采場自燃發火危險預測方法與控制原理研究

摘　要　根據綜采放頂煤工作面的通風阻力及其通風網絡等勢圖，采用釋放示蹤氣體SF₆技術，確定了綜放面進風隅角采空區的漏風風速和采場漏風量及其分布狀態。測定了采空區氣體濃度和溫度的分布狀況，劃分了采空區煤炭氧化三帶范圍。煤炭氧化自燃模擬試驗證明：常溫下煤氧復合的自由基反應生成大量的CO、CO₂氣體，所產生的熱量使采空區煤巖溫度升高10℃。保證采空區流體動力相似，便可滿足采空區注氮模擬條件。對200m長的綜放面采空區注氮，難以取得有效的惰化效果。綜放面無煤柱開采的鄰近老空區漏風及自燃發火危險大，應在漏風源處注氮，配合堵漏和均壓措施，徹底惰化漏風源。
　　關鍵詞　綜采　漏風　自燃　注氮　防滅火

PREDICTION AND CONTROL OF SPONTANEOUS
COMBUSTION IN WORKING FACES

Luo Xinrong　Jiang Shuguang　Li Zenghua
(China University of Mining Technology)
Zhang Yingdi　Xu Boyun　Wang Chunyao
(Dongtan Coal Mine)

　　Abstract：Measured ventilation resistance and isobar in mining areas,the leakage rate in intake goaf and the distribution of air leakage in mining areas were determined by instantaneous and steady liberation of trace gas SF₆.Gas concentration and temperature are measured and three oxidation areas in goaf are determined.According to oxidation experiment of coal and in-situ measurements,the CO and CO₂ can be produced largely by coal and oxygen combination at ambient temperature and the temperature of coal and rock in goaf can rise 10℃ due to heat produced by coal and oxygen combination.The analysis shows that the conditions of the nitrogen-injection modeling can be well satisfied if hydrodynamic similarity is pledged to the model.The research shows that nitrogen injection is noneffective for a 200 m long goaf and that there is a great danger of spontaneous combustion because of air leakage for pillarless mining.It is very important to inject nitrogen at the location of air leakage and to take the measures of blocking leakage and eliminating pressure difference.
　　Keywords：Fully-mechanized mining，Air leakage，Spontaneous combustion，Nitrogen injecting，Fire

　　東灘煤礦井深710m，地溫30～33℃，主采3號煤層自燃發火嚴重，屬一級自燃危險礦井。近年來，東灘煤礦推行綜采放頂煤新工藝，年產量從220萬t提高到540萬t，實現了綜放面高產高效。綜放面采用后退式“U”型通風，實行無煤柱開采。采場進風巷或回風巷及采空區與鄰近老空區連成一片，構成復雜的漏風形式，直接影響采空區氧化三帶的分布及其自燃發火性。綜放面順槽沿底板掘進，有些地方頂煤離層或冒落嚴重。工作面“兩道”和端頭支架不放煤，使采空區“兩道”遺留6～8m寬、3～6m厚的浮煤。一次采高2.8m，放頂煤3～6m，使采空區一次冒落區增大，遺煤增多，采場漏風增大。工作面順槽和相鄰采空區自然發火危險大。通過測定采場通風等勢圖及漏風、采空區氧化三帶和采空區注氮模擬實驗、煤炭氧化自燃模擬實驗，查清了東灘煤礦綜放面采空區余煤氧化三帶范圍及自燃發火危險性，制定了合理的控制方法，保障了綜放面高產高效。

1　綜放面采場通風網絡等勢圖與漏風研究

　　采場內部漏風與煤炭自燃有著密切的聯系。因此，確定綜放面采場區域通風阻力分布及等勢圖和采空區的漏風源、漏風匯及漏風量大小，對防治自燃火災具有重要意義。綜放面通風系統見圖1。根據通風阻力數據繪制了綜放面通風網絡等勢圖2。
　　漏風測定方法普遍采用釋放示蹤氣體SF₆技術。釋放SF₆有兩種方法：一種是在巷道或采空區瞬時釋放SF₆，定點定時采取氣樣分析SF₆的濃度，確定風流的運動軌跡。另一種是在巷道或工作面連續定量釋放SF₆，定點定時采取氣樣分析SF₆濃度，確定漏風量的大小。管道內定點的SF₆濃度與時間的關系近似對數正態分布曲線^〔1〕

　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　C_M—SF₆峰值濃度；t₀—SF₆峰值濃度到達定點x₀時間，min；σ—方差。可用峰值濃度到達管道定點x₀的時間t₀計算漏風速度V=x₀/t₀。

圖1　綜放面通風系統圖

　　東灘煤礦4302綜放面的主要漏風源是工作面的進風區域，主要漏風匯在工作面的回風區域。為了檢測漏風風速，采用在進風巷瞬時釋放SF₆技術，在采空區布置2個采樣點。定時采取氣樣分析SF₆氣體濃度。獲得了三條比較理想的SF₆在采空區的彌散曲線圖3。對于采面進風隅角的漏風可視為不完全的點漏風源。SF₆峰值濃度所經過的路程S與時間t的關系可用下式表示：

S=atⁿ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

將實測數據代入上式S、t，得

S=4.24t^0.553　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

漏風風速為

　　　　　　　　　　　　　　(4)

圖2　綜放面通風網絡等勢圖

圖3　SF₆氣體在采空區的彌散曲線

圖4　綜放面風量分布曲線

　　綜放面一次采全高。在工作面周期來壓步距的采空區范圍內，存在較大的空隙。形成主要的漏風通道。采用連續定量釋放SF₆技術，在工作面定點定時采樣分析SF₆濃度，便可以確定漏風量的大小。4302綜放面釋放SF₆點和采樣點的布置見圖4。采空區漏風量占綜放面進風量的17%，達144m³/min。

2　采空區煤炭氧化三帶分析

　　采空區煤炭氧化三帶可以在采空區布置測點，采樣分析氣體成分和測定采空區煤炭氧化溫度來確定。測點布置見圖1。測定系統由采樣束管和氣相色譜儀組成。分析的氣體成分：O₂、CO、CO₂、CH₄等烴類氣體。采空區煤炭氧化溫度采用AD590溫度傳感器及配套的測溫儀表來測定。根據實測綜放面采空區氧濃度，劃分了4302綜放面采空區氧化三帶圖5。采空區的氧化散熱帶≤10～30m，可能自燃帶范圍15～120m。綜放面采空區氧化三帶的范圍是在特定的漏風源匯及漏風風壓條件下形成的，當漏風源匯及風壓發生變化時，其氧化三帶也要隨之變化，但氧化三帶與漏風源匯及漏風風壓關系的變化規律應該是相同的。

圖5　綜放面采空區氧化三帶

圖6　綜放面采空區溫度等值線圖

　　采空區溫度實測結果的等值線見圖6。在氧化散熱帶，溫度由28～32℃上升到36～34℃。進風側采空區溫度由28℃上升到36℃，而回風側由32℃升到34℃。溫度上升梯度高于可能自燃帶和窒息帶。進入可能自燃帶后溫度升高比較平緩，說明煤炭氧化速度比較緩慢，處于潛伏期或自熱前期。進入窒息區后，溫度開始下降。這說明綜放面在正常推進速度(80～100m/月)下采空區不會自燃發火。
　　采空區的一氧化碳濃度隨進風的采空區深度增加，由0逐漸上升，在50～60m處達到最大值280PPM，此后又緩慢下降，到達窒息區后仍有CO出現。這就造成了4302綜放面回風隅角始終有一氧化碳20～120PPM，回風流也經常出現一氧化碳2～10PPM。

圖7　綜放面采空區甲烷濃度及其分布
上圖：立體圖；下圖：等值線圖

圖8　綜放面采空區二氧化碳濃度及其分布
上圖：立體圖；下圖：等值線圖

3　煤炭氧化自燃模擬試驗與自由基反應機理

　　對東灘煤礦煤樣進行恒溫(30℃)和升溫(30～290℃)條件下氧化自燃模擬試驗。試驗系統見圖9。分析煤炭在不同溫度下氧化氣體產物及氧化能力。探討煤炭氧化過程的標志性氣體及自燃機理。試驗煤樣分別取自3號煤層的上分層(1號試樣)和下分層(2號試樣)。試驗結果表明，東灘煤礦煤樣在常溫下具有強烈的氧化能力。產生大量的一氧化碳(見圖10)。在30℃常溫下，便產生高達75PPM濃度的一氧化碳，在24h的通氣時間內，一氧化碳濃度始終高于30PPM。1號和2號煤樣的著火溫度分別為275、265℃。出現乙烯(C₂H₄)溫度為80～100℃。出現其它重烴氣體的溫度更高。乙烯可作為東灘煤礦煤炭自燃早期預報的標志性氣體。
　　煤炭常溫下氧化模擬試驗和自由基反應機理可以很好地解釋東灘煤礦煤炭在常溫下氧化產生大量的一氧化碳。自由基(游離基)就是含有未成對電子的分子或分子碎片。氧氣分子就是最常見的一種自由基，具有兩個未成對電子。煤是一種有機巖大分子物質。在外力作用下煤體破碎，產生大量裂隙，必然造成煤分子的斷裂。分子鏈斷裂的本質是鏈中共價鍵的斷裂，從而生成大量自由基。當有氧氣存在時，則會發生氧化反應。煤中自由基與O₂反應，生成過氧化物自由基，放出熱量，使煤溫緩慢上升。并使過氧化物自由基進一步反應，生成CO、CO₂、烴類等氣體。同時生成新的自由基。在供氧充足，持續蓄熱條件下，反應熱量使煤溫大幅度升高，導致煤炭自燃。在一定溫度下，煤發生裂解反應，生成烷烴和烯烴氣體^〔2〕。煤炭自燃的自由基反應機理假說，能夠很好地解釋下列現象：①采空區余煤在常溫下接觸O₂，便能產生大量的CO；②在煤層中打鉆，鉆孔煤壁及碎煤與O₂接觸，也會產生CO；③綜采面采煤機工作時，回風流中CO濃度增加3～10PPM，在剛采下煤堆中，CO濃度高達20～200PPM。

圖9　煤樣氧化自燃模擬試驗系統

圖10　煤樣30℃氧化生成一氧化碳曲線

4　綜放面采空區模型注氮模擬試驗研究與分析^〔5〕

　　注氮防滅火技術在國內外已有不少成功的經驗和考察結果。有的工作面只有32m長，注氮流量200～300m³/min，才能有效地防治自燃火災。對于采深大于600m，工作面長超過200m的綜放面，由于現場技術條件限制，難以進行實測考察。因此采用現場調研，實驗室注氮模擬試驗和計算機數值模擬綜放面采空區注氮后的氧、氮分布規律是考察注氮效果，優化注氮位置與注氮流量的有效途徑與方法。
　　綜放面采空區是一個三維空間，注氮后的采空區氮氣分布與注氮位置、流量，采空區滲流場分布和幾何空間等因素有關。其中注氮位置與流量可在一定的范圍內調整，是待優化的參數。采空區滲流場分布與綜放面兩端的通風壓差和采空區碎脹巖石(多孔介質)的壓實程度有關，還與漏風源匯的分布密切相關。采空區的幾何空間參數(如長度、冒落帶高度、周期來壓步距等)是固定的或周期變化的，可視為常量。為使模型試驗結果能夠推廣應用于實際情況，必須保持模型與原型綜放面之間的流體動力現象相似，包括幾何相似，運動相似和動力相似。
　　幾何相似，通過調換采空區的充填材料，便可模擬各種工作面情況，可以保證幾何相似和運動相似。動力相似，要保證采空區的流體動力相似。同時兼顧工作面風流的動力相似。根據流體力學原理^〔4〕，作用在流體上的力主要有壓力、重力、粘性力和慣性力等，它們組成三個動力相似的準則數和一個流體動力彌散的相似準數：即雷諾準數Re=，歐拉準數富勞德準數貝克列準數其中：ρ—流體密度；V—流速；μ—粘度；d—調和直徑；P—壓力；g—重力；L—流場特征長度；D—分子擴散率；T—多孔介質彎曲率。顯然，保證上述四個準數同時滿足相似條件是困難的。必須分析簡化。在近水平采場風流運動過程中，可以認為Fr準數自動滿足相似條件。
　　采空區近似層流運動，流動阻力與雷諾數有關，因此，必須保證雷諾數和歐拉數相等。經過分析得到

　　　　　　　　　　　　　　(5)

其中是壓力梯度，下標m為模型參數，下標p為原型參數，-0.3為綜放面實測參數。
　　顯然，在Re、Eu滿足相似條件的情況下，Pe自動滿足相似條件。工作面風流處于紊流狀態。流動阻力與雷諾數無關，只與工作面煤壁與支架的相對粗糙度有關。因此，工作面風流的動力相似只要支架模型和采高按比例縮小即可。
　　注氮系統由高壓氣瓶、減壓閥、穩壓閥、穩流調節閥、流量計及注氮管路組成(見圖11)。經過二級穩壓、一級穩流后，注氮流量穩定。且連續可調，調節范圍10～600ml/min。模型注氮流量與原型注氮流量比等于幾何相似比的立方數量數。實際模型注氮流量(Q)m=15ml/min。相當于原型(Q)p=15m³/min=900m³/h。最后加大注氮流量，考察大流量的惰化效果以及工作面泄漏的氮氣量與注氮流量的關系。加大的注氮量分別為：(Q)m=150ml/min；(Q)m=515ml/min。相當于原型綜放面的注氮流量：(Q)p=150m³/min=9000m³/h；(Q)p=515m³/min=30900m³/h。

圖11　綜放面采場注氮模型

圖12　綜放面采空區壓力等值線

　　本模型做了6次采空區流場的壓力和采面漏風測定。將壓力轉換為無量綱壓力。用計算機進行數值模擬和數據處理后，得到綜放面采空區無量綱壓力等值線圖12。在模型上做了8次注氮模擬試驗，共測得了7次注氮后模型采空區氧、氮濃度分布。第一次注氮流量5ml/min。連續注氮48h后，模型采空區的氧、氮濃度無明顯變化。第二次注氮流量15ml/min。連續注氮48h。第三、四、五次的注氮流量150ml/min，注氮時間不等。第六、七、八次的注氮流量515ml/min，注氮時間不等。當注氮流量增大時，風流排氮量占注氮量的30%～90%。因此，加大注氮量和注氮時間會導致注氮損失增加。根據試驗結果，采用計算機進行數據處理分析。得到了東灘煤礦綜放面采空區注氮后氧濃度減少量的分布等值線圖13。從圖形上可以看到：對于綜放面長度200m、可能自燃帶為80m的采空區：當①注氮流量Q_N2=900m³/h，靠近采空區底板的氧化散熱帶，氧濃度減少量在0.5%以下。可能自燃帶的氧濃度減少量在0.5%～1.5%之間。靠近注氮口的20m范圍，氧濃度減少2%～4%。在采空區頂板15m的氧濃度減少量比底板約多0.5%。表明了氮氣的上浮效應。回風流排氮量約占注氮量的20%。②注氮流量Q_N2=9000m³/h，氧化散熱帶的氧濃度減少量在1%以下，可能自燃帶的氧濃度減少量在1%～2.5%之間。風流排氮量占注氮量的36%～70%。③注氮流量Q_N2=30900m³/h，氧化散熱帶的氧濃度減少量在2%左右。可能自燃帶的氧濃度減少量在3%～7%。回風流排氮量占注氮量的80%～90%。

圖13　綜放面采空區注氮后氧濃度減少量的分布等值線圖

5　結　論

　　(1)通風網絡等勢圖對分析采場漏風源、漏風匯的分布具有重要的指導意義。采用對數分布曲線方程式描述瞬態釋放示蹤氣體SF₆在風流中的運動軌跡是可行的。綜放面進風隅角及采空區的漏風風速V=7.52S^-0.808。綜放面采場漏風率為17%。
　　(2)根據東灘煤礦綜放面采空區氣體成分和漏風風速的實測分析，采空區氧化散熱帶≤10～30m，可能自燃帶范圍15～120m。氧化散熱帶溫度平均上升5℃，溫度梯度最大。可能自燃帶溫度平均上升6℃，溫度梯度平緩。窒息帶溫度下降，溫度梯度為負值。
　　(3)常溫下破碎煤-氧自由基反應生成大量的CO和CO₂，所產生的熱量使采空區煤巖溫度升高10℃左右。因此，回風隅角和回風流中出現常規濃度的CO(回風隅角≤100PPM，回風流≤10PPM)，不應認為采空區出現煤炭自燃。也不影響工作面正常生產。當回風隅角和回風流中持續出現異常濃度的CO時，則應警惕采空區煤炭自燃，采取必要的防范措施。
　　(4)保證模型綜放面采空區流體動力相似，便可滿足采空區注氮模擬條件。目前移動式制氮機組的單機制氮能力，難以滿足200m長綜放面采空區惰化要求。只當注氮流量達到30000m³/h(相當于32m長的綜放面采空區注氮流量300m³/h)時，能取得很好的惰化效果，但氮氣隨風流的損失高達80%以上。
　　(5)根據實測分析，無煤柱開采的綜放面月推進度大于80m時，采空區無自燃發火危險。而鄰近老空區的漏風及自然發火危險大。應在漏風源處注氮，配合堵漏和均壓等措施，徹底惰化漏風源。

〔作者簡介〕　羅新榮　中國礦業大學采礦系副教授　中國煤炭勞保學會礦井瓦斯防治專業委員會委員　中國煤礦安全裝備技術標準委員會粉塵分標準委員會委員　先后承擔了江蘇省和國家自然科學基金　煤炭部和國家重點攻關項目以及橫向科研項目十余項工作　從事礦井通風降溫　瓦斯防治　防滅火和監測儀器儀表的科研與教學工作　發表論文30余篇　題頭照片羅新榮
　　張迎第　高級工程師　現任東灘煤礦總工程師　先后主持了國家“九五”攻關等項目十余項　發表論文多篇
羅新榮(中國礦業大學　徐州221008)
蔣曙光(中國礦業大學　徐州221008)
李增華(中國礦業大學　徐州221008)
張迎第(東灘煤礦　鄒城273512)
許波云(東灘煤礦　鄒城273512)
王春耀(東灘煤礦　鄒城273512)

參考文獻

〔1〕　羅新榮，煤礦防滅火新技術，高新技術在煤礦中的應用，江蘇徐州，中國礦業大學出版社，1996，94～100.
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〔3〕　蔣曙光、王省身，綜放采場流場及瓦斯運移三維模擬試驗，《中國礦業大學學報》，1995，24(4)∶85～91.
〔4〕　J.貝爾著，李竟生等譯，多孔介質流體動力學，北京，中國建筑工業出版社，1982，484～490.
〔5〕　羅新榮、蔣曙光、李增華，綜采放頂煤采空區注氮防滅火模擬試驗研究，《中國礦業大學學報》，1997，26(2)∶42～45.