孫喜貴，徐長(zhǎng)富，姚海飛，張 群，吳海軍

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

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門克慶煤礦3-1煤層最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)研究

孫喜貴1，2，徐長(zhǎng)富1，2，姚海飛1，2，張 群1，2，吳海軍1，2

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013）

最短自然發(fā)火期是衡量煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)之一。為了科學(xué)地測(cè)試煤層最短自然發(fā)火期，以門克慶3-1煤層為研究對(duì)象，利用煤的絕熱氧化反應(yīng)裝置，測(cè)試了煤樣升溫過(guò)程中各種氣體的生成量，確定了3-1煤的交叉點(diǎn)溫度，并根據(jù)生成的CO與CO2鍵能值計(jì)算氧化升溫過(guò)程中的放熱量，再根據(jù)差示掃描量熱實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同溫度時(shí)煤的比熱容，進(jìn)而分段計(jì)算達(dá)到交叉點(diǎn)溫度所需要的時(shí)間。結(jié)果表明：門克慶煤礦3-1煤自燃傾向性等級(jí)屬于I類，最短自然發(fā)火期43d，為煤礦制定有效防滅火措施提供了依據(jù)。

最短自然發(fā)火期；絕熱實(shí)驗(yàn)；交叉點(diǎn)溫度

煤自然發(fā)火期是其自燃危險(xiǎn)性在時(shí)間上的度量，定義為煤體暴露于空氣中到發(fā)生自然發(fā)火整個(gè)過(guò)程所需要的時(shí)間［1］。一般是指煤礦某一煤層自然發(fā)火最短的時(shí)間，也常被稱作煤層最短自然發(fā)火期［2］。它直觀地表征了煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性［3］，對(duì)礦井防滅火工作有著重要指導(dǎo)作用。煤礦科技人員常采用煤層最短自然發(fā)火期作為衡量煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的指標(biāo)［4］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)確定自然發(fā)火期的方法進(jìn)行了大量的研究。主要有統(tǒng)計(jì)比較法、類比法、實(shí)驗(yàn)室測(cè)定法、數(shù)學(xué)模型法和綜合法［5］。陳文勝等［6］初步研究了基于活化能指標(biāo)的自然發(fā)火期；王德明等［7］通過(guò)測(cè)試煤70℃的氧濃度和交叉點(diǎn)溫度，確定了煤最短自然發(fā)火期的氧化動(dòng)力學(xué)方法；岳超平［8］以化學(xué)吸附熱和化學(xué)反應(yīng)熱作為煤自燃升溫的主要熱源，建立了煤層自然發(fā)火潛伏期解算的實(shí)驗(yàn)方法；應(yīng)用最廣的是余明高改進(jìn)后卡連金數(shù)學(xué)模型［9］。

門克慶煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市呼吉爾特礦區(qū)的中部，是一座現(xiàn)代化特大型新建礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力12.00Mt/a。井田東西寬約7.6km，南北長(zhǎng)約12.3km，面積約94.95km2。井田可采9層煤，從上往下依次為2-1，2-2中，3-1，4-1，4 -2中，5-1，5-2，6-2上，6-2中煤層。其中，3-1號(hào)煤為首采煤層，可采厚度1.41～6.17m，平均4.42m。本文在卡連金模型的基礎(chǔ)上，以圓柱形煤體為物理模型，測(cè)試煤樣自燃過(guò)程中的比熱容、水分、放熱率等參數(shù)，計(jì)算煤樣自常溫升到交叉點(diǎn)溫度時(shí)所需的時(shí)間，從而確定煤層最短自然發(fā)火期，為煤礦制定合理有效的防滅火措施提供依據(jù)。

1　煤層最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)模型

煤自燃是氧化產(chǎn)熱及向環(huán)境進(jìn)行熱交換矛盾發(fā)展過(guò)程。在絕熱條件下，煤樣氧化產(chǎn)生的熱量全部用來(lái)蒸發(fā)煤中水分、釋放瓦斯等氣體和加熱煤體，使煤樣由常溫升到交叉溫度所需的時(shí)間記為該煤層的最短自然發(fā)火期［10］，其公式［11］為

1.1瓦斯吸附量

煤樣在不同溫度下的瓦斯吸附量按式（2）［12］計(jì)算:

式中，P為煤層的瓦斯壓力，kPa。

1.2放熱速率

在不同溫度下，煤樣放熱速率［13］由式（4）確定:

1.3水分蒸發(fā)量

ΔWp為ti-ti+1溫度段內(nèi)煤樣的水分蒸發(fā)量，其值等于煤的全水分含量乘以該溫度段所蒸發(fā)全水分含量的百分?jǐn)?shù)［14］。通常，室溫～100℃蒸發(fā)全水分含量的 5%，100～120℃蒸發(fā)全水分含量的95%。

2　實(shí) 驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)煤樣

實(shí)驗(yàn)煤樣取自門克慶3-1煤層配煤巷檢修通道與輔助運(yùn)輸大巷交叉點(diǎn)東30m處。煤的工業(yè)性分析按照 《GB/T212-2001煤的工業(yè)性分析》的要求進(jìn)行，測(cè)得3-1煤工業(yè)性指標(biāo)中水分（Mad）、灰分（Aad）和揮發(fā)分（Vdaf）分別為 9.10%、32.41%和26.91%。煤層自燃傾向性鑒定按照《GB/T20104-2006煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》的規(guī)定來(lái)進(jìn)行，鑒定結(jié)果見表1。結(jié)果顯示:3-1煤層自燃傾向性等級(jí)屬于I類，為容易自燃。

表1　門克慶3-1煤層主要煤質(zhì)指標(biāo)

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.2.1煤樣氧化升溫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全檢測(cè)中心自行設(shè)計(jì)研制的煤樣絕熱氧化反應(yīng)裝置，其組成如圖1所示，主要由程序升溫爐、氣路系統(tǒng)、絕熱罐、溫控裝置和氣相色譜儀等部分組成。

圖1　絕熱氧化反應(yīng)裝置

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將粒徑為0～1mm，1～3mm，3～5mm的1.1kg煤樣按質(zhì)量比1∶1∶1混合放入程序升溫爐，通入130mL/min的空氣，升溫速率設(shè)為0.5℃/min。當(dāng)達(dá)到一定的溫度，恒溫2min，取氣樣利用氣相色譜分析氣體成分及濃度。Tcmin，Tcmax，Ta分別是煤樣最低溫度、最高溫度和進(jìn)氣溫度。表2是門克慶3-1煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體產(chǎn)物及其濃度變化。

表2　煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體濃度

2.2.2煤的熱分析實(shí)驗(yàn)

煤比熱容是其基本熱物理性質(zhì)參數(shù)之一。采用STA449C熱重分析測(cè)試系統(tǒng)的差示掃描量熱方法測(cè)試了3-1煤的比熱容，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合，具體數(shù)值如表3所示。

表3　不同溫度條件下的煤樣比熱容

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1指標(biāo)氣體

圖2與圖3分別是門克慶煤礦3-1煤CO，C2H4濃度隨煤溫的變化趨勢(shì)。由圖2與圖3可知，CO在室溫23℃時(shí)，濃度為7.46×10-6，說(shuō)明3-1煤在低溫時(shí)就已發(fā)生氧化反應(yīng)；C2H4初現(xiàn)溫度為90℃，濃度為0.29×10-6，說(shuō)明煤已進(jìn)入加速氧化階段；在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有C2H2產(chǎn)生，但在井下若檢測(cè)到C2H2，則表明煤的溫度已超過(guò)240℃，煤體可能已進(jìn)入劇烈氧化階段。

圖2　CO濃度隨煤溫的變化曲線

3.2交叉點(diǎn)溫度

圖3　C2H4濃度隨煤溫的變化曲線

在煤樣氧化升溫過(guò)程中，隨煤溫的上升，在某一時(shí)刻，煤溫與裝置內(nèi)的中心溫度相等，此點(diǎn)的溫度即是煤的交叉點(diǎn)溫度。由于達(dá)到交叉點(diǎn)溫度后，煤升溫速率將明顯加快，會(huì)在較短的時(shí)間達(dá)到著火溫度［15］。因此，在計(jì)算煤層最短自然發(fā)火期時(shí)，以室溫為起點(diǎn)，以交叉點(diǎn)溫度為終點(diǎn)。圖4是煤樣最低溫度、最高溫度和進(jìn)氣溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖4可知，門克慶煤礦3-1煤交叉點(diǎn)溫度約為155℃。

圖4　煤樣最低溫度、最高溫度和進(jìn)氣溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3最短自然發(fā)火期

將煤溫單位℃換算成熱力學(xué)溫度K，溫度的起止分別為室溫和交叉點(diǎn)溫度。然后，由氣體流量計(jì)算出氣體產(chǎn)生量，單位為10-6（mol·min-1）。而后將氧化過(guò)程中各溫度階段的參數(shù)代入式（1），得到煤樣由一個(gè)溫度升到另一個(gè)相近溫度點(diǎn)所需要的時(shí)間。最后，將煤樣由室溫到交叉點(diǎn)溫度所用的時(shí)間累加，得到的總時(shí)間即為煤層實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期。表4是門克慶3-1煤實(shí)驗(yàn)煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算表。由表4知，門克慶煤礦3-1煤層實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期=0.76+16.05+10.23+7.96+4.03+2.59+0.78+0.29+0.13≈43d。

表4　實(shí)驗(yàn)煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算

4　結(jié) 　論

（1）門克慶3-1煤自燃傾向性等級(jí)屬于I類，為易自燃煤層。因此，在開采前，建議開展和完善門克慶3-1煤層綜合防滅火專項(xiàng)設(shè)計(jì)工作，從而更好地指導(dǎo)防滅火工作，保障礦井的安全生產(chǎn)。

（2）根據(jù)煤樣升溫氧化試驗(yàn)結(jié)果，采用最短自然發(fā)火期模型解算，得出門克慶3-1煤最短自然發(fā)火期為43d。

（3）由于煤最短自然發(fā)火期為實(shí)驗(yàn)室模擬最優(yōu)化條件下的煤層自燃特性，實(shí)際礦井自然發(fā)火期除受煤質(zhì)自身影響外，還受到開采方法、通風(fēng)條件等多種條件的影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件綜合考慮。

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［責(zé)任編輯：施紅霞］

Experimental Studying of the Shortest Natural Spontaneous Combustion Period of 3-1 Coal Seam of Menkeqing Coal Mine

SUN Xi-gui1，2，XU Chang-fu1，2，YAO Hai-fei1，2，ZHANG Qun1，2，WU Hai-jun1，2
（1.Safety Center of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining&Clean Utilization，Beijing 100013，China）

The shortest natural spontaneous combustion was an important indicator of natural spontaneous combustion risk evaluation.In order to test the shortest natural spontaneous combustion scientific，it taking 3-1 coal seam of Menkeqing coal seam as studying object，and isolated heat oxidation reaction device was utilized，the production of all kinds gases were test during temperature rise period，and the intersection temperature of 3-1 coal seam was confirmed，and the heat release during oxidation temperature rise period was calculated by chemical bond energy value of CO and CO2that generated，and the specific heat capacity of coal in different temperature was test on the basis of DSC，and then the lasting time that reached intersection point temperature was calculated partition.The results showed that the natural spontaneous combustion tendency was belong I classification，the shortest natural spontaneous combustion period was 43d，it references for valid fire precaution formulated of coal mine.

the shortest natural spontaneous combustion period；isolated heat experiment；intersection temperature

TD75

A

1006-6225（2016）04-0130-04

2016-01-15

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.033

中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目青年基金項(xiàng)目（2016QN002）

孫喜貴（1978-），男，黑龍江克東人，工程師，主要從事煤礦安全與災(zāi)害防治方面的研究工作。

［引用格式］孫喜貴，徐長(zhǎng)富，姚海飛，等.門克慶煤礦3-1煤層最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：130-133.