煤炭自燃预测预报技术及其应用

第26卷第4期湘潭师范学院学报(自然科学版)Vol. 26 No.42004年12月Jourmal of Xiangtan Normal University( Natural Science Edition )Dec. 2004煤炭自燃预测预报技术及其应用谢振华1金龙哲' ,刘向来2(1.北京科技大学土木与环境工程学院北京100803 ;2.大屯能源股份公司江苏徐州221611 )摘要在论述各种煤炭自燃预测预报技术的基础上根据大屯煤矿的实际情况利用三维动态数学模型预测煤炭的自然发火期和高温区域用co和C2H4作为煤炭自燃预报的指标气体。关键词煤炭自燃;预测预报指标气体煤温中图分类号:TD752. 1文献标识码:A文章编号:1671 - 023( 2004 )4 - 0059 - 04煤炭自燃是煤炭生产过程中的重大灾害之一如何防 止和减少煤炭自燃是急需解决的课题。及时、 准确地预测预报煤炭自燃可以为火灾的防治提供科学的依据达到防止火灾或减少火灾损失的目的。煤炭自燃预测和预报技术有所不同预测技术是指在煤层开采前或煤刚暴露于空气中处在低温氧化阶段(即自燃潜伏期)还未出现自燃征兆之前根据煤的氧化放热特性和实际开采条件超前判断松散煤体自燃的危险程度、自然发火期及最易自燃区域的技术。预报技术是指煤层开采后松散煤体氧化放热进入自热阶段在煤体自燃冒青烟或出现明火之前根据煤氧化放热时产生的标志气体、煤体温度等参数的变化情况来较早发现自燃征兆判断自燃状态的技术。1煤炭 自燃预测技术预测技术主要有自燃倾向性测试预测法、综合评判预测法、统计经验法和数学模型模拟预测法等四种。1.1 自燃倾向性预测法自燃倾向性预测法主要是根据煤自燃倾向性不同划分煤层自然发火等级，以此区分煤层的自燃危险程度,从而采取相应的防灭火措施1。20世纪80年代以前国内外对煤自燃倾向性的测试方法主要以煤的氧化性为基础,可以分为两类:一类是化学试剂法这类方法主要以双氧水、亚硝酸钠、联苯胺等化学试剂取代氧把煤样缓慢的氧化过程通过加热的方法人为加速考察煤在试剂作用下的氧化速度和着火点来划分煤的自燃倾向性。另-类是吸氧法分为静态吸氧法和动态吸氧法,它用空气或氧气在某-恒定温度下考察煤的吸氧量。90 年代以后我国推广使用色谱动态吸氧法,它以某一温度 下每克干煤的吸氧量来划分煤的自燃倾向性。上述煤的自燃倾向性测试方法与煤实际开采条件下自燃的实质相差甚远而且仅能粗略判断出煤层的自然发火危险程度不能确定实际条件下松散煤体的自燃危险程度、可能自燃区域和发火期。因此,20世纪80年代以后煤层自燃的预测主要朝着准确预测实际条件下松散煤体自然发火期和自燃危险程度的方向努力[2]并先后建立了静态模拟煤层实际开采条件下自燃过程的大型自然发火实验台。但该实验模拟预测技术的缺点是模拟条件单一周期长影响干扰因素较多。1.2综合评 判预测法由于煤矿开采的实际情况极为复杂难于把影响煤层自燃危险程度的各种因素尽可能多地加以兼顾，且各种因素存在许多不确定性，难以用经典数学的方法定中国煤化工采条件下煤层的自燃危险性可以根据影响煤层自燃危险程度的内、外因素一MYHCN MH氏存条件、通风条件、开收稿日期2004-01-28作者简介谢振华( 1968- )男湖北武汉人副教授研究方向安全系统工程与科研。59采技术因数和预防措施等进行主观判断分析评分然后应用模糊数学理论逐步聚类分析根据标准模式计算聚类中心对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测3。也可以使用改进的BP网络模型采用自适应变步长法和改进模拟退火法等措施加快BP网络的收敛速度来准确有效地预测开采煤层的自燃危险性。综合评判预测法的特点是利用大量的统计资料分析煤炭自燃主要因素的影响程度粗略预测煤层自然发火危险程度而对发火期以及可能发火的区域则无法进行预测所以该方法只能定性不能定量。1.3统计经验 预测法这种方法是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上分析预测巷道松散煤体实际开采条件下的自燃危险程度4]。根据巷道自燃事故的统计资料分析巷道自燃多发生在冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近。随着综放无煤柱技术的推广,由于沿空巷道沿底板--次掘进，巷道服务时间长相邻采空区留有大量浮煤且已氧化升温,因此巷道沿空侧自然发火几率较大。这种方法只能根据巷道实际情况和自然发火统计资料粗略判断巷道可能的发火区域和高温点位置。1.4 数学模型模拟预测法20世纪80年代以后,世界各国针对采空区或地面煤堆的自燃条件,根据传热学、传质学和流体力学等理论分析煤体温度和各种影响因素之间的关系建立了多种煤自然发火动态数学模型模拟煤的自燃过程预测采空区或煤堆的自然发火危险性5。这种预测法的优点是可以借助计算机技术利用自燃数学模型及现场监测数据使用有限元法、有限差分法等计算机程序快速、准确地动态模拟煤炭自燃的过程。2煤炭自燃预报技术目前煤炭自燃早期预报方法主要有标志气体分析法和测温法两种6]预报的手段主要有人工取样监测分析预报和实时监测预报系统。2.1标志 气体分析法标志气体分析法预报技术主要利用-氧化碳、乙烯、乙炔、烯烷比等作为指标气体预报煤自燃的发展过程。由于煤炭在氧化自热阶段会分解出反映自燃征兆的气体产物如CO、CO、CmHn等。当煤质一定时这些气体产物和温度之间存在一定的规律 ,由检测到的气体浓度可以判断煤炭自燃的危险性对井下煤炭自燃三带”进行划分。标志气体分析法预报技术比较完善相应的分析技术和监测系统都已配套因此在煤矿中得到了广泛的应用。但由于指标气体是煤自燃发展过程中煤温升高产生的氧化气体,只能在煤已经自热或自燃时才能检测到,而且气体产量较少并随着风流流动因此，该预报技术无法确定高温区域、自燃发展速度和趋势以及煤体可能达到的温度。为了克服利用指标气体预报煤炭自燃中存在的问题,可以向采空区的遗煤区添加自燃示踪物质如双环戊二烯、六氟化硫等这些物质在煤升温过程中能产生指示气体,因此通过检测指示气体即可评价采空区内的煤体温度7。也可以建立了研究采空区气体流动数学模型和采空区CO浓度分布数学模型并联合求解,以判断CO涌出源位置即高温点位置从而预报采空区自燃危险区域。但这些技术目前仍处于研究阶段在实际应用中还有很大困难。2.2测温法测温法就是测定井下煤与周围介质的温度变化情况因为巷道松散煤体及周围介质温度的升高直接反映着煤的氧化程度。测温法是发现煤炭自热和探寻高温点及火源的最直接、可靠的方法但巷道松散煤体内部温度的测温技术尚未完全解决。目前探测煤自然发火的测温仪主要有红外线测温仪和温度传感器两种81。红外线测温仪对于测量煤堆、露头、巷壁、煤柱的自燃十分有效但它只能探测出物中国煤化工狗温度,而且要求中间无遮挡物,因此不适应于巷道松散煤体内部或相邻采空区MHCNMH庋传感器预测巷道松散煤体可能发火区域和高温点的方法是在产生自然发火几率较高的区域埋设测温热电偶探头,远距离连续检测煤体的温度研究松散煤体的温度分布及温度变化的规律。这种方法具有预测可靠、直观的优点,但其预测预报范围较小安装、维护工作量大。603煤炭自燃预测预报技术的应用针对大屯能源股份有限公司的实际情况我们对其煤炭自燃进行了预测预报为火灾的防治提供了科学的依据。大屯能源股份有限公司有姚桥、徐庄、孔庄、龙东四个煤矿，主采煤层为7#和8#煤层。采用着火点温度法测定煤层的自燃倾向性为易自燃煤层自然发火期一般为3~6个月,最短自然发火期为30d。大屯各矿工作面采用后退式综采放顶煤采煤法生产能力大工作面推进速度快但材料道和溜子道暴露时间长采空区遗煤较多煤巷和旁侧采空区煤炭自燃事故较多。通过分析发现,大屯矿井煤巷自燃与巷道冒顶、断层、密闭墙及喷浆质量等有密切关系。3.1煤炭自燃的预测综合考虑上述各煤炭自燃预测方法的特点和大屯煤易自燃的特性我们选择数学模型模拟预测法来预测煤巷和旁侧采空区的煤炭自燃。根据理论分析在-定的简化条件下，可建立松散煤体自燃的三维动态数学模型为2( K,Qx)+ 2(K,Q,)+ 2( KQ2)=0|aaT(T)+写与其- - 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为松散煤体的风流渗透系数,cm?(Pa s);Q 为漏风强度cm'( cem2 s)ipe ,C。分别为松散煤体的等效密度和比热容ng/em3 ,J(g C);pg ,Cg分别为空气的密度和比热容ng/cm3 .J(g C);T为煤体温度,C ;( T )为煤体在不同温度时的放热强度J( cen3 s);n。 为煤体的等效导热系数,J/(cn s C );C为测点的氧气浓度% ;t 为时间s ;D为氧气在松散煤体中的扩散系数cm2/s ;( T )为煤体在不同温度时的耗氧速度mol( cem2 s)b松散煤体在不同温度时的放热强度( T )和耗氧速度V T )与温度、供风量、煤体粒度等的关系可由煤体自燃特性实验得到9。在确定了自燃预测数学模型的初始条件和边界条件后,可利用有限差分法计算某个易自燃区域中的煤体在不同时间时的温度分布情况,从而确定煤体的自然发火期和高温点的位置。在现场的实际应用表明预测结果与实际情况基本一致 能满足生产中煤炭自燃预测和防火的需要。3.2煤炭自燃的预报根据大屯的实际情况我们使用标志气体分析法来预报煤炭自燃，从而及时、有效地采取防灭火措施。根据大屯煤样自燃过程的模拟实验10]大屯煤样在氧化过程中都有规律地出现CO、C2H4、C2H三种气体,CO、 C2H4的生成量随煤温的升高而增大。C2H4 在110~ 120心时出现,说明此时煤与氧气发生了较强的化学反应。CO在低温时生成量较小,但在70 ~ 80C时迅速增长此时煤已开始迅速氧化。C2H在30公时就存在在190~ 200%时达到最大随后开始下降。这表明C2H6不完全是煤裂解和氧化产生不能作为指标气体。因此,大屯煤可采用co作为煤炭自燃预测预报的主要指标气体,C2H4 作为辅助指标气体。从实验结果可知,CO在30C时就出现,而且随煤温的变化较大因此用CO来预报煤炭自燃时应防止误报和漏报,以 免造成经济损失和自燃火灾。在检测到CO出现后,应继续加强检测,同时测定煤体温度计算CO温升率( 10-6/C ) CO温升率越大则说明温度的变化对CO的产生率影响增大煤炭自燃发火的危险性也越大。当CO温升率连续迅速增大时,说明中国煤化工灭火措施防止自燃的.扩大。YHCNMH G因为CO出现较早,且现场监测的手段方法完备,因此以CO作为指标性气体，并辅以测定C2H4的浓度、碎煤中的氧气浓度和空气温度来掌握煤炭的自燃情况。大屯煤炭自燃的预报分为回采期的预报和回收期的预报。回采期间主要对工作面回风巷、上隅角及架后采空区的CO浓度、温度进行定点观测。工作61面进入回收期后除了坚持对回采时的测点进行测定外，为了准确判定顶煤是否氧化自燃,可以在工作面支架缝隙间向顶煤中插管监测选择-些有代表性的固定点进行测定测定孔内CO浓度。4结语1在煤炭自燃预测预报技术中,自 燃倾向性测试预测法、数学模型模拟预测法和标志气体分析法是常用的方法具有很强的实用性。2针对大屯能源股份有限公司煤矿的实际情况利用松散煤体自燃的三维动态数学模型可准确地预测煤体的自然发火期和高温区域并选取CO和CH2作为煤炭自燃预测预报的指标气体。参考文献:[1]罗海珠钱国胤.煤吸附流态氧的动力学特性及其在煤自燃倾向性色谱鉴定法中的应用J]煤矿安全199062)1- 11.[2]徐精彩.应用自然发火实验研究煤的自燃倾向性指标J]西安矿业学院学报,1997 ,1K2):103- 107.[ 3]田水承.煤层开采自燃危险性预先分析研究J]西安矿业学院学报,19986 1):7-22.[4]杨宏民牛广珂.关于采空区自燃三带”划分指标的探讨[ J]. 煤矿安全,1998 29( 5)35-37.[5]邓军徐精彩文虎等.综放采煤法中沿空巷道煤层自然发火预测模型研究J]煤炭学报2001 ,26 1)62- 66.[6]邵 辉.浅析煤炭自燃指标气体的优选与使用J]煤炭科学技术,1996 24(9)43-46.[7]卞晓锴包宗宏史美仁等.煤炭自燃示踪物质筛选[ J]煤炭学报2000 253 )290- 293.[8]阮国强.束管监测系统在矿井防灭火中的应用[ J]煤矿安全2000(8)40-42.[9]徐精彩文虎葛岭梅等.松散煤体低温氧化放热强度的测定与计算J].煤炭学报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中国煤化工MHCNMH G62