专题-煤层自然发火规律分析对策及拓展.doc

1、专题部分煤层自然发火规律分析对策及拓展摘要:介绍了崔家寨井田自然发火状况,分析了井田内煤层自然发火规律,总结出适合本井田的防治煤层自然发火的一些实用的技术措施。关键词:煤层自燃;自然发火规律;分析;对策1引言煤炭的自然发火是煤在常温下缓慢氧化产生热量,若产生的热大于空气流动带走的热量,则导致温度的升高,热量集聚产生自燃。煤炭的自然发火可以在煤炭的井下开采、煤炭露天开采的含炭剥离层中、煤炭的地面堆储以及煤炭的船运等过程中发生。特别是在煤炭井下开采过程中,煤的自然发火对安全生产构成了很大威胁,其危险性包括产生大量有毒有害气体烧毁设备,冻结大量的煤炭导致瓦斯积聚区瓦斯爆炸的潜在危险性。2 煤炭自然发

2、火危险性评价指标2.1研究煤炭自然发火危险性评价指标的基础井下煤炭自燃的三个最基本的内在和外在条件是煤层本身具有自然发火倾向性,并且呈破碎状态堆积有连续的供氧条件有集聚氧化热的蓄热环境。煤炭的自然发火是煤的内在特性包括煤自然物理特征和埋藏地质条件和开采共同作用的结果,以此为基础,至今已研究出多种煤炭自然发火危险性评价的预测方法。2.2 以煤的内在因素为基础的分类方法2.2.1交叉点温度法交叉点温度法已被许多研究者用来确定煤炭开始自然发火特性的一种标准(Feng,1973;Kim,1977),该方法通过实验室实验来确定煤的相对着火点温度(即指交叉点温度),该温度被定义为在实验室条件下可以测量的煤

3、自燃发生的最低温度。根据交叉点温度指标Feng et al,于1973年提出了煤的自然发火倾向性指标,见表1。计算方法为:2.2.2 Olpinski指标Olpinski指标法(banerjee,1985)是将煤的灰分含量(Aa)进行修正,并以Sza表示煤的自然发火危险性:Sza表示在时间一温度曲线上230时的升温。根据Sza的值,可将煤的自然发火危险性分成四类,如表2所示。2.2.3吸级法在受控的实验室条件下,采用光谱分析技术来测定煤的吸氧量。中国根据实验室分析结果建立了煤层自然发火倾向性标准。根据每克干燥的煤样在30条件下的吸氧量,将中国煤层的自然发火倾向性分成三类。表3列出了中国煤层自然

4、发火危险性的分类标准。2.2.4绝热级化法绝热氧化法是在绝热条件下,用煤样自然升温来测定和评价煤的自然发火危险性的方法,英国诺丁汉大学对此的研究比较深入。根据煤在绝热测试中初始升温率(IRT)及总温度上升值(TTR),将煤的自然发火倾向性分成四类,见表4。Ren和Richards于1994年研制一种计算机化的绝热氧化实验装置,该装置由计算机对系统进行实时控制和数据采集,克肥了原绝热装置难以保持恒温、耗时耗工等缺点。2.2.5煤的初始升温率(IRH)和总温度上升值(TTR)预测方程Singh于1987年直接研制了煤的物理特性与其自然升温的关系。采用多元回归分析方法,结合绝热升温实验,找出了IRH

5、和TTR与煤的13种内在特性指标之间的关系。煤的13种特性是指密度(RD)、热值(CV)、水份(M)、挥发份(VM)、固定炭(FC)、灰分(A)、表面水分(SM)、全水份(TM)、全铁含量(TR)、非黄铁矿含量(NPI)、全硫(TS)、黄铁矿硫(PS)和有机硫酸盐含量(OSS)。在统计分析的基础上,建立了一套煤在自然升温倾向性方程,如表5所列。2.3煤层自然发火危险性的综合评价分类方法尽管有大量的实验方法可用来对煤的自然发火倾向性进行分类,但没有哪一种测试方法能够综合考虑影响煤炭自然发火的各种因素。在实验室条件下无法模拟井下的条件,所以不能只用单一的某个或一组实验数据来对煤的自然发火危险性进行

6、分类评价。为了对井下煤层的自然发火危险性进行真实的评价分类,许多研究者综合了煤在自然发火倾向性和煤层开采条件等外在的影响因素。2.3.1潜伏期法对煤层自然发火危险性综合分类,最实肘和最简单的方法即为“潜伏期”的概念。通常定义为煤层最初暴露于采区风流中到第一次发现自热征兆的时间。对于低品位的煤层,潜伏期通常为36个月,有的甚至几天高品位的煤层潜伏期一般在918个月,见表6。至今,该方法已被许多国家用来作为对煤层自然发火危险性分类的辅助指标。但该方法的局限性在于无法实现在煤层开采之前对煤层自然发火危险性进行综合评价预测。2.3.2 模糊聚类分类法许波云于1990年提出了采用模糊聚类综合分类方法,综

7、合煤层吸氧法得出的煤的内在自然发火倾向性指标和煤层的地质赋存因素,如煤层的厚度、黄铁矿含量、倾角等,对煤层的自然发火危险性进行综合预测。2.3.3 Feng,Chakarvarty和Cochrane分级方法 Feng,Chakarvarty和Cochrane于1973年综合了煤层的内在因素和环境指标,如丢煤量、裂隙和通风风压,并根据各因素的影响程度赋予一定的权值指数,用公式表示如下:危险性指数煤层的自然发火倾向性指数环境指数危险性指数是煤层的自然发火倾向性指数与环境指数的乘积,如表7所示。该方法为定量地综合煤层的内在因素和开采因素对煤层的自然发火危险性进行综合评价分类奠定了基础。2.3.4经修

8、正过的Bystron和Urbaski分类方法根据1975年Bystron和Urbaski提出的方法,Atkinson,Singh和Turney于1986年将绝热升温测试结果与Feng,Chakarvarty和Cochrane方法、以及潜伏期方法进行综合考虑。即将绝热升温测试中的IPT和TTR与外在的主观定量因素相综合,从而形成了目前英国和澳大利亚较常用的一种对煤层自然发火危险性进行综合评价分类的方法,如表8和表9所示。2.2.4 煤炭自然发火危险性评价的专家系统对自然发火危险性进行预测评价,可将井下煤层开采自然发火潜在的危险性看成是三种因素的函数:自然发火危险性f(煤体本身的物理特性,地质条件

9、,采矿技术)为了更准确地评价井下煤层自然发火危险性,英国诺丁汉大学的Ren等开发的专家系统,将上述的三种因素综合考虑。该专家系统采用实验室分析结果、地质资料和开采参数来评价煤层开采现场的自然发火危险性程度。但其评价指标的计算方法仍采用的是经修正的Bystron和Urbski方法。该系统在对煤层自然发火危险性进行评价的同时,可向咨询者提出建议性的预防措施。2.2.5 结论本文论述了目前煤层自然发灭危险性的评价分类方法。综合评价分类方法已在不同程度上综合考虑了煤的自然发火倾向性在内的因素,以及外在的开采条件,近期开发的专家系统评价方法,为煤层的自然发火危险性的预测提供了最现代化的工具。但到目前为此

10、,即使是最现代化的专家系统评价分类方法中,其评判指标中的外在因素的权值仍然取决于人的主观评价,应加以进一步研究,并在广泛调研论证的基础上决定各种评定方法的实用性和可靠性。3 矿井煤层自然发火的自燃临界性条件矿井火灾科学中的煤层自然发火必须同时具备3个条件:一是煤层本身必须具有自燃倾向性,即生产矿井内部的破碎煤体或遗煤在低温下应有较高的氧化活性;二是有连续适宜的漏风供氧条件;三是热量易于积聚。目前,有关煤层自然发火原因和机理的研究,已经成为世界各主要产煤国所共同关注的重大课题。煤层自然发火属于煤的自热自燃,具有自燃倾向性的层在采动应力及矿山压力的共同作用下产生破碎或堆积于工作面后方采空区,与空气

11、中的氧在常温下产生持续物理化学作用并放出热量,热量积聚使煤体不断升温达到其着火温度而最终自燃着火。因此,矿井中的煤层自然发火期一般比较长,可达几个月或一年以上;煤层自热自燃过程发展的实质是煤氧之间有限化学反应速率同煤的聚热环境中自热升温速率间的热流耦合。分析研究这种耦合关系,可以确定煤层自然发火的自燃临界性条件。3.1煤的氧化反应及其热效应煤层自然发火是低变质易自燃煤层常温下与空气中的O2发生物理化学反应产生热效应,热量积聚煤温上升,煤氧化学反应进一步加速的结果。客观上讲,易燃煤层在常温状态下的氧化反应速率并不大;只有在反应的热效应引起了煤层及其热环境的温度升高以后,煤O2之间的化学反应才能够

12、得到加速。煤的氧化反应属于气固非均相化学反应,当只考虑煤氧之间单步不可逆的氧化反应时,煤的自热自燃过程可用如下的表面反应通式表示:Coal+nO2=mP+Q(1)式中, P代表反应产物,如CO2等;Q反应热,J/g; m、n化学反应中组分的化学计量系数;Coal一代表易燃煤层中的可燃成分。如果利用单位时间单位质量反应物的消耗量或产物的生成量来表示上式所表达的基元化学反应速率,根据质量作用定律,则氧化单位质量的煤的可燃分时其热产生速率为:q=QdGpdt=QKO2nCoal(2)式中,q煤氧化学反应的热产生速率,J/m3s;Gp反应产物的质量浓度,g/m3;t时间,s;O2反应物O2的质量浓度,

13、g/m3;k反应速率常数,k可由Arrhenius指数定律给出:K=Aexp(-E/RT)(3)式中,A化学反应频率因子(与煤质煤种及反应表面积等因素有关);E煤氧化学反应的活化能,约为40400kJ/mol;T化学反应的煤壁温度,K;R煤的表面O2的气体常数。取Coal=1,将(3)代入(2),得q=QO2nAexp(-E/RT)(4)式中符号意义同前。上式即为易燃煤层发生低温非均相氧化反应时的热产生速率计算式。(4)式表明,煤层在氧化自热过程中热的产生速率q不仅与煤种煤质因素Q、A有关,而且与煤体的反应温度T及自热环境O2浓度O2密切相关。而O2又与煤的表面流速及温度边界层中的扩散传质规律

14、有关。不同易自燃煤样的氧化发热量Q见表1所示。表1中的数据表明,相同情况下低变质煤层的低温氧化发热量远大于高变质煤的氧化发热量,因此矿井开采低变质的褐煤、长焰煤与气煤时,最容易发生煤层自然发火。3.2煤的自热发展与自燃临界性条件3.2.1煤的自热持续发展的条件(1)自然环境中煤的热散失速率煤层自然发火是煤与持续稳定的漏风空气中的O2低温氧化反应的结果。因此采空区或破碎煤体内持续稳定的漏风不仅是供O2的条件,而且也会将氧化所产生的热量部分地带走,使得煤的升温速度受到抑制。在漏风散热环境中,反应热的散失以对流散热的形式为主,且符合Newton冷却定律:qL=hs(T-T)(5)式中,T、T分别为煤

15、的气固非均相反应温度和漏风风流温度,K;h煤与空气间的对流换热系数,J/m2K;S煤氧化反应表面的散热面积,m2。在破碎煤层内部煤的微细观自热表面上,通常存在流速及温度边界层,(5)式所表达的对流散热量qL应当等于通过煤表面边界层传递的热量qtr,即qL=qtr(6)由Fourier导热定律,则得:式中,煤表面边界层内漏风空气的导热系数w/mK;y边界层内距煤壁表面的垂直距离,m。(2)煤自热持续发展的条件工作面采空区或承压破碎煤体自热环境中煤的自热持续发展的条件可归结为:煤的热产生速率必须大于其热散失速率,即qqL或q-qL0(8)漏风空气中O2的体积浓度必须大于10%;煤的接续自热升温时间必须长于该煤层的自然发火期。3.2.2煤的自燃临界性条件(1)煤的自燃温度不同变质程度的煤层有着不同的自燃着火温度Ti,实验室测定的不同煤样的自燃着火温度见表2。由表2可知,变质程度低挥发份含量高的煤,其自燃着火温度一般都比较低。因此,矿井开采低变质高挥发份的褐煤、长焰煤及气煤就比较容易发生煤层自然发火。(2)煤自燃的临界性条件根据上述分析,在采空区或破碎煤体内的自热自燃环境中,当符合煤的自热持续发展条件并维持足够