实测采空区温度和气体成分的自然发火三带范围确定.pdf

煤矿安全 2 0 0 8 1 0 7 实测采空区温度和气体成分的 自然发火“三带”范围确定 褚延湘1 ，杨胜强1 ，于宝海1 ，张再融1 ，付永杰2 ，王少东2 1 ．中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ；2 ．唐口煤矿，山东济宁2 7 2 1 0 0 摘要沿采空区两巷布置测点，对采空区温度和气体成分变化规律分析，确定唐口煤矿2 3 0 7 综 采工作面自燃“三带”的范围，为防治井下煤炭自燃提供科学依据。 关键词采空区；自燃“三带”；温度分布；气体成分 中图分类号T D 7 5 2 ．2文献标识码A文章编号1 0 0 3 - 4 9 6 X 2 0 0 8 1 0 - 0 0 0 7 0 4 R e s e a r c ho n ”T h r e e z o n e ”o fS p o n t a n e o u sC o m b u s t i o nb yM e a s u r i n gT e m p e r a t u r e a n d G a sC o n s i s t e n c yi nG o a l C H UT i n g x l a n 9 1 ，Y A N GS h e n g q i e n 9 1 ，Y UB a o h e i l ，Z H A N GZ a i t o n 9 1 ，F UY o n g j i e 2 ，W A N GS h a o d o n 9 2 1 ．S c h o o lo f E n e r g y S a f e t yE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i t 腻s i t yo f M i n i n g T e c h n o l o s y ，X u z ．h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．T a n g k o uC o a lM i n e ，J i n i n g2 7 2 1 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nm e a s u r i n gt h et e m p e r a t m - ea n dg a sc o n s i s t e n c yi ng o do fF a c e2 3 0 7 。T a n g k o uM i n e ，d e t e r m i n e st h e ”t h r e ez o n e ”0 f c o a ls p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ．T h e s ea c h i e v e m e n t sp r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rf o r m u l a t i n gp r e v e n tt h em i n es p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n ． K e yw o r d s g o a f ；”t h r e e g o t l e ”0 fs p o n t a n e o t mc o m b u s t i o n ；t e m p o m t u r ed i s t r i b u t i o n ；g a s c o n s i s t e n c y 煤炭自燃严重影响着矿井的安全生产，一旦发 生火灾，将造成巨大的损失【l 】。唐口煤矿是淄博矿 务局新建的现代化的3 0 0 万t ／a 矿井，对于采空区 “三带”没有进行过现场的实际研究，而且2 3 0 7 工 作面是唐口煤矿现有正常唯一的出煤工作面，考虑 到对井下采空区煤炭自燃防治和安全生产，针对 2 3 0 7 工作面，用A D 5 9 0 温度探测器在井下采空区取 气样，分析采空区温度和气体成分随推进距离的变 化规律，分析自燃“三带”的范围。 1 2 3 0 7 工作面概况 唐口矿2 3 0 7 综采工作面走向长度15 7 0m ，倾 向长度2 0 0m ，本工作面设计开采煤层为3p 煤，工 作面内3 。煤沉积较稳定，煤层厚2 ．0 - 4 ．5m ，平均 3 ．5m ，全部可采。该工作面总体上呈一单斜构造， 煤层北高南低。受工作面内小褶曲影响，煤层产状 有～定的变化，煤层走向在1 0 0 一5 0 0 ，倾向在1 0 0 0 一1 4 0 0 之间，工作面内大部分煤层倾角在2 0 1 0 0 之 间，平均7 0 ，仅工作面切眼靠近轨道顺槽局部范围 基金项目河南省煤矿瓦斯与火灾防治重点实验开放基金 H K L C F 2 0 0 7 0 2 内煤层倾角较大，局部达1 7 0 ，对回采有一定的影 响。根据工作面顺槽掘进及三维地震资料分析， 2 3 0 7 工作面地质构造较复杂，巷道掘进中实际揭露 断层l O 条，工作面内预测有断层2 条，其中C ％、 C F 盯断层落差较大，最大落差分别为9 ．5m 、7 ．5m ， 对正常回采影响较大，F 4 7 断层落差虽然较大，但在 西部大巷煤柱内，对回采无影响，其它小断层对回采 影响不大，但对回采煤质有一定影响。唐口煤矿属 低瓦斯矿井，根据2 0 0 6 年矿井瓦斯鉴定矿井3E 煤绝对瓦斯涌出量1 6 ．7 0m 3 ／m i n ，绝对C O 涌出量 7 ．3 3m 3 ／m i n ；相对瓦斯涌出量3 ．7 3m 3 ／t ，相对C 0 2 涌出量1 ．6 4m 3 ／t ，但矿井局部瓦斯变化量较大。 3 。煤为自然发火煤层，发火期5 4 一儿8d ；煤尘具有 强爆炸性，其爆炸指数为4 1 ．6 2 ％。 2 监测系统布置及测定结果 2 3 0 7 综采工作面现在的采深标高为⋯8 5 0 8 6 0m ，地温在3 0 ℃左右，采煤工艺综采，～次采全 高，回采率9 5 ％，综采工作面最为突出的问题就是 采空区及两巷自然发火问题，因此在布置测点选择 在两巷布置，同时为了监测采空区中部的温度和气 样变化，在进、回风顺槽一侧平行工作面分别布置两 万方数据 8 煤矿安全 删4 0 7 个测点嵋Jo 2 ．1 监测系统布置 整个检测装置采用不同的传感器、信号调理电 路和液晶显示器组成，构成智能型环境监测仪表，具 有各种环境参数检测显示的功能，仪器电源采用高 性能锂离子电池，具有欠压显示，自动关机的功能。 该仪器按照本安型设计，通过防湿等处理工艺，能够 适合矿井环境的使用。在试验工作面建立温度、气 样观测系统，主要由温度传感器、传感器引线、数字 测试仪表、保护铁管和束管及测采站等部分组成，监 测系统布置如图1 所示。 图12 3 0 7 采空区测温、取样布置平面图 2 ．2 测温系统 考虑到煤矿井下恶劣的环境，测温元件必须具 有稳定性、可靠性、重复性以及防潮、防腐蚀、抗静电 和杂散电流干扰等性能，且信号适宜于远距离传送 和满足安全防爆的要求。 通过大量的调研和分析，具有许多优越特性的 集成温度传感器A D 5 9 0 完全能够满足上述各项要 求。利用二次仪表电路产生1 个与绝对温度成正比 的电流输出，作为温度电流转换，该转换器能要4 3 0V 电压范围内工作，相当于1 个能产生1m ∥K 的高阻电流源，并在电路制造过程中，利用了激光修 正技术，使芯片中的电阻修正到所需要的精度。当 测温仪表与A D 5 9 0 相接时，可直接显示温度值。 A D 5 9 0 是1 个常温温度传感器，在线性范围内，其温 度上限为1 5 0 q C ，用于煤炭自燃预测预报是完全可 以的。为了保证A D 5 9 0 在使用中的机械强度和防 水、防潮、防腐蚀、绝缘等性能，需对A D 5 9 0 必要的 处理，将两根测量引线分别焊接在A D 5 9 0 的“ ”和 “一”极上，焊接无误后，将A D 5 9 0 插入1 个长3 5 n - f i n ，内径嘶n l m ，壁厚ln l I n 的紫铜管中，并用绝缘 性能良好的瞬间环氧胶灌注密封。 2 ．3 气样系统 根据取样要求，取气样管应选择孔径大小适中、 软硬适宜，便于接合且易于铺设的软管。其孔径大 小主要考虑两个方面，一方面，所有探头引线和取样 胶管均能铺设于铁管内，且不能过于拥挤而造成穿 线困难或堵死取气样管；另一方面，管径不能太小， 否则抽气时阻力过大，很难取出气样。其软硬程度 应考虑抽气时，不会因太软而被吸扁堵塞，铺设时不 会因太硬而折断。因此，选用内径为4 5m i l l 的聚 氯乙烯塑料管为佳。取气利用C H Z I 型气体自动 负压式气泵，搜集到气囊中，利用C - , C 一4 0 8 5 型气相 色谱仪分析气样成分。 2 ．4 测点的保护 由于采空区顶板跨落，容易损坏测点的探头和 堵塞气样束管，因此在现场测点布置的时候采取了 以下措施 对温度探头和束管进行保护。加工口玛2i n I n 保 护短管和咖1 0 8m i l l 保护套管。 为了有效的抽取气样，在中3 2I n I n 保护短管中 安装橡皮塞，形成1 个密闭气室。 为了防止采空区的渗水，造成温度探头短路，利 用现场矸石抬高0 ．2m 。 2 ．5 实测数据分析 2 ．5 ．1 温度数据分析 对采空区温度的测定能直观地反映出采空区遗 煤及矸石的氧化自热程度，分析采空区温度分布及 其规律，掌握采空区自燃氧化状态，为防止采空区自 燃提供一定依据。 1 采空区温度分布变化规律分析。图2 、图3 为按照测点布置平面图布置的8 个测点随采空区深 度变化实测曲线。 芝磊[ 、门尸旷V 八八入 舞1 5 } 鬟1 [ 爰b 菇了_ 菇r 1 玄广蠹1 女厂] 确．6 采空区后部深度／m 图2 进风巷测点采空区深度与温度变化曲线 2 进风巷测点温度变化分析。通过对现场实 测数据的分析发现，进风巷测点的温度随推进距离 的变化梯度不大，温度变化的规律如图2 所示，在观 测距离为8 0m 的范围来看，其温度值在2 2 ．I E 上 下波动，随采空区深度的变化不明显。按照煤的低 万方数据 煤矿安全 z o o s l o 9 p 、 瑙 赠 嚣 采空区后部深度I m 图3 回风巷测点采空区与温度变化曲线 温氧化实验结果来评判，在迸风巷一侧其自然发火 的情况不明显。但形成这一结果的原因是必须掌握 的。究其原因有以下几个方面①测点位于进风巷 道一侧，由于进风流温度较低，而且在进风流端头和 采空区之间漏风压差大漏风量大，采空区遗煤自热 的热量不易积聚；②由于工作面推进的速度为8 9 m ／d ，推进速度很快，没有足够的氧化反应时间；③ 在现场发现，采空区顶板冒落的形态，几乎完全包裹 了采空区的遗煤，而且矸石的粒度比较小，这样使遗 煤与氧气的接触面积大大减少，在一定程度上减慢 了遗煤的自身氧化速度；④工作面的采煤工艺也是 一项影响因素，工作面采用综采，一次采全高，回采 率达到了9 5 ％，使得遗煤量很少，遗煤的厚度不够； ⑤地质裂隙的渗水，同时由于工作面的倾角，使得渗 水往上隅角方向流动期间带走一定程度上的热量。 综上原因，使得采空区进风巷侧的温度变化不 明显，自然发火情况不明显。 3 回风巷测点温度变化分析。通过对现场实 测数据的分析，发现回风巷测点的温度随推进距离 的变化梯度比较大，在观测距离为8 0m 的范围来 看，其温度值在波动范围相对比较大，随采空区深度 的变化明显。在回风巷布置测点上，顾及到采空区 内部温度的监测5 。、6 ‘测点位于回风顺槽往里2 0m 的范围，7 ’、8 。号测点平行回风顺槽布置。通过对回 风顺槽测点温度变化规律发现，温度峰值第一次达 到4 0 ℃时，采空区后退的距离为2 6m ，然后温度逐 渐随着推进距离的变化，温度不断上升，在监测的范 围内最高温度峰值达到5 5 ．1 ℃，此时采空区后退的 距离为5 2 ．6m ，随着工作面的继续推进，采空区后 部温度逐渐下降，第二次采空区温度在4 0 ℃左右的 时候，工作面已经推进了6 6 ．5 5m ，然后温度沿着降 低的趋势下降，温度最后一次监测数据为2 8 ．9 ℃ 监测坐标为7 6 ．5 5m ，根据唐口煤矿2 3 0 7 的作业 规程上的说明，地温3 0 ℃左右。由此判断在7 6 ．5 5 m 后的采空区深度温度维持在3 0 ℃左右，此说明在 距工作面7 6 ．5 5m 后的采空区，采空区的温度稳定 在地温值左右，也就是说采空区覆盖范围在大于 7 6 ．5 5m 后，遗煤不再氧化，进入“三带”的窒息带。 关于选择4 0 ℃作为特征温度值的说明。通过 对唐口煤矿煤样的低温氧化氧化实验分析，发现唐 口煤样在4 0 ℃以上时，氧化速度加快，随着氧化速 度的加快，煤体氧化放热加剧，温度升高梯度变大， 温度迅速上升。因此选择4 0 ℃作为分析的一个温 度特征值日】。 由以上的分析和温度变化规律，利用温度指标 初步判定采空区的“三带”的范围 、 低温不自燃带的范围为距工作面0 2 6m 。 可能氧化自燃带范围为距工作面2 6 7 6 ．5 5 m o 窒息带范围为距工作面7 6 ．5 5m 一∞。 2 ．5 ．2 气样成分数据分析 1 O 浓度变化分析。采空区0 2 浓度的变化， 直观的反映了采空区的漏风状态，以及遗煤的氧化 环境，现在根据0 浓度划分“三带”的标准是散热 带0 2 浓度 1 8 ％，氧化带0 2 浓度在1 8 ％一l O ％ 之间，窒息带0 浓度小于1 0 ％【．q 】。根据这一划 分标准和现场实测数据分析可再次初步判断“三 带”的范围。 通过对0 浓度曲线的回归分析，其回归曲线 为 C 一8 1 0 。5 P 0 ．0 0 84 酽一0 ．3 5 86L 2 0 ．7 8 8 ，其中C 为测点0 浓度 ％ ，L 为测点在采 空区的深度 m 。 按照0 浓度划分“三带”的标准，通过计算当 C I 1 8 时，厶 9 ．9 0m ；c 2 1 0 时，厶 6 8 ．2 8m 。 则，可判断“三带”的范围为 低温不白燃带的范围为距工作面0 - 9 ．9 0m 。 可能氧化自燃带范围为距工作面9 ．9 0 ～6 8 ．2 8 m o 窒息带范围为距工作面6 8 ．2 8m 一∞。 2 C O 浓度变化分析。C O 的出现可以更直观 的反映采空区的氧化情况，C O 是唐口矿煤炭自燃标 志气体优选气体，根据C O 的变化规律，能够直观的 说明采空区发生氧化的范围，在“三带”研究中可以 作为以温度和氧气浓度划分的验证。 C O 浓度变化规律分析，通过现场实测数据的整 理发现，当工作面推进1 5 ．3m 的时候，监测到C O 的浓度为8 1 0 一，然后随着工作面的不断推进，C O 的浓度逐渐升高，在推进到5 2 ．6m 的时候，C O 浓度 万方数据 l O 煤矿安全 T o t a l4 0 7 值达到最大1 6 4 1 0 ～，然后随着工作面的不断推 进，发现C O 的浓度开始降低，在推进到6 7 ．6 的时 候，C O 消失。由此说明当采空区后部1 5 ．3m 的时 候，采空区遗煤开始氧化；在2 8 5 8 ．8m 的范围内 C O 浓度都在2 4 1 0 “以上，说明在此范围内氧化 强烈，采空区进人可能自燃带；当推进距离6 7 ．6m 的时候C O 消失，说明采空区进入窒息带。 3 综合判定采空区“三带”范围 根据对采空区温度、0 浓度、C O 浓度的变化规 律综合判断2 3 0 7 工作面采空区“三带蝗的范围。为 了能够有效识别采空区自燃氧化状态和采取有效的 矿井内因火灾的防治工作，针对“三带”范围，利用 取M I N M A X 的方法，优化采空区“三带”范围 见 表1 。 m ；可能氧化带范围为9 ．9 - 7 6 ．5 5m ；窒息带范围为 7 6 ．5 5m 一∞o 3 根据对采空区温度、O 浓度、C O 浓度的变 化规律综合判断2 3 0 7 工作面采空区“三带”的范 围，和M I N M A X 的处理，使得采空区“三带”范围 划分的更科学，合理。能够全面掌握采空区的自然 发火情况，有利于现场矿井对内因火灾的控制。 4 实践证明，尽管采空区内有C O 涌出，但高 温区域不明显，但只要保持适当的工作面推进度、 风量和顶板垮落步距，采空区便不会发生自燃．唐 口矿2 3 0 7 综采工作面的开采实践也证明了这一点。 参考文献 [ 1 】王省身，张国枢．矿井火灾防治【M ] ．徐州中国矿业 大学出版社，1 9 9 0 ． [ 2 ] 蒋曙光，张人伟，陈开岩．监测温度和气体确定采空区 表12 3 0 7T 作面“三带”划分数据表 m 自燃“三带”的研究[ J ．中国矿业大学学报，1 9 9 8 。三带”划分不自燃带可能氧化窒息带 2 7 5 6 - 5 9 ． 方法范围带范围范围 C 3 3 褚廷湘，杨胜强，等．煤的低温氧化实验研究及红外光 温度变化规律0 ～2 6 2 6 ～7 6 - 5 5 7 6 5 5 。一 谱分析【J ．中国安全科学学报，2 0 0 8 ，1 8 1 1 7 l 一 0 2 浓度变化规律0 _ 9 9 0 9 9 0 - 6 8 2 86 8 2 8 _ 。 1 7 6 ． c o 浓度变芳紫0 - 1 5 ．3 r 氓3 _ 6 7 6 7 ．6 _ m 。 【4 】陈全．采空区“三带”划分指标的研究[ J 】．东北大M I NM A X0一 优化 - 9 ．9 9 ．9 7 6 ．5 57 6 ．5 5 一∞ ⋯’ ”‘。，1 、1 “一⋯”““””””””⋯“7 、～ 学学报，1 9 9 7 3 ． ．．．．． 【5 】罗新荣，等．综采放顶煤采场漏风与采空区氧化“三 ’锅叱 带”研究 J ．煤炭学报，1 9 9 8 ，2 3 5 4 8 0 4 8 5 ． 1 采用沿采空区倾向布置多个测点的方法对 唐口矿2 3 0 7 工作面自然发火危险性研究，对采空区 温度和气体成份进行了较全面的测定，为分析采空 区状况和自燃“三带”划分提供了可靠的依据。 2 自燃“三带”的范围随着工作面的推进而前 移。自燃“三带”的范围为不自燃带范围0 9 ．9 作者简介褚廷湘 1 9 8 1 一 ，男，河南桐柏人，主要从事 矿井火灾防治研究，现为中国矿业大学在读硕士研究生，发 表论文数篇。 收稿日期2 0 0 8 0 3 1 8 ；责任编辑郭瑞年 圈外爆矿安全信思 根据不同声音类型识别煤岩体地震冲■ 目前，顿巴斯煤矿开采3 6 个煤层都采用地震声响测定仪，检测开采时局部卸压或矿压超负荷 发生的声响放射脉冲。识别不同声音的声响放射脉冲是以人听觉器官感觉声响的生理特征为基 础，也就是当听到声响放射活动时产生主观的知觉。作者们利用傅里叶快速转换的数学模型和根 据4 个等级德伯施转换音响分量的抑制原理提出了声响类型鉴别的方法。鉴别结果自动存储在 携带式的计算机中。这种方法能快速识别不同声音的地震脉冲，能够自动计算地震脉冲，以预测 将要发生危险的地带。 摘自 y r o 皿y r P A m - i b i 2 0 0 8N o ．1 万方数据