杨涧煤矿90101工作面煤层自燃特性及三带测试分析
山西中煤杨涧煤业有限公司中国矿业大学
二O一二年七月
目录
1绪论 (1)
1.1课题研究背景及意义 (1)
1.2研究内容 (2)
2 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定 (3)
2.1工业分析 (3)
2.1.1 测试设备 (3)
2.1.2 水分测定 (3)
2.1.3 灰分测定 (3)
2.1.4 挥发分测定 (4)
2.1.5 固定碳计算 (4)
2.1.6 测试结果 (4)
2.2真相对密度测试 (5)
2.2.1 依据标准 (5)
2.2.2 仪器设备 (5)
2.2.3 测定步骤 (5)
2.2.4 结果计算 (6)
2.2.5 测试结果 (7)
3 90101工作面煤样自燃倾向性测试 (9)
3.1煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法 (9)
3.1.1 依据标准 (9)
3.1.2 测试仪器及主要性能参数 (9)
3.1.3测试过程及吸氧量计算 (10)
3.1.4 煤自燃倾向性分类 (10)
3.1.5 实验数据及结果 (11)
3.2煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法 (11)
3.2.1依据标准 (11)
3.2.2 测试原理 (11)
3.2.3 测试仪器 (11)
3.2.4 测试过程 (12)
3.2.5 煤自燃倾向性判定指数的计算 (12)
3.2.6 煤自燃倾向性分类指标 (13)
3.2.7 实验数据及结果 (13)
3.3自燃倾向性测试结果 (15)
4 90101工作面煤层自然发火指标气体 (15)
4.1实验设备 (15)
4.2实验过程 (16)
4.2.1 煤样选取 (16)
4.2.2 实验过程 (16)
4.3.测试数据 (16)
4.3.1.实验原始数据 (16)
4.3.2 CO、CO2气体产生规律 (18)
4.3.3烷烯烃气体产生规律 (19)
4.4.煤层自然发火标志气体分析与优选 (19)
4.4.1标志性气体优选原则 (20)
4.4.2 煤层自然发火标志气体分析 (20)
4.5结论 (22)
5 90101工作面自燃危险区域测试分析 (23)
5.1采空区煤自燃“三带”的现场观测 (23)
5.1.1 测试装备与技术方案 (23)
5.1.2 观测数据与分析 (26)
5.2采空区自燃“三带”的CFD模拟 (30)
5.2.1 采空区氧气运移分布的理论基础 (30)
5.2.2 综放面氧气浓度场的CFD模型 (32)
5.2.3 模拟结果与分析 (33)
5.2.4工作面配风量对自燃带分布的影响 (34)
6 全文总结 (37)
1绪论
1.1 课题研究背景及意义
煤炭自燃是矿井的主要灾害之一，我国国有煤矿每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个，封在火区内的工作面装置达数千万元。近年来，随着我国特厚煤层综采放顶煤技术的试验和推广，煤炭的产量和效益大幅度提高，但由于综采放顶煤技术一次性开采强度大，端头支架处顶煤放出率低(有的不放)，冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，加之机电设备功率大、散热多引起采空区温度增高等因素，使得自然发火频繁，严重制约了综采放顶煤高产高效技术的发展。一些以往认为不自燃的矿井，也频繁出现煤层自燃火灾，严重威胁着矿井的安全生产，导致大量的煤炭因火区而冻结；同时，因煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯、粉尘爆炸严重危及井下人员的生命安全。然而，煤炭自燃都经历一个发生、发展的过程。如果能准确得掌握煤炭自燃特性及其规律，在煤炭自燃的初始缓慢聚热阶段对其进行有效控制和处理，势必起到事半功倍的效果，一旦错过这段控制火势的良好时机，火区将会快速发展，火区处理条件和难度迅速恶化与增加。
山西中煤杨涧煤业有限公司位于朔州市区东北部，与平鲁区接壤。该矿所开采的矿井储量丰富，煤层厚、赋存浅，地质构造简单，易开采。煤种属气肥煤，是比较理想的动力用煤。煤层距地面垂直深度70-90米，4号、9号、11号煤层为批准可采煤层。90101工作面为杨涧煤矿9号煤层的首采工作面，其工作面走向长度1060m，面长200m，煤层平均厚度约11.2m，煤层平均倾角4°左右。工作面采用综采放顶煤工艺回采，回采过程中采空区遗留浮煤相对较多；同时，90101工作面上部为4号采空区，9煤与4煤层间距约40m，90101采空区来压后势必与4煤采空区沟通使得工作面漏风复杂；加之开采初期作业人员与设备存在一定的磨合期，磨合期间工作面回采速度相当较慢。这些都增加了90101工作面煤层自燃的危险性。临近矿井开采9号煤时已不同程度的出现过自然发火的征兆。90101工作面一旦发生自燃势必影响到整个矿井的安全生产。因此，开展对90101工作面煤层自燃特性及其预防技术的研究，实现工作面的安全回采，指导杨涧煤矿的防灭火工作具有重要的意义。
1.2 研究内容
本课题的研究内容主要包括以下几个方面：
（1）测试90101工作面煤样水分、灰分、挥发份、固定碳及发热量和真相对密度。
（2）分析90101工作面煤层自燃倾向性，测试分析90101工作面煤层温升过程中的气体产物及其随温度的变化规律，得出煤层自然发火指标预警指标。
（3）测试90101工作面回采过程中采空区的气体成分、浓度并分析其随回采进程推进的变化规律，确定正常回采情况下的采空区自燃危险区域；计算模拟不同配风量下采空区“自燃危险区域”的分布范围与变化规律；得出自燃危险区域随风量的变化规律；
图2-1 测试设备
2 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定
2.1 工业分析
测试煤样取至杨涧煤矿90101工作面和顺槽处。煤的工业分析主要对煤中的水分、灰分和挥发分进行测定，并根据水分，灰分和挥发分对固定碳，发热量和氢含量进行计算。
2.1.1 测试设备
本测试利用长沙三德实业有限公司生产的SDTGA5000型工业分析仪进行煤样的工业分析。设备如图2-1所示：
2.1.2 水分测定
称取一定量的空气干燥煤样，置于105～110℃干燥箱中，在干燥氮气流中干燥到质量恒定。然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量。计算公式如下：
1001
?=
m
m M ad 式中：M ad --------空气干燥煤样的水分含量，%；
1m --------煤样干燥后失去的质量，g ；
m -------煤样的质量，g 。
2.1.3 灰分测定
称取一定量的空气干燥煤样，放入马弗炉中（或者相当于马弗炉功能的炉膛中），以一定的速度加热到815±10℃，灰化并灼烧到质量恒定。以残留物的质量占煤样质量的百分数作为灰分产率。计算公式如下：
1001
?=
m
m A ad 式中：A ad --------空气干燥煤样的灰分产率，%；
1m -------- 残留物的质量，g ；
m -------- 煤样的质量，g 。
2.1.4 挥发分测定
称取一定量的空气干燥煤样，放在带盖的瓷坩埚中，在900±10℃温度下，隔绝空气加热7min 。以减少的质量占煤样质量的百分数，减去该煤样的水分含量（ad M ）作为挥发产率。计算公式如下：
ad ad M m
m V -?=
1001
式中，ad V --------空气干燥煤样的挥发分产率，%；
1m --------煤样加热后减少的质量，g ；
m -------- 煤样的质量，g ；
ad M -------- 空气干燥煤样的水分含量，%。
2.1.5 固定碳计算
固定碳按如下公式计算：
()ad ad ad ad V A M FC ++-=100
式中：ad FC --------空气干燥煤样的固定碳含量，%；
ad M -------空气干燥煤样的水分含量，%；
ad A -------空气干燥煤样的灰分产率，%； ad V -------空气干燥煤样的挥发分产率，%。
2.1.6 测试结果
根据上述测试方法对所取煤样进行测试，得出测试煤样的工业分析结果如表2-1所示。
2.2真相对密度测试
物质所有的宏观的物理性质在一定程度上都与密度有关。物质密度的大小取决于分子结构和分子排列的紧密度，因而与分子空间结构有关。而分子之间的相互作用是分子间距离的函数，直接影响着物质的物理性质和物理化学性质。因此，密度是性质与结构的重要参数。煤的真相对密度是指煤的密度（不包括煤中空隙的体积）与参考物质的密度在规定条件下之比。本测试方法通过浸润剂使煤样在密度瓶中润湿沉降并排除吸附的气体，根据煤样排出的同体积的水的质量算出煤的真相对密度。
2.2.1 依据标准
GB/T217-2008 煤的真相对
密度测定方法
2.2.2 仪器设备
1）分析天平：感量0.0001 g。
2）水浴。
3）恒温器：控温范围10～35℃，
控温精度±0.5℃。
图2-2 密度瓶示意图4）密度瓶：带磨口毛细管塞，容量
50ml，如图2-2所示。
5）刻度移液管：容量10mL。
6）水银温度计：0～50℃，最小分度0.2℃。
2.2.3 测定步骤
1）准确称取粒度小于0.2mm空气干燥煤样2g(称准到0.0002g)，通过无颈小漏斗全部移入密度瓶中。
2）用移液管向密度瓶中注入浸润剂3ml，并将瓶颈上附着的煤粒冲入瓶中，轻轻转动密度瓶，放置5min使煤样浸透，然后沿瓶壁加入约25ml蒸馏水。
3）将密度瓶移到沸水浴中加热20min，以排除吸附的气体。
4）取出密度瓶，加入新煮过的蒸馏水至水面低于瓶口约1cm处并冷至室
温．然后于20±0.5℃的恒温器中(根据室温情况可适当凋整恒温器温度)保持1h(也可在室温下放置3 h 以上，最好过夜)，记下室温温度。
5） 用吸管沿瓶颈滴加新煮沸过的并冷却到20℃(或室温)的蒸馏水至瓶口，盖上瓶塞，使过剩的水从瓶塞上的毛细管溢出（这时瓶口和毛细管内不得有气泡存在，否则应重新加水、盖塞）。
6）迅速擦干密度瓶，立即称出密度瓶加煤、浸润剂和水的质量m 1。 7）空白值的测定:按上述方法，但不加煤样，不在沸水浴中加热，测出密度瓶加浸润剂、水的质量m 2（在恒温条件下，应该每月测空白值一次；在室温条件下，应同时测定空白值）。同一密度瓶重复测定的差值不得超过0.0015g 。
2.2.4 结果计算
1）恒温下真相对密度按照以下计算式计算：
20
2021
d
d m TRD m m m =
+-
式中：
20
20
TRD ——干燥煤的真相对密度；
m d ——干燥煤样质量，g ；
m 2——密度瓶加浸润剂和水的质量，g ； m 1——密度瓶加煤样、浸润剂和水的质量，g ；
干燥煤样质量按照下式计算：
100×
100ad
d M m m -=
式中：m ——空气干燥煤样的质量，g ；
M ad ——空气干燥煤样水分，按GB 212规定测定，％ 2）室温下真相对密度按下式计算：
20
2021
d
d m TRD m m m =
+-×K t
式中：K t ——温度校正系数，Kt=dt/d20, Kt 由表2查出；
dt ——水在t ℃时的真相对密度； d 20——水在20℃时的真相对密度。
表2-2 校正系数Kt
2.2.5 测试结果
按照以上实验要求对煤样真相对密度进行测试，结果如表2-3所示：
表2-3 煤样真相对密度
3 90101工作面煤样自燃倾向性测试
煤炭自燃倾向性是划分煤炭自然发火危险性等级的指标参数。它不仅是煤炭矿井恰当地设计采煤方法，选择采区规模，合理设计矿井通风和风压条件的重要依据之一，也是采取适当措施存贮和长途运输煤炭的重要依据。目前我国煤炭自燃倾向性的测试方法有色谱吸氧法和氧化动力学测试方法两种。
3.1 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法
3.1.1 依据标准
GB/T20104-2006 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法
3.1.2 测试仪器及主要性能参数
ZRJ一1型煤自燃性测定仪（如图3-1所示），性能参数如下：
测量方法：双气路流动色谱吸氧法；
测量范围：吸氧量0.05～4.00ml/g；
测量误差：≤5％；
载气：氮气（纯度≥99.95）；
吸附气：氧气（纯度≥99.95）；
基线飘移：≤0.6mv/h；
灵敏度：h>10mV/ml(氧气峰高，氮气载气)；
供电电源：220V±10%，（50±0.5）Hz，功率≤500W。
图3-1 ZRJ-1型流态色谱吸氧仪器
3.1.3测试过程及吸氧量计算
实验按照《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》GB/T 20104-2006规定进行。吸氧量计算公式为：
)G
W (11
)))V d G (1S R a R a (
(S KR V Q S TRD 2C22C111C1d -?-?-=
式中：
d
V ——吸氧量，cm3；
K ——仪器常数；
1
C R ——为实管载气流量，cm3／min ； 2C R ——为空罐载气流量，cm3／min ；
1a ——实管时氧气的分压与大气压之比； 2
a ——空管时氧气的分压与大气压之比； 1S ——实管脱附峰面积，mVs ； 2
S ——空管脱附峰面积，mVs ；
G ——煤样重量，g ；
TRD d ——煤的真比重；
S
V ——样品管（标准态），cm3；
Q W ——煤样全水份，％。
3.1.4 煤自燃倾向性分类
测定结果以1g 干煤在常温(30℃)、常压（101325 Pa ）下的吸附氧量作为分类的主要指标，并综合考虑煤种及含硫量等因素来对煤的自燃倾向性进行分类，分类指标见表3-1、表3-2。
表3-1 煤样干燥无灰基挥发分Vdaf>18%时自燃倾向性分类
自燃倾向性等级
自燃倾向性 煤的吸氧量V d ，cm 3／g 干煤
I 类 容易自燃 V d ＞0.70 II 类 自 燃 0.40＜V d ≤0.70 III 类
不易自燃
V d ≤0.40
表3-2 煤样干燥无灰基挥发分Vdaf≤18%时自燃倾向性分类
自燃倾向性等级
自燃倾向性 煤的吸氧量Vd ，cm 3／g 干煤
全 硫 I 类
容易自燃
V d ≥1.00
≥2.00
II类自燃V d＜1.00
III类不易自燃＜2.00
3.1.5 实验数据及结果
按照上述实验过程得到测试煤样1g干煤在常温(30℃)、常压（101325 Pa）下的吸氧量和含硫量如表3-3所示：
根据实验数据结合煤自燃倾向性等级分类标准可得所测煤样的自燃倾向性如表3-4所示：
表3-4煤样自燃倾向性鉴定结果
3.2 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法
3.2.1依据标准
AQT1068-2008 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法
3.2.2 测试原理
煤自燃倾向性的氧化动力学测定法是以煤从低温氧化到自燃的动态发展全过程为研究对象，以热自燃理论和自由基链式反应理论为基础，以多参数综合测试方法为手段的煤自燃倾向性鉴定方法。通过测试相同实验条件下煤样达70℃时煤样罐出气口的氧气浓度来判定该煤样在低温阶段的氧化特性，通过测试交叉点温度的大小可以反映出煤在加速氧化阶段的内在氧化自燃特性，继而得到煤自燃倾向性的判定指数，根据该指数对煤自燃倾向性的分类作出鉴定。
3.2.3 测试仪器
煤自燃倾向性的氧化动力学测试系统由干空气瓶、气体预热铜管、煤样罐、
控温箱、气体采集及分析系统和数据采集系统等部分组成，其系统图如图3-2所示，实物图如图3-3所示。
20
20
19
18
17
11
14
13
16
15
12
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
+
-
1-干空气瓶；2-减压阀；3-稳压阀；4-稳流阀；5-压力表；6-气阻；7-流量传感器；8-隔热层；9-
控温箱；10-气体预热铜管；11-进气管；12-出气管；13-煤样罐；14-铂电阻温度传感器；15-风扇；
16-加热器；17-控制器及显示键盘；18-数据采集系统；19-气相色谱仪；20-计算机
图3-2 煤自燃倾向性氧化动力学测试系统图
图3-3 装置实物图
3.2.4 测试过程
按《煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法》AQ/T 1068-2008规定进行实验。
3.2.5 煤自燃倾向性判定指数的计算
将测定的
2
O
C和
cpt
T按式(1)和(2)求得无量纲量
2o
c
I和
cpt
T
I，并代入式(3)得到煤自燃倾向性判定指数I：
2
2
15.5
100
15.5
O
O
C
C
I
-
=?（1）
140
100
140
cpt
cpt
T
T
I
-
=?（2）
()
2
2
300O O cpt cpt C C T T I I I φ??=+- （3）
式中：
2
o c I ——煤样温度达到70 ℃时煤样罐出气口氧气浓度指数，无量纲； 2O C ——煤样温度达到70 ℃时煤样罐出气口的氧气浓度，%；
15.5 ——煤样罐出气口氧气浓度的计算因子，%；
cpt T I ——煤在程序升温条件下交叉点温度指数，无量纲；
cpt T ——煤在程序升温条件下的交叉点温度，℃；
140 ——交叉点温度的计算因子，℃；
I ——煤自燃倾向性判定指数，无量纲；
φ ——放大因子，φ=40；
2
O C ?——低温氧化阶段的权数，2
O C ?=0.6；
cpt
T ?——加速氧化阶段的权数，cpt
T ?=0.4；
300 ——修正因子。
3.2.6 煤自燃倾向性分类指标
根据计算得到的煤自燃倾向性判定指数I ，按表3-5中的分类指标对煤自燃倾向性进行分类。
表3-5 煤自燃倾向性分类指标
自燃倾向性分类 判定指数I
容易自燃 I ＜600
自燃 600≤I ≤1200
不易自燃
I ＞1200
3.2.7 实验数据及结果
在上述实验过程中对所取煤样氧化70℃时煤样罐出气口的氧气浓度和交叉点温度分析如下：
（1）70 ℃时煤样罐出气口的氧气浓度
杨涧90101工作面和顺槽处煤样氧化70℃时煤样罐出气口的氧气浓度分别为19.99和20.08。
（2）交叉点温度
煤样程序升温条件下温度变化过程如图3-4所示。
图3-5 煤样交叉点温度图
（3）鉴定结果
根据实验所得杨涧90101工作面和顺槽处测试煤样氧化70℃时煤样罐出气口的氧气浓度和交叉点温度，得到煤自燃倾向性结果如表3-6所示。
表3-6 煤炭自燃倾向性的氧化动力学方法鉴定结果
煤样名称70℃时煤样罐出气口的
氧气浓度，%
程序升温条件下的交
叉点温度，℃
煤自燃倾向性判
定指数I
自燃倾向
性
90101工作
面19.57 155.9 512
Ⅰ类容
易自燃
90101面顺槽断层20.03 159 619
Ⅱ类自
燃
3.3自燃倾向性测试结果
结合杨涧煤矿90101工作面和顺槽处测试煤样色谱吸氧法和氧化动力学测试方法测试结果可得：90101工作面煤层为Ⅰ类容易自燃煤层。
4 90101工作面煤层自然发火指标气体
在煤在氧化过程时要产生多种气体，且各种气体产生的最低温度，以及气体生成量和煤温之间的关系因煤氧化难易程度不同而异，其中能用来预报煤炭自然发火程度的气体称为煤炭自燃标志性气体。《煤矿安全规程》2010版第二百四十一条规定开采容易自燃和自燃的煤层时必须确定煤层自然发火的标志气体。煤炭开采过程中通过测试优选适合的指标气体可为煤炭自燃火灾早期预报提供必要的前提条件，同时也使得在实际开采过程中的煤炭自燃防治工作更具有针对性。
4.1 实验设备
煤自然发火气体产物模拟试验装置示意图如图4-1所示其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。图4-2、图4-3为本实验系统的主要实物图。
图4-1 指标气体实验系统图
图4-2 温度控制箱图4-3 指标气体分析仪
4.2实验过程
4.2.1 煤样选取
测试煤样选取杨涧90101工作面和顺槽处，经密封储存邮运至实验室。采样前先剥去煤样表面氧化层，然后对其进行破碎并筛分出40～80目的颗粒50g作为实验煤样。
4.2.2 实验过程
将50g粒度为40～80目的煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头（探头置于煤样罐的几何中心），检查气路的气密性。当煤温达到30℃时向煤样内通入50ml/min的干空气，并将测试炉调整至0.8℃/min程序升温，在反应初期每10℃分析一次气体成分和浓度，加速氧化阶段每12min分析一次气体成分和浓度。
4.3.测试数据
在上述实验条件下得到测试煤样气体产物随煤温的变化实验数据见表4-1和表4-2。
4.3.1.实验原始数据
表4-1 90101工作面煤样指标气体实验数据(单位：10-6)
温度/℃CO CO2CH4C2H4C2H6C3H8C2H2
30 1.52 92.26 1.99 0.00 0.00 0.00 0.00
40 1.87 109.55 1.84 0.00 0.00 0.00 0.00
50 1.95 140.34 2.08 0.00 0.00 0.00 0.00
60 2.00 141.67 2.06 0.00 0.00 0.00 0.00 70 8.65 369.57 2.24 0.00 0.00 0.00 0.00 80 20.08 162.57 2.56 0.00 0.59 0.00 0.00 90 154.04 543.99 3.28 0.00 0.69 0.00 0.00 100 349.94 802.49 4.16 0.18 1.74 0.00 0.00 111 620.98 1127.84 7.17 0.44 3.05 0.00 0.00 124 1056.82 1698.41 12.67 1.00 5.53 2.55 0.00 137 1970.09 2657.51 24.96 2.15 11.81 4.61 0.00 149 3413.86 3916.57 45.40 5.46 21.53 12.67 0.00 159 4986.21 5767.65 70.78 10.54 32.64 25.79 0.00 170 8225.75 8627.42 102.81 20.78 45.96 40.16 0.00 181 10203.02 9541.05 132.92 33.57 51.33 53.17 0.00 194 13244.58 11553.75 158.56 48.69 58.77 59.48 0.00 表4-2 90101顺槽处煤样指标气体实验数据(单位：10-6)
温度/℃CO CO2CH4C2H4C2H6C3H8C2H2
30 3.27 595.46 2.19 0.00 0.00 0.00 0.00
40 3.47 638.96 2.14 0.00 0.00 0.00 0.00
50 12.77 585.99 2.40 0.00 0.00 0.00 0.00
60 25.45 714.51 2.31 0.00 0.00 0.00 0.00
70 43.28 854.25 2.32 0.00 0.00 0.00 0.00
80 85.82 1159.33 2.60 0.00 0.00 0.00 0.00
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