溫速率 10℃ /min） 易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 24 分析圖 39可知： 77架中部煤層煤樣 ，升溫速率為 10℃ /min 的熱重曲線同樣可以劃分為四個(gè)階段 。 易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 23 圖 38 F6102綜放 面 27架下部煤層煤樣的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 （ 升溫速率 10℃ /min） 分析圖 38可知： 27架下部煤層煤樣 ，升溫速率為 10℃ /min的熱重曲線可以劃分為四個(gè)階段。 F6102 綜放面 77 架下部煤層煤樣，升溫速率為 5℃ /min 的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果見圖 311所示 。 F6102 綜放面 77架中部 煤層煤樣 ，升溫速 率為 10℃ /min 的熱重實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果 見圖 39所示 。 實(shí)驗(yàn) 結(jié)果及分析 煤樣的采取地點(diǎn)分別為工作面 27 號(hào)支架下部、 77號(hào)支架中部和下部。 熱重 實(shí)驗(yàn)是在河南省煤礦瓦斯與火災(zāi)防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （河南理工大學(xué)） 進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)儀器采用德國耐馳公司生產(chǎn)的 STA 449C 型熱重分析儀，實(shí)驗(yàn)過程中具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下： ⑴ 吹掃氣為氧氣，使用壓力為 ，流速為 20ml/min； ⑵ 保護(hù)氣為氮?dú)?，輸出壓力恒定?，流速恒定為 20ml/min； ⑶ 升溫速率設(shè)為 10℃ ／ min，升溫范圍為 25℃ ～ 800℃ 。 熱重法試驗(yàn)得到的曲線稱為熱重曲線 (TG 曲線 )， TG 曲線以質(zhì)量作縱坐標(biāo)，從上向下表示質(zhì)量減少；以溫度 (或時(shí)間 )作橫坐標(biāo)，自左至右表示溫度(或時(shí)間 )增加。 實(shí)驗(yàn)時(shí) 樣品坩鍋置于支撐架上，樣品的重量變化用扭轉(zhuǎn)式微電天平來稱量，當(dāng)樣品因分解作用或化學(xué)反應(yīng)發(fā)生重量變化時(shí)，天平梁發(fā)生偏轉(zhuǎn)，梁中心的紐帶易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 22 同時(shí)被拉緊，光電檢 測(cè)元件的偏轉(zhuǎn)輸出變大，導(dǎo)致吸引線圈中電流的改變 ， 光電元件 檢出后，經(jīng)電子放大后反饋到安裝在天平梁上的感應(yīng)線圈，使天平梁又返回原點(diǎn)。 其主要 技術(shù)參數(shù) 有 ： 溫度范圍： 120℃ 1650℃ ； 升降溫速率： 050K/min； 最大稱重量： 5000mg； TG 解析度： ； 內(nèi)置質(zhì)量流量計(jì)，包含 2路吹掃氣與 1路保護(hù)氣 ； 高真空密閉系統(tǒng)，真空度最高可達(dá) 104mbar(102Pa)。 STA 449C 儀器 （見 圖 37所示 ） 主要由記錄天平、加熱爐、程序控溫系統(tǒng)與記錄儀等組 成。采用頂部裝樣結(jié)構(gòu)，與其它結(jié)構(gòu)相比，頂部裝樣結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于操作簡便，即便操作人員裝樣時(shí)略有失誤也不易損壞支架。 STA 449C 是世界上最先進(jìn)的同步 TGDSC熱重 分析儀器，擁有最高解析度與無可比擬的長時(shí)間穩(wěn)定性，即使在 1400℃ 以上的高溫仍能 保證 DSC 傳感器的高靈敏度與比熱測(cè)量的準(zhǔn)確性 。當(dāng)被測(cè)物質(zhì)在加熱過程中有升華、汽化、分解出氣體或失去結(jié)晶水時(shí)，被測(cè)的物質(zhì)質(zhì)量就會(huì)發(fā)生變化 ， 這時(shí)熱重曲線就不是直線而是有所下降。 表 33內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤礦 煤樣 自燃傾向 性鑒定結(jié)果 匯總表 編號(hào) 1 2 3 4 5 采樣地點(diǎn) F6102綜放 面27 架下部 F6102綜放 面39 架下部 F6102綜放 面77 架 中 部 F6102綜放 面回撤通道 F6102綜放 面77 架下部 工 業(yè) 分 析 Mad/% Vad/% Aad/% Vd/% Ad/% Vdaf/% 全硫 St,ad/% 真密度 TRD/% 煤 吸氧量 cm3/g 干煤 自燃等級(jí) I I I I I 煤 的熱重 實(shí)驗(yàn) 及分析 STA 449C 儀器介紹 及 技術(shù)參數(shù) 煤的熱重分析是利用 熱重法檢測(cè) 煤的 溫度 — 質(zhì)量變化關(guān)系 。 計(jì)算結(jié)果見圖 32， 33， 34， 35， 36 所示。 其次將煤樣倒出，在相同的條件下 同一樣品管空管吸附氧氣 5min， 測(cè)定脫附峰面積。將六通閥置于脫附位置，打開四路開關(guān)閥，載氣氮流量為 30士 ，按儀器操作條件啟動(dòng)儀器，將柱箱溫度調(diào)節(jié)到 105℃ ，保持恒溫 。 實(shí)驗(yàn) 過程及測(cè)試結(jié)果 實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先稱取己粉碎樣品 1177。 測(cè)試過程中 煤樣 制備應(yīng)符合以下要求： 粒徑為 ～ 的煤樣在試驗(yàn)煤樣中所占的比率應(yīng)大于 70%；煤樣量為177。 同一采樣區(qū)域煤層煤樣 采集 個(gè)數(shù)不得少于 2個(gè)。 采樣時(shí)先把煤層表面受氧化的部分剝?nèi)?，再將采樣點(diǎn)前面的底板清理干凈，鋪上帆布或塑料布，然后沿工作面垂直方向劃兩條線，兩線之間寬度為 100150mm，在兩線之間采下厚度為 50mm 的煤作為初采煤樣。如地質(zhì)勘探部門需要向有關(guān)設(shè)計(jì)部門提供煤自燃傾向性鑒定結(jié)果及分類等級(jí)報(bào)告， 生產(chǎn) 礦井在開采過程中 在延深新水平 前 ， 需要 對(duì)新水平開采煤 層進(jìn)行 自燃傾向性鑒定。不同煤田和煤層的煤，其自燃傾向性也不同。 根據(jù) GB/T20xx420xx《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》的相關(guān)規(guī)定，煤自燃傾向性分類指標(biāo)以 每克干煤在常溫、常壓下的吸氧量作為分類的主指標(biāo)，根據(jù)吸氧量的不同把煤自燃傾向性等級(jí)劃分為 3 級(jí)，見表 31， 32 所示。 周圍無強(qiáng)電磁干擾，無腐蝕性氣體，無強(qiáng)烈振動(dòng)。10% ， 50Hz177。 圖 31 ZRJ1型煤自燃傾向性測(cè)定儀工作原理圖 技術(shù)參數(shù)如下： 測(cè)量方 法 ： 雙氣路流動(dòng)色譜法 ； 測(cè)量范圍 ： 吸氧量 ～ ； 測(cè)量誤差 ： ≤ 5%； 基線及噪聲 ： 基線漂移 ≤，噪聲 ≤； 靈敏度 ： 10mv/ml（ N2載氣、 O2峰高） ； 溫控精度 ： 177。 250m 16℃ 評(píng)價(jià)指標(biāo) 工作面回采率 /X13 工作面日產(chǎn)量 /X14 工作面供風(fēng)量 /X15 工作面推進(jìn)度 /X16 指標(biāo)賦值 10000t 1750m3/min 表 23 試驗(yàn)工作面 火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) 結(jié)果 試驗(yàn)工作面 綜合未確知測(cè)度 未確知測(cè)度法判別結(jié)果 C1 C2 C3 C4 不連溝煤礦 F6102 綜放面 （淋水較大） Ⅱ 級(jí) 不連溝煤礦 F6102 綜放 面（淋水較小） Ⅱ 級(jí) 易自燃巨厚煤層綜放開采自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及綜合防治技術(shù)研究 — 項(xiàng)目研究報(bào)告 15 3 不連溝煤礦 煤自燃特征參數(shù)研究 煤 的 自燃傾向性 測(cè)試 實(shí)驗(yàn)裝置及 技術(shù)參數(shù) 按 《煤礦安全規(guī)程》 得要求， 煤自燃性 的 測(cè)定 執(zhí)行 GB/T20xx420xx《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》標(biāo)準(zhǔn) 。 小結(jié) 根據(jù)防滅火經(jīng)驗(yàn)和不連溝實(shí)際情況遴選出煤層 煤層賦存地質(zhì)構(gòu)造 等 16 個(gè)評(píng)價(jià)影響因素，構(gòu)建了工作面自燃發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，通過各評(píng)價(jià)因素 的隸屬度函數(shù)確定其單指標(biāo)測(cè)度，利用未知測(cè)度理論對(duì)模型進(jìn)行解算， 從而 確定了 工作面在淋水情況較大和較小情況下的自燃發(fā)火危險(xiǎn)性程度均為“高”級(jí)。而工作面淋水較大情況下，屬于Ⅰ 級(jí)（ C1） 的隸屬度為 %，屬于 Ⅱ 級(jí)（ C2） 的隸屬度為 %，屬于 Ⅲ 級(jí)（ C3）的隸屬度為 %，屬于 Ⅳ 級(jí)（ C4） 的隸屬度為 %。 在淋水較大情況下： +=； 在淋水較小情況下： +=； 由上式可知 內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤礦 F6102綜放面 在淋水較大和淋水較小兩種情況下 火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí) 均為 Ⅱ 級(jí)， 表明在淋水較大和淋水較小兩種情況下 火災(zāi)危險(xiǎn)程度 均較 高 。 具體計(jì)算結(jié)果見匯總表 23。 即可 求得內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤礦 F6102 綜放面 在淋水較大情況下 多指標(biāo)綜合測(cè)度評(píng)價(jià)向量為： {,}。 綜放面 火災(zāi) 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) 的解算結(jié)果 根據(jù) 16個(gè)影響因素的取值，分別代入圖 21～ 9的單指標(biāo)測(cè)度函數(shù)中，由MATLAB 計(jì)算得出內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤礦 F610