工作面煤自燃特征参数计算模型研究

工作面煤自燃特征参数计算模型研究

中国的煤层自燃现象非常严重。据统计，72.86%的煤矿存在自发燃烧，51.3%以上的国有重要煤矿占主导地位。矿井火灾中90%以上为煤层自燃火灾,造成了严重的煤炭资源损失和安全隐患。CO气体由于其敏感性和易检测性,常被用来进行煤自燃早期预测和预报,但是由于开采技术、开采装备及地质条件的不同,影响着煤层自燃火灾早期预测预报指标的确定,如扎赉尔矿务局西山矿南斜井在开采Ⅳ3煤层、大雁二矿在开采30号煤层、开滦集团东欢坨煤矿在开采8号煤层、荆各庄煤矿、崔家寨煤矿以及宁煤灵武矿区的1号、2号、14号、15号及16号煤层,在正常开采的过程中(工作面没有煤自燃征兆)出现了CO气体严重超过《煤矿安全规程》的规定值,CO气体异常涌出,为井下煤自燃危险程度和区域的判断造成极大的干扰性,不能准确地对煤自燃灾害进行预测预报,从而丧失预防和控制煤自燃的最佳时机。为此,通过对开采条件、煤层自燃特性、CO来源及其主要因素分析,建立工作面正常开采条件下上隅角CO浓度值的预测模型,论证和解释工作面正常开采条件下上隅角CO浓度的涌出原因,为及时发现CO浓度异常、采空区自然发火预测提供参考依据。1co气体在工作区的来源分析1煤体温度和煤体碳量对co气体表达的影响徐精彩等采用大型煤自然发火实验台对煤自燃过程中CO气体产生规律进行研究,发现不同种类的煤在氧化过程中出现CO气体的起始温度不同,有的煤样甚至在常温状态下就出现CO气体,如灵武矿区的煤样在常温条件下破碎后立即装入封闭容器内就能检测到CO气体,随煤体温度的升高其CO产生速率相应增加。2煤自由基的形成机理杨广兴等认为煤作为一种有机大分子物质,在外力(如地应力、采煤机的剪切、钻机的剪切等)作用下产生破碎,产生大量裂隙,必然造成煤分子的断裂,从而产生大量的自由基。自由基可存在于煤颗粒的表面,也可存在于煤内部新生的裂纹表面,自由基与氧发生氧化反应生成CO气体。因此采煤机割落的煤炭、采空区以及煤壁裂隙都能够在常温的条件下和空气中的氧气缓慢氧化产生CO气体。3co气体的测定通过实验室研究和现场观测,朱令起等、魏国栋等、杨广兴等、迟春城等认为东欢坨煤矿、大雁二矿250综采工作面、西山矿南斜井开采的Ⅳ3煤层及北斜井右四片回采工作面的煤层中都天然赋存着CO气体,邬剑明等采用解吸法对煤层中的CO气体含量进行了测定。通过以上对煤层开采过程中的CO气体来源进行分析,可以总结出工作面的CO气体主要来源于3种形式,即:煤体的氧化产生、煤层中赋存CO气体以及在割煤过程中产生。2co在工作中的影响因素分析1煤的土地co煤表面分子结构非常复杂,只有其中一些特殊结构“活性基团”或“活性结构”能与氧发生作用,并且不是所有活性结构与氧作用的难易程度一样,主要与煤的性质和种类有关,大量的试验结果和应用实践表明,长焰煤、气煤、肥煤、焦煤、瘦煤、贫煤、无烟煤等煤种受热时CO的涌出规律都比较一致,但是CO浓度值的变化趋势基本是随煤的变质程度的加深而提高。各种煤CO出现的临界温度:褐煤为41℃、长焰煤和肥煤为66℃、气煤为59℃、焦煤为81℃、瘦煤为94℃、贫煤为130℃、无烟煤为83℃。因此针对不同煤层工作面CO浓度值计算时必须通过试验测算其不同温度下的实际CO产生率。2工作面风力偏大时,工作面煤层开采过程中,监测到的CO气体浓度值为相对浓度,所以受风量的影响较大,主要表现在2个方面:一方面当工作面风量偏大时,将会增量采空区的漏风量,造成采空区氧化带宽度增加,CO气体的绝对产生量增大,但是能够对工作面CO浓度起到一定的稀释作用;另一方面,当工作面的风量偏小时,可减少采空区煤自燃氧化带的宽度,减少采空区遗煤氧化程度,但对工作面内CO的稀释能力降低。3采空区内co气体增加变化多工作面开采参数也对采空区CO气体产生量有很大的影响,如工作面倾向长度、倾角、采高等布置参数,回采过程中的回采率、推进速度等参数。对CO气体增加原理主要表现在2个方面:一是开采参数(工作面长度、采高)增加,将会使采空区的立体空间变大,导致采空区内空隙率增加,漏风量增加;二是增加了采空区内遗煤的绝对量(降低采出率)。以上2个条件都为采空区遗煤氧化创造了条件。3co浓度vco计算数学模型根据对灵武矿区工作面上隅角CO气体来源和影响因素分析,在工作面正常开采条件下,能够影响工作上隅角CO气体浓度的主要因素为破碎煤体的氧化产生,因此,将其主要来源分为3类:①采空区遗煤氧化;②推采过程中进入采空区的煤体;③割煤、串联工作区域放炮等其他原因产生。根据以上分析,可建立以下工作面上隅角CO浓度VCO计算数学模型:VCO=(V1+V2+V3)/QL(1)VCΟ=(V1+V2+V3)/QL(1)式中:QL为采空区漏风量;V1为采空区遗煤氧化CO产生量;V2推采过程中进入采空区的煤体氧化CO产生量;V3为其他原因产生的CO气体量。3.1工作面漏风强度及空气浓度分布在正常开采条件下,采空区存在漏风风流,给遗煤自燃提供了必要的供氧条件,漏风风流风速的大小直接影响着煤体的散热和CO气体浓度的扩散,对于采空区的漏风风流大小一般使用漏风强度、漏风率等参数表示。1)漏风强度与漏风量。采空区氧浓度在一个特定区域主要受漏风强度影响。当新鲜风流渗透到采空区遗煤时,沿着漏风路线,随着风流流动,由于煤体对氧的消耗,瓦斯稀释氧浓度,使得风流中的氧含量逐渐降低。在特定区域,由于温度恒定时,煤对氧的消耗速率及瓦斯释放量基本是定值,因此采空区的漏风强度Q¯¯¯Q¯决定了氧浓度的分布情况。采空区漏风量QL计算式为QL=Q¯¯¯S(2)QL=Q¯S(2)其中,S为工作面面积。根据相似定律,由已知工作面采空区漏风强度可推算出类似工作面采空区漏风强度和氧气浓度分布。Q¯¯¯1Q2=R1L2φ2R2L1φ1(Q1Q2)2(3)Q¯1Q2=R1L2φ2R2L1φ1(Q1Q2)2(3)其中:Q¯¯¯1Q¯1、Q¯¯¯2Q¯2分别为要求和已知工作面的漏风强度,m3/(min·m2);R1、R2分别为要求和已知采空区的渗透系数;L1、L2分别为要求和已知工作面的周长,m;φ1、φ2分别为要求和已知工作面的摩擦阻力系数,kg/m3;Q1、Q2分别为要求和已知工作面的配风量,m3/min。由式(2)和式(3)得QL1QL2=Q¯¯¯1S1Q¯¯¯2S2=R1L2S1φ2R2L1S2φ1(Q1Q2)2(4)QL1QL2=Q¯1S1Q¯2S2=R1L2S1φ2R2L1S2φ1(Q1Q2)2(4)式中:QL1、QL2分别为要求和已知工作面的漏风量,m3/min;S1、S2分别为要求和已知工作面面积,m2。定义漏风系数为η,则η=QL1Q21=R1L2S1φ2R2L1S2φ1QL2Q22η=QL1Q12=R1L2S1φ2R2L1S2φ1QL2Q22设定2个工作面的开采条件相同,则η=QL/Q2,所以:QL=ηQ2(5)QL=ηQ2(5)式中,Q为工作面供风量。3.2co生成量在开采时煤体氧化温度可根据实际选定,相应温度条件下CO产生率可根据试验测定,则CO浓度大小主要由氧化的煤量和CO产生率决定。1采空区氧化带遗煤氧化修正系数V1=αLHZ1(1−φ)δ(T)(6)V1=αLΗΖ1(1-φ)δ(Τ)(6)式中:α为采空区氧化带遗煤氧化修正系数,小于1,一般情况下,综采工作面取0.3~0.5,综放工作面取0.2~0.4;L为工作面长度,m;H为开采煤层厚度,m;Z1为采空区氧化带的宽度,m;φ为工作面采出率,%;δ(T)为煤体在温度T时CO气体的产生速率(根据煤自燃性试验确定),mol/(cm3·s)。2散带氧化修正系数采空区散风率的计算V2=βLHZ2(1−φ)δ(T)(7)V2=βLΗΖ2(1-φ)δ(Τ)(7)式中:β为采空区散热带遗煤氧化修正系数,在正常漏风条件下一般取0.8~1.0,若漏风率小于1%则取小于0.5;Z2为采空区散热带的宽度,m。3割煤过程中co产生量vg通常情况下串联工作区域放炮或其他原因产生的CO存在时间较短,在正常监测预报时,一般可以忽略。则:V3=Vg=vLH24×3600θ=1.157×10−5vLHθ(8)V3=Vg=vLΗ24×3600θ=1.157×10-5vLΗθ(8)式中:Vg为割煤过程中CO产生量;θ为在割煤过程中单位体积煤量机械破碎时CO产生量,mol/cm3;v为工作面推进速度,m/d。3.3煤体机械破碎前后vlp表15将式(5)至式(8)代入式(1),得工作面正常生产时上隅角CO浓度计算模型:VCO=[(αZ1+βZ2)LH(1−φ)δ(T)+1.157×10−5vHLθ]/(ηQ2)(9)VCΟ=[(αΖ1+βΖ2)LΗ(1-φ)δ(Τ)+1.157×10-5vΗLθ]/(ηQ2)(9)在一般开采条件下,煤体机械破碎产生CO量远小于煤体氧体产生CO量,即δ(T)≫1.157×10-5θ,因此,在计算工作面正常开采条件下上隅角CO浓度时,式(9)可简化为VCO=(αZ1+βZ2)LH(1−φ)δ(T)ηQ2(10)VCΟ=(αΖ1+βΖ2)LΗ(1-φ)δ(Τ)ηQ2(10)4工作面脑c在灵武矿区选取不同开采方式的3个工作面进行现场验证,分别在灵新矿L1816综采工作面、羊场湾Y16综放工作面及羊场湾大采高工作面,记录不同工作面开采基本工艺参数,同时通过对采空区进行煤自燃三带观测,分析了不同工作面不同开采条件下的氧化带宽度,并采取煤样进行自然发火模拟试验,测定不同温度下的CO产生速率,作为工作面上隅角CO浓度计算的依据。将上述参数分别代入式(10),最终得到各个工作面的极限CO气体浓度参数,见表1,由表1可知,灵武矿区典型工作面上隅角CO浓度预测计算值与现场实际观测值基本吻合。5工作面开采对煤自然氧化的影响1)通过对工作面正常开采条件下上隅角CO气体浓度的影响因素进行分析,推导出了综合考虑CO产生的内因和外因双重条件的浓度值计算公式,通过现场验证,能够较真实地对灵武矿区不同开采条件下工作面上隅角的CO气体浓度值进行计算,同时得出:随着煤层开