煤炭自燃預測預報技術(shù)及其應用

第26卷第4期湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol. 26 No.42004年12月Jourmal of Xiangtan Normal University( Natural Science Edition )Dec. 2004煤炭自燃預測預報技術(shù)及其應用謝振華1金龍哲' ,劉向來(lái)2(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京100803 ;2.大屯能源股份公司江蘇徐州221611 )摘要在論述各種煤炭自燃預測預報技術(shù)的基礎上根據大屯煤礦的實(shí)際情況利用三維動(dòng)態(tài)數學(xué)模型預測煤炭的自然發(fā)火期和高溫區域用co和C2H4作為煤炭自燃預報的指標氣體。關(guān)鍵詞煤炭自燃;預測預報指標氣體煤溫中圖分類(lèi)號:TD752. 1文獻標識碼:A文章編號:1671 - 023( 2004 )4 - 0059 - 04煤炭自燃是煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的重大災害之一如何防 止和減少煤炭自燃是急需解決的課題。及時(shí)、 準確地預測預報煤炭自燃可以為火災的防治提供科學(xué)的依據達到防止火災或減少火災損失的目的。煤炭自燃預測和預報技術(shù)有所不同預測技術(shù)是指在煤層開(kāi)采前或煤剛暴露于空氣中處在低溫氧化階段(即自燃潛伏期)還未出現自燃征兆之前根據煤的氧化放熱特性和實(shí)際開(kāi)采條件超前判斷松散煤體自燃的危險程度、自然發(fā)火期及最易自燃區域的技術(shù)。預報技術(shù)是指煤層開(kāi)采后松散煤體氧化放熱進(jìn)入自熱階段在煤體自燃冒青煙或出現明火之前根據煤氧化放熱時(shí)產(chǎn)生的標志氣體、煤體溫度等參數的變化情況來(lái)較早發(fā)現自燃征兆判斷自燃狀態(tài)的技術(shù)。1煤炭 自燃預測技術(shù)預測技術(shù)主要有自燃傾向性測試預測法、綜合評判預測法、統計經(jīng)驗法和數學(xué)模型模擬預測法等四種。1.1 自燃傾向性預測法自燃傾向性預測法主要是根據煤自燃傾向性不同劃分煤層自然發(fā)火等級，以此區分煤層的自燃危險程度,從而采取相應的防滅火措施1。20世紀80年代以前國內外對煤自燃傾向性的測試方法主要以煤的氧化性為基礎,可以分為兩類(lèi):一類(lèi)是化學(xué)試劑法這類(lèi)方法主要以雙氧水、亞硝酸鈉、聯(lián)苯胺等化學(xué)試劑取代氧把煤樣緩慢的氧化過(guò)程通過(guò)加熱的方法人為加速考察煤在試劑作用下的氧化速度和著(zhù)火點(diǎn)來(lái)劃分煤的自燃傾向性。另-類(lèi)是吸氧法分為靜態(tài)吸氧法和動(dòng)態(tài)吸氧法,它用空氣或氧氣在某-恒定溫度下考察煤的吸氧量。90 年代以后我國推廣使用色譜動(dòng)態(tài)吸氧法,它以某一溫度 下每克干煤的吸氧量來(lái)劃分煤的自燃傾向性。上述煤的自燃傾向性測試方法與煤實(shí)際開(kāi)采條件下自燃的實(shí)質(zhì)相差甚遠而且僅能粗略判斷出煤層的自然發(fā)火危險程度不能確定實(shí)際條件下松散煤體的自燃危險程度、可能自燃區域和發(fā)火期。因此,20世紀80年代以后煤層自燃的預測主要朝著(zhù)準確預測實(shí)際條件下松散煤體自然發(fā)火期和自燃危險程度的方向努力[2]并先后建立了靜態(tài)模擬煤層實(shí)際開(kāi)采條件下自燃過(guò)程的大型自然發(fā)火實(shí)驗臺。但該實(shí)驗模擬預測技術(shù)的缺點(diǎn)是模擬條件單一周期長(cháng)影響干擾因素較多。1.2綜合評 判預測法由于煤礦開(kāi)采的實(shí)際情況極為復雜難于把影響煤層自燃危險程度的各種因素盡可能多地加以兼顧，且各種因素存在許多不確定性，難以用經(jīng)典數學(xué)的方法定中國煤化工采條件下煤層的自燃危險性可以根據影響煤層自燃危險程度的內、外因素一MYHCN MH氏存條件、通風(fēng)條件、開(kāi)收稿日期2004-01-28作者簡(jiǎn)介謝振華( 1968- )男湖北武漢人副教授研究方向安全系統工程與科研。59采技術(shù)因數和預防措施等進(jìn)行主觀(guān)判斷分析評分然后應用模糊數學(xué)理論逐步聚類(lèi)分析根據標準模式計算聚類(lèi)中心對開(kāi)采煤層自燃危險程度進(jìn)行綜合評判預測3。也可以使用改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò )模型采用自適應變步長(cháng)法和改進(jìn)模擬退火法等措施加快BP網(wǎng)絡(luò )的收斂速度來(lái)準確有效地預測開(kāi)采煤層的自燃危險性。綜合評判預測法的特點(diǎn)是利用大量的統計資料分析煤炭自燃主要因素的影響程度粗略預測煤層自然發(fā)火危險程度而對發(fā)火期以及可能發(fā)火的區域則無(wú)法進(jìn)行預測所以該方法只能定性不能定量。1.3統計經(jīng)驗 預測法這種方法是建立在已發(fā)生自然發(fā)火事故統計資料基礎上分析預測巷道松散煤體實(shí)際開(kāi)采條件下的自燃危險程度4]。根據巷道自燃事故的統計資料分析巷道自燃多發(fā)生在冒頂區、地質(zhì)構造帶、沿空側、停采線(xiàn)附近。隨著(zhù)綜放無(wú)煤柱技術(shù)的推廣,由于沿空巷道沿底板--次掘進(jìn)，巷道服務(wù)時(shí)間長(cháng)相鄰采空區留有大量浮煤且已氧化升溫,因此巷道沿空側自然發(fā)火幾率較大。這種方法只能根據巷道實(shí)際情況和自然發(fā)火統計資料粗略判斷巷道可能的發(fā)火區域和高溫點(diǎn)位置。1.4 數學(xué)模型模擬預測法20世紀80年代以后,世界各國針對采空區或地面煤堆的自燃條件,根據傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)和流體力學(xué)等理論分析煤體溫度和各種影響因素之間的關(guān)系建立了多種煤自然發(fā)火動(dòng)態(tài)數學(xué)模型模擬煤的自燃過(guò)程預測采空區或煤堆的自然發(fā)火危險性5。這種預測法的優(yōu)點(diǎn)是可以借助計算機技術(shù)利用自燃數學(xué)模型及現場(chǎng)監測數據使用有限元法、有限差分法等計算機程序快速、準確地動(dòng)態(tài)模擬煤炭自燃的過(guò)程。2煤炭自燃預報技術(shù)目前煤炭自燃早期預報方法主要有標志氣體分析法和測溫法兩種6]預報的手段主要有人工取樣監測分析預報和實(shí)時(shí)監測預報系統。2.1標志 氣體分析法標志氣體分析法預報技術(shù)主要利用-氧化碳、乙烯、乙炔、烯烷比等作為指標氣體預報煤自燃的發(fā)展過(guò)程。由于煤炭在氧化自熱階段會(huì )分解出反映自燃征兆的氣體產(chǎn)物如CO、CO、CmHn等。當煤質(zhì)一定時(shí)這些氣體產(chǎn)物和溫度之間存在一定的規律 ,由檢測到的氣體濃度可以判斷煤炭自燃的危險性對井下煤炭自燃三帶”進(jìn)行劃分。標志氣體分析法預報技術(shù)比較完善相應的分析技術(shù)和監測系統都已配套因此在煤礦中得到了廣泛的應用。但由于指標氣體是煤自燃發(fā)展過(guò)程中煤溫升高產(chǎn)生的氧化氣體,只能在煤已經(jīng)自熱或自燃時(shí)才能檢測到,而且氣體產(chǎn)量較少并隨著(zhù)風(fēng)流流動(dòng)因此，該預報技術(shù)無(wú)法確定高溫區域、自燃發(fā)展速度和趨勢以及煤體可能達到的溫度。為了克服利用指標氣體預報煤炭自燃中存在的問(wèn)題,可以向采空區的遺煤區添加自燃示蹤物質(zhì)如雙環(huán)戊二烯、六氟化硫等這些物質(zhì)在煤升溫過(guò)程中能產(chǎn)生指示氣體,因此通過(guò)檢測指示氣體即可評價(jià)采空區內的煤體溫度7。也可以建立了研究采空區氣體流動(dòng)數學(xué)模型和采空區CO濃度分布數學(xué)模型并聯(lián)合求解,以判斷CO涌出源位置即高溫點(diǎn)位置從而預報采空區自燃危險區域。但這些技術(shù)目前仍處于研究階段在實(shí)際應用中還有很大困難。2.2測溫法測溫法就是測定井下煤與周?chē)橘|(zhì)的溫度變化情況因為巷道松散煤體及周?chē)橘|(zhì)溫度的升高直接反映著(zhù)煤的氧化程度。測溫法是發(fā)現煤炭自熱和探尋高溫點(diǎn)及火源的最直接、可靠的方法但巷道松散煤體內部溫度的測溫技術(shù)尚未完全解決。目前探測煤自然發(fā)火的測溫儀主要有紅外線(xiàn)測溫儀和溫度傳感器兩種81。紅外線(xiàn)測溫儀對于測量煤堆、露頭、巷壁、煤柱的自燃十分有效但它只能探測出物中國煤化工狗溫度,而且要求中間無(wú)遮擋物,因此不適應于巷道松散煤體內部或相鄰采空區MHCNMH庋傳感器預測巷道松散煤體可能發(fā)火區域和高溫點(diǎn)的方法是在產(chǎn)生自然發(fā)火幾率較高的區域埋設測溫熱電偶探頭,遠距離連續檢測煤體的溫度研究松散煤體的溫度分布及溫度變化的規律。這種方法具有預測可靠、直觀(guān)的優(yōu)點(diǎn),但其預測預報范圍較小安裝、維護工作量大。603煤炭自燃預測預報技術(shù)的應用針對大屯能源股份有限公司的實(shí)際情況我們對其煤炭自燃進(jìn)行了預測預報為火災的防治提供了科學(xué)的依據。大屯能源股份有限公司有姚橋、徐莊、孔莊、龍東四個(gè)煤礦，主采煤層為7#和8#煤層。采用著(zhù)火點(diǎn)溫度法測定煤層的自燃傾向性為易自燃煤層自然發(fā)火期一般為3~6個(gè)月,最短自然發(fā)火期為30d。大屯各礦工作面采用后退式綜采放頂煤采煤法生產(chǎn)能力大工作面推進(jìn)速度快但材料道和溜子道暴露時(shí)間長(cháng)采空區遺煤較多煤巷和旁側采空區煤炭自燃事故較多。通過(guò)分析發(fā)現,大屯礦井煤巷自燃與巷道冒頂、斷層、密閉墻及噴漿質(zhì)量等有密切關(guān)系。3.1煤炭自燃的預測綜合考慮上述各煤炭自燃預測方法的特點(diǎn)和大屯煤易自燃的特性我們選擇數學(xué)模型模擬預測法來(lái)預測煤巷和旁側采空區的煤炭自燃。根據理論分析在-定的簡(jiǎn)化條件下，可建立松散煤體自燃的三維動(dòng)態(tài)數學(xué)模型為2( K,Qx)+ 2(K,Q,)+ 2( KQ2)=0|aaT(T)+寫(xiě)與其- - PgCg( lx a+Qy2v+Q:2v)aT+o. aT+0. aT、dC+q. dC+q, dC+qdC=D,2c+ D." +D.dC-K(T)ldτx dxy dyddx2dz2式中,K為松散煤體的風(fēng)流滲透系數,cm?(Pa s);Q 為漏風(fēng)強度cm'( cem2 s)ipe ,C。分別為松散煤體的等效密度和比熱容ng/em3 ,J(g C);pg ,Cg分別為空氣的密度和比熱容ng/cm3 .J(g C);T為煤體溫度,C ;( T )為煤體在不同溫度時(shí)的放熱強度J( cen3 s);n。 為煤體的等效導熱系數,J/(cn s C );C為測點(diǎn)的氧氣濃度% ;t 為時(shí)間s ;D為氧氣在松散煤體中的擴散系數cm2/s ;( T )為煤體在不同溫度時(shí)的耗氧速度mol( cem2 s)b松散煤體在不同溫度時(shí)的放熱強度( T )和耗氧速度V T )與溫度、供風(fēng)量、煤體粒度等的關(guān)系可由煤體自燃特性實(shí)驗得到9。在確定了自燃預測數學(xué)模型的初始條件和邊界條件后,可利用有限差分法計算某個(gè)易自燃區域中的煤體在不同時(shí)間時(shí)的溫度分布情況,從而確定煤體的自然發(fā)火期和高溫點(diǎn)的位置。在現場(chǎng)的實(shí)際應用表明預測結果與實(shí)際情況基本一致 能滿(mǎn)足生產(chǎn)中煤炭自燃預測和防火的需要。3.2煤炭自燃的預報根據大屯的實(shí)際情況我們使用標志氣體分析法來(lái)預報煤炭自燃，從而及時(shí)、有效地采取防滅火措施。根據大屯煤樣自燃過(guò)程的模擬實(shí)驗10]大屯煤樣在氧化過(guò)程中都有規律地出現CO、C2H4、C2H三種氣體,CO、 C2H4的生成量隨煤溫的升高而增大。C2H4 在110~ 120心時(shí)出現,說(shuō)明此時(shí)煤與氧氣發(fā)生了較強的化學(xué)反應。CO在低溫時(shí)生成量較小,但在70 ~ 80C時(shí)迅速增長(cháng)此時(shí)煤已開(kāi)始迅速氧化。C2H在30公時(shí)就存在在190~ 200%時(shí)達到最大隨后開(kāi)始下降。這表明C2H6不完全是煤裂解和氧化產(chǎn)生不能作為指標氣體。因此,大屯煤可采用co作為煤炭自燃預測預報的主要指標氣體,C2H4 作為輔助指標氣體。從實(shí)驗結果可知,CO在30C時(shí)就出現,而且隨煤溫的變化較大因此用CO來(lái)預報煤炭自燃時(shí)應防止誤報和漏報,以 免造成經(jīng)濟損失和自燃火災。在檢測到CO出現后,應繼續加強檢測,同時(shí)測定煤體溫度計算CO溫升率( 10-6/C ) CO溫升率越大則說(shuō)明溫度的變化對CO的產(chǎn)生率影響增大煤炭自燃發(fā)火的危險性也越大。當CO溫升率連續迅速增大時(shí),說(shuō)明中國煤化工滅火措施防止自燃的.擴大。YHCNMH G因為CO出現較早,且現場(chǎng)監測的手段方法完備,因此以CO作為指標性氣體，并輔以測定C2H4的濃度、碎煤中的氧氣濃度和空氣溫度來(lái)掌握煤炭的自燃情況。大屯煤炭自燃的預報分為回采期的預報和回收期的預報?；夭善陂g主要對工作面回風(fēng)巷、上隅角及架后采空區的CO濃度、溫度進(jìn)行定點(diǎn)觀(guān)測。工作61面進(jìn)入回收期后除了堅持對回采時(shí)的測點(diǎn)進(jìn)行測定外，為了準確判定頂煤是否氧化自燃,可以在工作面支架縫隙間向頂煤中插管監測選擇-些有代表性的固定點(diǎn)進(jìn)行測定測定孔內CO濃度。4結語(yǔ)1在煤炭自燃預測預報技術(shù)中,自 燃傾向性測試預測法、數學(xué)模型模擬預測法和標志氣體分析法是常用的方法具有很強的實(shí)用性。2針對大屯能源股份有限公司煤礦的實(shí)際情況利用松散煤體自燃的三維動(dòng)態(tài)數學(xué)模型可準確地預測煤體的自然發(fā)火期和高溫區域并選取CO和CH2作為煤炭自燃預測預報的指標氣體。參考文獻:[1]羅海珠錢(qián)國胤.煤吸附流態(tài)氧的動(dòng)力學(xué)特性及其在煤自燃傾向性色譜鑒定法中的應用J]煤礦安全199062)1- 11.[2]徐精彩.應用自然發(fā)火實(shí)驗研究煤的自燃傾向性指標J]西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1997 ,1K2):103- 107.[ 3]田水承.煤層開(kāi)采自燃危險性預先分析研究J]西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,19986 1):7-22.[4]楊宏民牛廣珂.關(guān)于采空區自燃三帶”劃分指標的探討[ J]. 煤礦安全,1998 29( 5)35-37.[5]鄧軍徐精彩文虎等.綜放采煤法中沿空巷道煤層自然發(fā)火預測模型研究J]煤炭學(xué)報2001 ,26 1)62- 66.[6]邵 輝.淺析煤炭自燃指標氣體的優(yōu)選與使用J]煤炭科學(xué)技術(shù),1996 24(9)43-46.[7]卞曉鍇包宗宏史美仁等.煤炭自燃示蹤物質(zhì)篩選[ J]煤炭學(xué)報2000 253 )290- 293.[8]阮國強.束管監測系統在礦井防滅火中的應用[ J]煤礦安全2000(8)40-42.[9]徐精彩文虎葛嶺梅等.松散煤體低溫氧化放熱強度的測定與計算J].煤炭學(xué)報2000 2(4)387 - 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Institute of Civil and Environment Engineering , University of Science and Technology Beijing ，Beijing 100083 , Chnia ;2. Datun Energy Resources Corp. Ld. ,Xuzhou 221611 , China)Abstract :Based on the discuss of various technology predicting and forecasting coal spontaneous combustion ,ac-cording to the practical condition of coal in Datun coal mine , a three 一dimension dynamic mathematic model was usedto predict the period of coal spontaneous combustion and the area of high temperature , CO and CH4 were selected asthe index gases forecasting coal spontaneous combustion.Key words :coal spontaneous combustion prediction forecast jindex gases icoal temperature中國煤化工MHCNMH G62