朱云輝,程功林,方良才,夏仕伯

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院通風(fēng)安全系,安徽淮南 232001;2.淮南礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司安全開采總院,安徽淮南 232001)

利用固相能量守恒定律判定煤炭最短發(fā)火期

朱云輝1,程功林1,方良才2,夏仕伯2

(1.淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院通風(fēng)安全系,安徽淮南 232001;2.淮南礦業(yè) (集團(tuán))有限責(zé)任公司安全開采總院,安徽淮南 232001)

利用固相能量守恒定律判定煤炭最短發(fā)火期技術(shù),建立簡便實(shí)效的數(shù)學(xué)模型,并與使用 TGA/SDTA851e同步熱分析儀所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,對煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期進(jìn)行測算,大幅提高最短發(fā)火期預(yù)測的效率和精度,對我國研究煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)和煤炭自燃預(yù)防具有重要的參考價(jià)值。

固相能量守恒定律;最短發(fā)火期;數(shù)學(xué)模型

淮南煤田含煤 40層,總厚度 30～40m,其中可采煤層為 11～19層,可采厚度 23～36m。由于淮南礦區(qū)開采深度大,瓦斯涌出量高,礦山壓力顯現(xiàn)明顯,巷道支護(hù)困難,褶曲、斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,加之主采的 13-1煤層屬高瓦斯易自燃煤層,造成淮南礦業(yè)集團(tuán)現(xiàn)有礦井均出現(xiàn)過火災(zāi)現(xiàn)象。[1-3]發(fā)生火災(zāi)的原因主要有以下幾個(gè)方面:

(1)雖然近年來對 13-1煤層自燃原因進(jìn)行了研究,但其真正的自燃機(jī)理仍不甚清楚,對火災(zāi)防治措施具有一定盲目性,防滅火效果不太理想。

(2)煤自燃過程是一個(gè)相對緩慢的過程,可采取有關(guān)手段對其進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)。但目前在淮南礦區(qū)火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)復(fù)雜,預(yù)測預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性、可靠性有待提高。

針對 13-1煤層的自燃特點(diǎn),建立簡便有效的預(yù)測最短發(fā)火期的方法,對研究煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)及提高 13-1煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率,對煤炭自燃及時(shí)預(yù)防具有重要意義。

1 煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期數(shù)學(xué)模型的建立

煤在氧化過程中遵從能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律,[4-5]由此 2定律則可建立氧化過程的數(shù)學(xué)模型如下:

固相能量守恒定律:

氣相能量守恒定律:

氧氣質(zhì)量守恒:

濕氣質(zhì)量守恒:

煤的自熱氧化過程是極其復(fù)雜的,受多種因素相互影響,加上復(fù)雜的邊界條件,這使得用數(shù)學(xué)方法描述這樣一種物理化學(xué)現(xiàn)象極為困難,由于是求算煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期,只要模擬出某點(diǎn)煤炭著火就可認(rèn)為整個(gè)實(shí)驗(yàn)煤樣都著火,本實(shí)驗(yàn)設(shè)定煤溫達(dá)200℃時(shí)就可認(rèn)為煤已自燃,將建立的模型進(jìn)行相關(guān)簡化:

(1)由于裝置精密,已將溫度變化的差值熱量計(jì)入方程,則煤樣就近似處在一個(gè)絕熱的環(huán)境。

(2)煤樣裝填是均勻的、各向同性,可近似認(rèn)為沿徑向 (r方向)無速度梯度與溫度梯度;同時(shí)進(jìn)氣溫度在溫度控制器作用下和煤樣的溫度接近,因此沿 z方向也沒有溫度梯度,煤與進(jìn)出氣流間沒有對流換熱,因此,氣相能量守恒定律式可不考慮;可近似認(rèn)為氣樣中氧濃度不變化,因此,氧氣守恒等式在模擬過程中可不考慮;實(shí)驗(yàn)煤樣經(jīng)過干燥處理,水蒸氣質(zhì)量較少,故濕氣守恒等式在模擬過程中可不考慮。

根據(jù)以上對模型公式的處理,煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期的數(shù)學(xué)模型可以總歸為:

Cs為煤的比熱容,J/g;ρs為煤的密度,kg/ m3;T為煤溫,K;t為時(shí)間,s;Csρ是煤體溫度升高消耗的熱量;∑Q(T)i是煤與氧氣氧化熱、礦物氧化熱、濕潤熱蒸發(fā)熱等所有煤中熱效應(yīng)之和,可通過DSC測得。調(diào)用DSC測得結(jié)果的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,煤的氧化過程中的放熱量∑Q(T)i與煤溫 T之間關(guān)系是指數(shù)關(guān)系,結(jié)合Arrhenius公式與實(shí)測的曲線,設(shè) ∑Q(T)i的表達(dá)式為:

式中,Q0,B為擬合系數(shù),A為頻率因子,E為反應(yīng)活化能 (kJ/mol),R為氣體常數(shù),其值為 8.31J/ (kmol)。式中系數(shù)調(diào)用 DSC測得結(jié)果的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。將式 (6)代入到式 (5)積分就得到煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期τmin的值。

由于模擬過程中只需要 ∑Q(T)i在一定溫度段 (30～200℃)的函數(shù)關(guān)系,因此,也可用多項(xiàng)式擬合,精度完全滿足要求。在該解算程序中采用了 2～6階的多項(xiàng)式對 ∑Q(T)i的函數(shù)式進(jìn)行了擬合,因此,∑Q(T)i的函數(shù)關(guān)系式可寫為:

式中,n為多項(xiàng)式的階數(shù),n=2～6,當(dāng)求出的相關(guān)系數(shù) R≤0.98時(shí),解算程序中自動增加將擬合函數(shù)增加一階;式中多項(xiàng)式系數(shù)調(diào)用 DSC測得結(jié)果的數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。將式 (7)代入到式(5)中,得:

式中,T0為實(shí)驗(yàn)初始溫度取 T0=30℃;Ti為煤的燃點(diǎn)溫度,由于煤礦生產(chǎn)中煤溫達(dá) 200℃時(shí)就可認(rèn)為煤已自燃了,故取 Ti=200℃;τmin為煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期。

2 工程應(yīng)用

2.1 潘北礦 1121(3)工作面概況

該工作面位于東一采區(qū) 13-1煤層第 2塊段,為一單斜構(gòu)造,煤層呈塊狀及粉末狀,煤層產(chǎn)狀變化較大,煤層產(chǎn)狀為:傾向 40°左右,傾角 13～42°。13-1煤厚 3.0～6.0m,平均煤厚 4.4m。本煤層瓦斯風(fēng)化帶平均值為 -426m,故該工作面在瓦斯風(fēng)化帶以下。煤層具有爆炸危險(xiǎn)性,爆炸指數(shù)37%,具有自然發(fā)火性,自然發(fā)火期 3～6個(gè)月,本礦井恒溫帶深度為 30m,溫度 16.8℃,地溫梯度 2.3℃/100m。工作面實(shí)際溫度在 26～30℃。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

煤層自燃參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有 ZRJ-1型煤自燃性測定儀、GC4085型礦井氣體多點(diǎn)參數(shù)色譜自動分析儀、2001型煤自燃特性測試儀、TGA/ SDTA851e同步熱分析儀及WS-G401型自動工業(yè)分析儀等。

2.3 煤樣條件與制備

實(shí)驗(yàn)所取煤樣為 13煤,分別取自潘北煤礦1121(3)工作面上、中、下部。

本次實(shí)驗(yàn)煤樣的主要特點(diǎn)是:

(1)實(shí)驗(yàn)煤樣多。本次實(shí)驗(yàn)使用的煤樣為 90g左右 (平均ρs為 1.4g/cm3,平均 Cs為 39.77mJ/ kg)。

(2)原煤樣是在塑料袋密封下保存,經(jīng)過人工粉碎、過篩,立即放入煤樣罐,基本上是屬于原煤樣,與采空區(qū)遺煤在物化性質(zhì)方面比較接近,因此,模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。

(3)煤樣粉碎處理。打開煤樣袋將煤樣粉碎、過篩和稱量,然后按不同的粒度和空氣流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流量和粒度的考察。

(4)實(shí)驗(yàn)煤樣粒度范圍為 0.198～0.35mm (40～80目)。

2.4 煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期解算

本實(shí)驗(yàn)主要研究潘北礦 13-1煤在不同粒度和水分條件下吸氧量和放熱量隨溫度的變化規(guī)律[6-10],分析 13-1煤低溫氧化的規(guī)律性,并使用 TGA/SDTA851e同步熱分析儀對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,對煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期進(jìn)行測算,將實(shí)驗(yàn)室所得的結(jié)果與現(xiàn)場的最短發(fā)火期參照比較,以指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際。

對公式 (5)中右邊 ∑Q(T)i進(jìn)行曲線擬合,得到擬合曲線,本次擬合采用 5階擬合函數(shù)。擬合曲線見圖1。

圖1 潘北礦熱量溫度擬合曲線

計(jì)算方法為:

其中 R2=0.9914,對式 (5)可以改為:

對上式左邊進(jìn)行積分運(yùn)算,

公式左邊實(shí)驗(yàn)初始溫度取 T0=30℃;終點(diǎn)溫度為煤的燃點(diǎn)溫度,由于煤礦生產(chǎn)中煤溫達(dá)200℃時(shí)就可認(rèn)為煤已自燃了,故取終點(diǎn)溫度 Ti=200℃;則右邊所得出的時(shí)間τmin為煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期。

得出潘北礦煤樣最短發(fā)火期:τmin=152d。

2.5 效果檢驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)測定潘北礦 1121(3)工作面煤炭自然發(fā)火期為 152d,在該工作面自然發(fā)火期 3～6個(gè)月的范圍內(nèi),預(yù)測度可信,固相能量守恒定律判定煤炭最短發(fā)火期技術(shù)具有一定的可行性。

3 結(jié)束語

目前我國對煤自然發(fā)火期建立的數(shù)學(xué)模型復(fù)雜,給定參數(shù)太多,應(yīng)用起來十分困難,并且和實(shí)際情況有很大的差別。固相能量守恒定律判定煤炭最短發(fā)火期技術(shù)通過提高裝置精密性,煤樣裝填均勻性,建立簡便實(shí)效的數(shù)學(xué)模型,大大提高了煤的實(shí)驗(yàn)最短發(fā)火期預(yù)測的效率和精度。該技術(shù)對我國研究煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)和煤炭自燃預(yù)防具有重要的參考意義。

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[責(zé)任編輯:周景林]

Applying Solidoid Energy Conservation Law to Determ in ing Shortest Self-ign ition Period of Coal

ZHU Yun-hui1,CHENG Gong-lin1,FANGLiang-cai2,XIA Shi-bo2

(1.Ventilation SafetyDepartment,Huainan Vocation Technology Institute,Huainan 232001,China; 2.SafetyMining Institute,HuainanMining(Group)Co.,Ltd,Huainan 232001,China)

Utilizing solidoid energy conservation law,the paper set up a s imple and practicalmathematic model and fitwith data from TGA/SDTA851e synchronous thermal analyzer to calculate shortest self-ignition period of coal.Thismethod shortened largelyprediction efficiency and accuracy of shortest self-ignition period,which provided important reference for researching coal self-ignition period prediction and prevention.

solidoid energy conservation law;shortest self-ignition period;mathematic model

TD752.1

A

1006-6225(2010)06-0020-03

2010-07-13

國家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“礦井深部開采安全保障技術(shù)及裝備開發(fā)”HNKY-JT-JS- (2009)11號

朱云輝 (1966-),男,安徽淮南人,研究生,副教授,系主任,主要從事礦井通風(fēng)與安全專業(yè)教學(xué)與研究工作。