劉曉恒

(汾西礦業(yè)集團通風(fēng)處，山西 介休 032000)

孤島工作面采空區(qū)遺煤自燃特性及“三帶”測試技術(shù)研究

劉曉恒

(汾西礦業(yè)集團通風(fēng)處，山西 介休 032000)

結(jié)合煤礦井下孤島綜采工作面采空區(qū)遺煤的特點，通過系統(tǒng)的理論研究、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場實測，確定了孤島綜采工作面的采空區(qū)遺煤自燃“三帶”，為安全生產(chǎn)提供了依據(jù)。

孤島工作面；低溫氧化特性；遺煤自燃“三帶”

引 言

孤島綜采工作面采空區(qū)遺煤主要由4部分組成：一是由于綜采面兩順槽端頭支架處頂煤放出率低，造成頂煤垮落后產(chǎn)生的丟煤帶；二是相鄰采空區(qū)端頭的丟煤帶；三是周圍的煤柱和順槽頂板的煤；四是相鄰采空區(qū)的浮煤。前3部分組成了孤島綜采工作面采空區(qū)最大的遺煤帶。這個遺煤帶長時間在暴露的空氣中經(jīng)過了氧化蓄熱升溫，在它進(jìn)入采空區(qū)后，造成了該地點采空區(qū)遺煤溫度相對其他地點有可能較高，縮短了采空區(qū)自燃發(fā)火期。再加上在孤島面掘進(jìn)和開采過程中，兩順槽煤柱易壓碎，存在向相鄰采空區(qū)漏風(fēng)的可能，相鄰采空區(qū)浮煤在回采后一段時間內(nèi)暴露在空氣下已被氧化，如果采空區(qū)內(nèi)漏入氧氣，就可能引起浮煤二次氧化，則自燃危險性更大[1-2]。

本文選取宜興煤礦1202工作面2#煤，利用熱重分析進(jìn)行煤的氧化特性研究，測定煤在氧化過程中的失重率、熱流量與發(fā)熱量等參數(shù)；測定不同粒徑新鮮煤樣在不同溫度條件下煤的吸氧量和失重量。從而進(jìn)一步確定1202綜采工作面采空區(qū)遺煤自燃“三帶”范圍。

1 工作面概況

汾西礦業(yè)集團宜興煤礦井田位于山西省中部，呂梁山東麓。1202工作面所采煤層為二疊系山西組2#煤層，該煤層經(jīng)鑒定屬自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。1202工作面東為南道村保安煤柱，西為560集中軌道巷，北為1201工作面，南為1203工作面(1201工作面與1203工作面均已回采完畢并封閉)。工作面走向可采長度為2 863 m，傾斜長度為212.1 m；煤層傾角0°～7°，平均3.5°；煤層總厚度1.40 m～2.24 m，平均厚度1.77 m，煤層厚度變化不大，屬基本穩(wěn)定煤層。

2 2#煤層低溫氧化特性研究

2.1 實驗部分

1) 實驗設(shè)備

熱重-差熱分析儀：

產(chǎn)地：瑞士METTLER-TOLEDO公司；型號：TGA/SDTA851e；熱流精度：0.1 μW；控溫精度：0.1 ℃。

分樣篩采器：

產(chǎn)地：上海黃浦區(qū)隆順興廠；孔徑：40目(0.50 mm)，60目(0.25 mm)，80目(0.20 mm)。

測量過程由計算機自動控制，測定結(jié)果自動生成數(shù)據(jù)庫。

2) 實驗煤樣

煤樣取自宜興煤礦2#煤。做實驗時剝?nèi)ネ鈱用?，取其中心作為實驗煤樣，并篩選粒徑分別為<40、40～60、60～80、>80目的4種煤粉。

3) 實驗條件

本實驗在空氣氣氛中進(jìn)行。升溫速率：10 ℃/min；樣品質(zhì)量：15 mg～20 mg；空氣流量：50 mL/min～60 mL/min。

2.2 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，不同粒徑2#煤的失重率隨溫度變化曲線如圖1所示。

圖1 不同粒徑2#煤的失重率變化曲線圖

從圖1可以看出，不同粒徑的2#煤煤體隨著溫度的上升，在100 ℃之內(nèi)都發(fā)生了部分失重。主要是由于，煤體當(dāng)中吸附一定的水分和揮發(fā)性氣體，隨著溫度的增加，煤體的質(zhì)量反而呈現(xiàn)上升趨勢，主要是由于煤開始吸附氧氣，并與之發(fā)生氧化反應(yīng)，所以質(zhì)量增加；隨著溫度的升高，煤的質(zhì)量迅速降低，煤開始發(fā)生高溫?zé)峤猓坏竭_(dá)650 ℃以后煤熱解基本完成，剩余成分主要是不燃性灰分。隨著溫度的繼續(xù)升高，質(zhì)量基本上不發(fā)生變化。對比不同粒徑煤低溫氧化結(jié)果表明，隨著煤粒徑的減小，煤體的吸氧量均呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，并且隨著煤粒徑的減小，煤體吸氧增重點溫度也發(fā)生了明顯變化?？梢耘袛?，在一定范圍內(nèi)，隨著煤粒徑的減小，煤發(fā)生自燃的傾向性明顯增加。

將選好的不同粒度的煤樣再次進(jìn)行實驗，實驗條件相同，研究不同粒度2#煤的熱流量和放熱量隨溫度變化情況，如圖2、圖3所示。

從圖2可以看出，隨著溫度的上升，2#煤的熱流量先升高，當(dāng)達(dá)到峰值后迅速降低。研究結(jié)果與煤自燃氧化燃燒特性相符。在煤的自燃氧化燃燒過程中，煤首先吸收氧氣并與之發(fā)生反應(yīng)，該過程為放熱反應(yīng)，所以熱流量呈現(xiàn)不斷升高趨勢，并在一定的溫度下達(dá)到最大熱解峰值。當(dāng)煤熱解完成后煤由于無法繼續(xù)熱解，熱流量會迅速降低。并且，從圖2還可以看出，隨著煤體顆粒尺寸的減小，煤體發(fā)生熱解放熱溫度明顯提前。主要是由于，顆粒尺寸越小，煤體比表面積越大，吸氧量越大，煤發(fā)生熱解也就越容易。同時，研究表明，煤體顆粒尺寸越小，煤在較低溫度下熱流量越大。

圖2 不同粒徑2#煤煤熱流量變化曲線圖

圖3 不同粒徑2#煤發(fā)熱量曲線圖

從上述實驗結(jié)果可以看出，在300 ℃以內(nèi)，煤的放熱量很小，后期隨著溫度的上升，2#煤的放熱均呈現(xiàn)快速上升的趨勢，當(dāng)達(dá)到峰值將保持不變。主要是由于，煤分解完全剩余灰分不再分解放熱。研究結(jié)果表明，隨著煤體顆粒尺寸的減小，煤體放熱溫度明顯提前，主要是由于，顆粒尺寸越小，煤體比表面積越大，吸氧量越大，煤發(fā)生熱解也就越容易。同時研究表明，煤體顆粒尺寸越小，煤放熱量越大。

3 采空區(qū)遺煤自燃“三帶”范圍確定

本文利用熱重分析對宜興煤礦1202工作面2#煤層煤體低溫氧化特性進(jìn)行了研究，進(jìn)一步通過現(xiàn)場實測確定1202工作面采空區(qū)遺煤自燃“三帶”范圍。

3.1 現(xiàn)場實際抽氣與溫度測試

通過采空區(qū)預(yù)埋管路和熱電偶測溫探頭對溫度、氣樣等進(jìn)行分析，以了解工作面推進(jìn)時，工作面風(fēng)量、溫度、氣體濃度等參數(shù)情況和采空區(qū)內(nèi)部溫度、氣體濃度的變化情況。主要有采空區(qū)內(nèi)各測點氣體種類、濃度，工作面供風(fēng)量、溫度及各測點溫度，工作面日推進(jìn)速度、日回采率等。

3.2 “三帶”觀測系統(tǒng)布置

在材料巷布置采集氣體的束管和觀測遺煤溫度的熱電偶系統(tǒng)，由切頂線往外布置4個測點，間距20 m，測點外管路再延伸100 m布置觀測站。測點布置圖如圖4所示。

圖4 1202工作面采空區(qū)觀測布置示意圖

3.3 “三帶”測試結(jié)果分析

對宜興煤礦1202工作面采空區(qū)溫度、氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，測定結(jié)果見表1。

將測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到1202工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)測點氧氣濃度和溫度比較，如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，通過對氧氣濃度變化趨勢進(jìn)行分析，可以得出：

1) 采空區(qū)距離內(nèi)工作面越遠(yuǎn)的地方氧氣濃度越低，測點進(jìn)入采空區(qū)25 m時，氧氣體積分?jǐn)?shù)降到18%；當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)100 m，氧氣體積分?jǐn)?shù)降到8%，從而可以推斷進(jìn)風(fēng)巷氧化帶范圍為25 m～100 m、寬度為75 m。

表1 1202材料巷測點數(shù)據(jù)表

圖5 進(jìn)風(fēng)巷監(jiān)測點進(jìn)入采空區(qū)距離的氧氣濃度變化趨勢圖

2) 隨著測點進(jìn)入采空區(qū)距離的增加，測點的溫度逐漸增大，在75 m左右達(dá)到最大，之后變化較小。

綜上所述，結(jié)合溫度和采空區(qū)氧氣變化可以推

圖6 進(jìn)風(fēng)巷監(jiān)測點進(jìn)入采空區(qū)距離的溫度變化趨勢圖測，宜興煤礦1202綜放工作面散熱帶范圍為0 m～26 m，氧化帶范圍26 m～78 m，大于78 m為窒息帶。

4 結(jié)論

1) 熱重-差熱分析儀測定了不同粒徑煤低溫氧化特性，隨著煤顆粒尺寸的減小，煤體的吸氧量均呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，在一定范圍內(nèi)，隨著煤體顆粒尺寸的減小，煤發(fā)生自燃的傾向性明顯增加。隨著溫度的上升，煤的熱流量呈現(xiàn)先升高，當(dāng)達(dá)到峰值后迅速降低的趨勢，在煤的自燃氧化燃燒特過程中，煤首先吸收氧氣并與之發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，煤開始發(fā)生熱解放出大量的熱量，并在一定的溫度下達(dá)到最大熱解峰值，當(dāng)煤熱解完成后煤由于無法繼續(xù)熱解，熱流量會迅速降低。隨著煤體顆粒尺寸的減小，煤體發(fā)生熱解放熱溫度明顯提前。

2) 通過現(xiàn)場實測得出1202綜采面采空區(qū)遺煤氧化“三帶”寬度為散熱帶范圍為0 m～26 m，氧化帶范圍26 m～78 m，大于78 m為窒息帶。

[1] 程霞，陳鮮展，何啟林.熱分析技術(shù)對煤低溫氧化規(guī)律的研究[J].陜西煤炭,2009(5)：51-52.

[2] 阮圣梅，王軍淮.采空區(qū)遺煤氧化相關(guān)參數(shù)的測定[J].陜西煤炭,2012(2):37-39.

Testingtechnologyresearchon“threezones”andspontaneouscombustioncharacteristicsofresidualcoalingoafofisolatedislandworkingface

LIUXiaoheng

(VentilationDepartmentofFenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,JiexiuShanxi032000,China)

Combined withcharacteristic of residual coal in goafof isolated islandfully mechanized working face in underground coal mine, through systematic theoretical research, laboratory test and field measurement, “three zones”of residual coal spontaneous combustion in goaf of isolated island fully mechanized working face are determined, providing basis for safety production.

isolated island working face; low-temperature oxidation; “three zones” of residualcoal spontaneous combustion

2017-02-22

劉曉恒，男，1985年出生，在職研究生，采礦工程師，從事通風(fēng)管理工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.38

TD82

A

1004-7050(2017)03-0111-03

煤礦工程