王玉懷，任建軍，索 航，余 博

(1.華北科技學(xué)院，北京東燕郊 101601;2.河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京東燕郊 101601)

0 引言

礦井火災(zāi)是煤礦的重大災(zāi)害之一，礦井火災(zāi)不僅使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時(shí)它也是導(dǎo)致礦工傷亡的主要因素［1］［2］［3］。煤炭自然發(fā)火是煤礦火災(zāi)的主要致因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中具有自然發(fā)火傾向的礦井約占51.3%，在國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，每年因煤炭自燃形成的火災(zāi)約360次，煤炭氧化自熱形成的火災(zāi)隱患約4000次［4］。煤炭自燃過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生 CO、CO2、煙塵等，這是造成火災(zāi)時(shí)期人員傷亡的主要原因。據(jù)國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)，在礦井火災(zāi)事故中的遇難者95%以上死于煙霧中毒［5］。

崔家寨礦煤種以褐煤、長(zhǎng)焰煤為主，各煤層均有自然發(fā)火危險(xiǎn)，曾出現(xiàn)多次煤層自然發(fā)火事故或隱患。為了解該礦煤炭自燃過(guò)程中有害氣體及煙霧的釋放規(guī)律，指導(dǎo)礦井預(yù)防和治理井下火災(zāi)，采用錐形量熱儀對(duì)崔家寨礦6號(hào)煤層煤樣的燃燒特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)儀器工作原理

本次試驗(yàn)采用英國(guó)燃燒測(cè)試技術(shù)公司(FTT)公司的錐形量熱儀(CONE)進(jìn)行煤樣的測(cè)試工作，測(cè)試儀器主要由燃燒室、載重臺(tái)、氧分析儀、煙測(cè)量系統(tǒng)、通風(fēng)裝置及有關(guān)輔助設(shè)備等六部分組成。1993年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織正式出版了利用錐形量熱儀來(lái)測(cè)試材料火災(zāi)特性的標(biāo)準(zhǔn)——ISO5660［6］。目前，經(jīng)不斷研制和改進(jìn)，錐形量熱儀現(xiàn)在已成為研究火災(zāi)和評(píng)定材料燃燒性能的理想試驗(yàn)儀器。

CONE是一種根據(jù)氧耗原理設(shè)計(jì)的測(cè)定材料燃燒放熱的儀器。所謂氧耗原理是指物質(zhì)完全燃燒時(shí)每消耗單位質(zhì)量的氧會(huì)產(chǎn)生基本上相同的熱量，即氧耗燃燒熱(E)基本相同［7］。1980年Huggett應(yīng)用氧耗原理對(duì)常用易燃聚合物及天然材料進(jìn)行了系統(tǒng)計(jì)算，得到了氧耗燃燒熱(E)的平均值為13.1kJ/g，材料間的E值偏差為5%。所以，在實(shí)際測(cè)試中，測(cè)定出燃燒體系中氧氣的變化，就可換算出材料的燃燒放熱。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試的煤樣取自崔家寨礦6煤層，為了便于對(duì)比和分析，井田東翼11606工作面和西翼西翼11605工作面各取兩個(gè)煤樣。實(shí)驗(yàn)遵守的標(biāo)準(zhǔn)是ISO5660，采用水平實(shí)驗(yàn)法，測(cè)試時(shí)輻射能量取為50 kW/m2，標(biāo)定常數(shù) c 取 0.039694［8］。

試驗(yàn)過(guò)程中分別測(cè)試了4個(gè)煤樣燃燒過(guò)程中釋放的CO、熱釋放速率、總釋放熱、煙生成速率及總生煙量等參數(shù)，各參數(shù)的數(shù)據(jù)如圖1～6所示。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)以上的數(shù)據(jù)分析，可以出如下結(jié)論:

2.2.1 煤樣點(diǎn)燃時(shí)間(Tign)

煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間反映煤樣被點(diǎn)燃的容易程度，點(diǎn)燃時(shí)間越短，說(shuō)明煤樣越容易燃燒。四種煤樣的點(diǎn)燃和熄滅時(shí)間見(jiàn)表。井田西翼的兩個(gè)煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間遠(yuǎn)小于東翼煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間，而4個(gè)煤樣中3個(gè)煤樣的熄滅時(shí)間相差不明顯。因此，同樣條件下，崔家寨礦6號(hào)煤層井田西翼11606工作面區(qū)域發(fā)火可能性高于東翼11605工作面區(qū)域。

表1 各煤樣的點(diǎn)燃與熄滅時(shí)間

2.2.2 CO濃度及產(chǎn)生量

CO是煤炭自燃過(guò)程中釋放出的主要有害氣體之一，研究煤樣燃燒過(guò)程中CO的釋放規(guī)律對(duì)預(yù)防和處理井下煤炭自燃具有非常重要的意義。4個(gè)煤樣燃燒過(guò)程中CO釋放情況見(jiàn)圖1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，東翼11606工作面煤樣的平均產(chǎn)生CO量超過(guò)西翼，幾乎達(dá)到西翼11605工作面的2倍。因此，東翼11606工作面附近區(qū)域的火災(zāi)CO的危險(xiǎn)性最大。

圖1 煤樣燃燒過(guò)程中的CO釋放情況

表2 各煤樣燃燒過(guò)程中的的CO產(chǎn)生量

2.2.3 熱釋放速率(HRR)和總釋放熱(THR)

熱釋放速率(HRR)是表征火災(zāi)強(qiáng)度的最重要參數(shù)之一，其峰值(PHHR)表征了材料燃燒時(shí)的最大熱釋放程度?？傖尫艧崾遣牧蠌狞c(diǎn)燃到火焰熄滅所釋放的熱量總和。煤樣的熱釋放速率和總釋放熱方面:西翼煤樣的熱釋放速率和總釋放熱要遠(yuǎn)高于東翼兩個(gè)煤樣的總釋放熱。因此，西翼11605工作面附近一旦發(fā)生火災(zāi)后，將產(chǎn)生大量的熱量。

圖2 煤樣燃燒過(guò)程中熱釋放速率變化情況

圖3煤樣燃燒過(guò)程中總釋放熱變化情況

表3 各煤樣燃燒過(guò)程中的熱釋放速率(HRR)

2.2.4 煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)

煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)是表示材料燃燒時(shí)產(chǎn)生煙霧能力程度的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，西翼11605工作面第一個(gè)點(diǎn)煤樣總生煙量最高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他煤樣;從發(fā)生火災(zāi)時(shí)煙霧速率和總量上考慮，西翼11605工作面附近區(qū)域發(fā)生火災(zāi)后的危害最大。東翼11606工作面第一個(gè)點(diǎn)的煤樣的總生煙量比較高。剩余兩個(gè)煤樣在煙生成速率(SPR)和總生煙量(TSR)上差別不大。

圖4 煤樣燃燒過(guò)程中煙生成速率變化情況

圖5 煤樣燃燒過(guò)程中總生煙量變化情況

2.2.5 比消光面積(SEA)

圖6 煤樣燃燒過(guò)程中比消光面積變化情況

比消光面積越大，對(duì)救災(zāi)和人員疏散越不利。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，井田西翼煤樣的第一個(gè)煤樣的SEA的平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他煤樣，第二個(gè)煤樣的SEA也超過(guò)了東翼的兩個(gè)煤樣。因此，西翼一旦發(fā)生火災(zāi)，救災(zāi)難度將超過(guò)東翼。

表4 各煤樣燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的比消光面積

4 結(jié)論

1)井田西翼的兩個(gè)煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間遠(yuǎn)小于東翼煤樣的點(diǎn)燃時(shí)間。

2)東翼工作面煤樣燃燒產(chǎn)生的CO超過(guò)西翼工作面煤樣。

3)西翼煤樣燃燒后產(chǎn)生的熱量超過(guò)東翼工作面煤樣。

4)在煙釋放速率和總生煙量方面，井田兩翼煤樣出現(xiàn)了一定的差異。在這兩個(gè)參數(shù)上，西翼11605工作面第一個(gè)點(diǎn)煤樣最高，東翼11606工作面第一個(gè)點(diǎn)的煤樣次之。其余兩個(gè)煤樣差別不大。

5)西翼煤樣燃燒后的比消光面積超過(guò)東翼工作面煤樣，其中西翼一個(gè)煤樣比消光面積的平均值是東翼煤樣的5.5～6.8倍。

［1］ 鮮學(xué)福，王宏圖，姜德義，劉?？h.我國(guó)煤礦礦井防滅火技術(shù)研究綜述［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2001，3(12):28－32.

［2］ 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［3］ 周福寶，白蘭永，楊綠剛.巷道噴涂防治煤炭自燃新技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011.

［4］ 王剛，程衛(wèi)民.礦井火災(zāi)防治實(shí)用措施［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2013.

［5］ Jukka Hietaniemi，Raija Kallonen，Esko Mikkola.Burning characteristics of selected substances:production of heat，smoke and chemical species［J］.Fire and Materials，1999，23(4):171－185.

［6］ Babrauskas V，Grayson S J.Heat release in fires［M］.London:Chapman ＆ Hall，1995.

［7］ 王慶國(guó)，張軍.錐形量熱儀的工作原理及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2003，(6):36 －39.

［8］ 王玉懷，馬尚權(quán)，潘德祥.煤礦井下可燃材料燃燒特性的試驗(yàn)研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，3(1):1－4.