大采高工作面回风隅角CO来源分析及定量表征.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：国家自然科学基金面上项目（）作者简介：王鲁宁（），男，山东菏泽人，工程师，硕士，研究方向为矿井火灾防治，现任国电建投内蒙古能源有限公司副总经理。引用格式：王鲁宁，李文龙，刘春 大采高工作面回风隅角 来源分析及定量表征 能源与环保，（）：，（）：，大采高工作面回风隅角 来源分析及定量表征王鲁宁，李文龙，刘春（国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 ；中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 ）摘要：大采高工作面具有漏风量大、遗留煤柱易堆积蓄热以及井下胶轮车使用频繁等问题，极易导致回风隅角 浓度超限，不仅严重威胁工作面安全回采，还干扰采空区煤自燃险情的判断，因此，准确、及时研判回风隅角 来源成为大采高工作面采空区煤自燃防治的当务之急。以 的产生机理为理论依据，分析了大采高工作面回风隅角 来源及影响因素，量化了各因素对回风隅角 浓度的影响，建立了回风隅角 浓度计算模型，并利用该模型预测了察哈素煤矿不同工作面的回风隅角 浓度。预测结果与实测值的相对误差小于 ，说明该模型可准确预测回风隅角 浓度，判断 主要来源，对及时消解回风隅角 浓度超限问题、准确掌握采空区煤自燃情况具有重要指导意义。关键词：大采高工作面；煤自燃；超限；产生机理；浓度预测模型中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；在煤层开采过程中，遗留在采空区的煤体发生缓慢氧化自燃，产生的 容易使工作面回风隅角 浓度超限，特别是西部矿区的大采高工作面，其具有更厚的煤柱和更大的采空区空间；同时，井下胶 年第 期能源与环保第 卷轮车使用频繁，导致大采高工作面回风隅角更容易出现 浓度超限问题 。大多数煤矿一旦发现 浓度超限，便会投入大量的资金、人力、物力进行治理。然而，大采高工作面回风隅角 来源多样，浓度超限时采空区有时并未发生煤自燃，这造成了不必要的浪费，阻碍了正常的生产工作 ，甚至错过预防和控制煤自燃的最佳时机 。准确判断回风隅角 来源，有助于分析采空区煤自燃情况，提高煤自燃防治效率。国内学者对回风隅角 进行了研究，得出煤层原始赋存、采煤过程中产生、采空区遗煤自燃氧化以及井下爆破生成是回风隅角 的主要来源 ，并提出了相应的治理方法 。但是，针对大采高工作面回风隅角 来源的研究相对较少，特别是回风隅角 来源计算模型仍需完善。为此，本文以察哈素煤矿大采高工作面采空区煤自燃防治为研究背景，分析矿区开采条件和煤层自燃特性，查明工作面回风隅角 来源，建立正常开采条件下的 浓度预测模型，根据计算结果分析 浓度超限的主要原因，为 浓度超限的精准治理提供合理可行的方向 。察哈素矿区煤自燃特性参数察哈素煤矿位于国家大型煤炭基地 神东煤炭基地内的东胜煤田，行政区划隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗乌兰木伦镇和札萨克镇，矿井主井工业场地距布连乡约 。察哈素煤矿年产量为 万 万 ，所开采的煤层均为容易自燃和自燃煤层，极容易发生自然发火。一旦发生事故，便会造成重大的安全生产事故和严重损失经济。察哈素矿区各煤层超半数的工作面回风隅角存在不同程度的 超限现象。煤的自燃倾向性察哈素煤矿目前正在开采的主要是 煤层和 煤层，煤层煤的吸氧量为 ，煤层煤的吸氧量为 。现所采煤层均为级容易自燃煤层，布置的工作面多为大采高、长走向，自然发火隐患较严重，各工作面煤样的自燃倾向性见表 。煤自然发火指标气体 测试步骤煤自然发火标志气体实验模拟装置如图 所示，具体实验步骤如下。（）在控温箱煤样罐中放入 煤样，粒度为 目 。表 煤炭自燃倾向性鉴定结果 项目 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 自燃倾向性等级自燃倾向性容易自燃容易自燃容易自燃容易自燃容易自燃图 煤自然发火标志气体实验装置示意 （）将干空气瓶、温度探头和检测系统连接控温箱的外壳，用以检查气密性。（）开始测试，首先打开干空气瓶阀门，设置为通气速率 ，向煤样罐中通入干空气。（）煤样持续氧化升温到指定温度，保持温度 内无变化，然后打开出气口放气。（）分析释放出的气体成分和浓度，设置多个温度段进行测试，最终获得释放气体随煤体温度变化的实验数据。结果分析各煤样在氧化升温过程中所产生的 、和 气体浓度随温度的变化如图 所示。由图 可知，各实验样本气体浓度整体呈指数上升趋势，具体表现如下。（）的产生规律。上述 种煤样分别在 、和 时开始产生 ，属于低温氧化阶段；在升温至 左右后，的含量成倍增加，化学吸附代替物理吸附成为 的主要产生方式，煤样处于迅速氧化阶段；升温至 左右以后，含量的变化幅度更大。从初期的低温氧化到后期的加速氧化，煤在整个氧化自燃过程均有 的产生，且 浓度随温度升高呈现一定的规律性。因此，年第 期王鲁宁，等：大采高工作面回风隅角 来源分析及定量表征第 卷图 不同气体浓度随温度变化 的浓度变化能够反映煤的整个自燃氧化过程，可以作为自然发火预测预报的标志气体。（）烯烃类气体的产生规律。煤氧化自燃生成的气体中，烯烃组分包括 和，其中，的出现说明煤样开始进入氧化释放气体阶段，是煤自燃氧化进入快速反应的标志。察哈素煤矿各煤样产生 的临界温度分别为 、，产生 的临界温度分别为 、。通过对烯烃类气体组份浓度随温度变化分析可知，时烯烃浓度随煤温升高变化缓慢，而超过 以后，浓度迅速增加，说明 是察哈素煤矿煤样氧化结构产生剧烈变化的分界点。（）烷烃类气体的产生规律。煤氧化自燃生成气体中的烷烃组分有 、和，其中，在升温实验初期便开始生成，临界温度在 左右，生成的临界温度在 左右，生成的临界温度在 左右，和 含量极低，只有 在 以后才有较大变化，含量也只维持在 左右，无法从烷烃类气体中看出较明显的规律变化。（）炔烃气体产生规律。煤氧化自燃生成的气体中的炔烃组分为，出现的临界温度较高，一旦在井下气体中检测到，就说明煤已经处于剧烈燃烧阶段。综上所述，察哈素煤矿各工作面应选择 作为煤自燃的指标气体，并采用 和 辅助检测煤自燃进程和情况。来源分析及定量计算模型为掌握察哈素煤矿各工作面回风隅角 来源，有针对性地治理回风隅角 浓度超限问题，对察哈素煤矿大采高工作面回风隅角 来源和影响因素进行分析，利用理论公式定量表征各种来源的 产生量，并建立回风隅角 浓度计算模型。根据相关学者的分析 ，回风隅角 的理论来源主要包括采空区遗煤氧化、推采过程中进入采空区的煤体氧化、采煤过程、胶轮车尾气以及开采煤层原生赋存。依据察哈素煤矿工作面生产技术条件和具体工况，分别进行计算。（）采空区遗煤氧化产生 量。煤氧化自燃是煤自加速放热和热量累积过程，过程中既有物理变化也有化学变化。煤体氧化自燃生成 的过程一般包括煤氧吸附、煤氧化学反应和 脱附 个步骤，采空区内部环境密闭，脱附产生的 在采空区漏风流场的作用下从工作面溢出，并受涡流作用积聚在回风隅角。根据翟小伟等 的研究，采空区遗煤氧化产生的 量可以表示为：（）（）（）年第 期能源与环保第 卷式中，为采空区氧化带遗煤氧化修正系数，小于，一般情况下，综采工作面取 ，综放工作面取 ；为工作面长度；为开采煤层厚度；为采空区氧化带的宽度；为工作面煤炭采出率；（）为煤体在温度为 时 气体的产生速率（根据煤自燃性试验确定）。（）推采过程中进入采空区的煤体氧化产生 量。通过理论和现场分析发现，采空区内 的产生量不仅与遗煤的多少有关，处于采空区不同深度的遗煤氧化程度也不一样，最终导致 产生的量也不同。所以，根据遗煤氧化时间不同，推进过程中进入采空区的煤体氧化产生的 也是回风隅角 的重要组成部分。根据吴玉国 的研究，推采过程中进入采空区的煤体氧化产生的 量为：（）（）（）式中，为采空区散热带遗煤氧化修正系数，在正常漏风条件下一般取 ，若漏风率小于 则取小于 ；为采空区散热带的宽度。（）采煤过程中产生 量。根据杨广文等 的研究表明，煤是一种大分子，当机械割煤导致煤体破碎时，煤表面的分子断裂产生自由基，这些新产生的自由基部分继续存在于煤表面，部分则留存在新生的裂隙中，它们与氧接触发生氧化反应，形成了 。取新剥离煤样 ，在 的干空气流中对煤样进行程序升温，然后每隔一定的时间采集气体，并在 处恒温 ，最后用气相色谱仪对气体进行定量分析。则采煤过程中 产生量为：（）（）式中，为采煤过程中 产生量；为工作面推进速度；为工作面长度；为开采煤层厚度；为单位体积煤的质量；为煤被采煤机采落后温度为 时测得的 的浓度；为室温下测得的 的浓度；为工作面的漏风量。（）煤层原生赋存 量。等 对 、三种煤样进行破碎和溶解实验，在 种实验中均可检测到 。其中，煤样在破碎实验中产生的 浓度为 ，溶解实验中产生的 浓度为 。因并未对这 种煤样进行其他处理，可以确定所检测到的 全部来源于煤体中的原生 。根据翟小伟等 ，的研究，开采煤层赋存 产生量可以表示为：原（）式中，为煤层中赋存的 的量；为工作面推进速度；为工作面长度；为开采煤层厚度；为单位体积煤的质量；原为实测单位体积煤层中赋存的 的量；为 密度，此处取 ；为 的摩尔质量，此处取 。（）胶轮车尾气产生 量。胶轮车可以在井下灵活行驶，实现高效运输，在大采高工作面中被广泛使用。但是胶轮车的发动机大多为柴油机，其尾气中含有大量的 、氮氧化物和黑烟等物质，当尾气随风流进入工作面后，同样会在回风隅角积聚，使 浓度上升。胶轮车尾气 产生量可用式（）计算：（）（）式中，为车流量；为车辆运行时间；为空燃比，取 ；为燃油耗量，汽油取 ，柴油取 ；为污染物排放浓度容积比（正常行驶时为）；为容积与质量换算系数，。综合以上 来源，可建立如下工作面回风隅角 浓度计算数学模型：（）将式（）（）代入式（）可得：（）（）（）（）原 （）（）式中，为采空区漏风量；为采空区遗煤氧化 产生量；为推采过程中进入采空区的煤体氧化 产生量；为割煤过程中 产生量；为煤层中赋存的 量；为胶轮车尾气 产生量。现场验证为进一步验证模型的准确性，选取察哈素煤矿 工作面、工作面、工作面、工作面和 工作面，根据各个工作面的回风隅角 浓度数据、采空区煤自燃氧化带宽度、煤自然发火数据等计算回风隅角 浓度，并与实测值对比，验证模型精度。模型各参数值见表 。将各参数代入式（）计算，最终得到测算值与观测值如图 所示，二者之间的误差为 ，说明上述 浓度计算模型适用于察哈素煤矿大采高工作面。年第 期王鲁宁，等：大采高工作面回风隅角 来源分析及定量表征第 卷表 工作面回风隅角 来源计算模型参数 工作面 工作面 工作面 工作面 工作面 工作面工作面长度 工作面配风量（）开采厚度 推进速度（）采出率 采空区氧化带宽度 采空区散热带宽度 氧化带遗煤氧化修正系数 散热带遗煤氧化修正系数 漏风量（）工作面进出车辆（辆 ）单位体积煤的质量 图 观测值与实测值对比 察哈素煤矿各工作面回风隅角 来源占比如图 所示。图 各工作面回风隅角 来源占比 在各工作面回风隅角 来源中，采空区遗煤氧化 占 比 最 多，分 别 占 到 、以及 ，近乎占到了整体 来源的半数以上，其中 工作面占到总体的 ；其次是推采过程中进入采空区的煤体氧化产生的 ，占整体 来源的 。无论是采空区遗煤氧化，还是推采过程中进入采空区的煤体氧化，其机理均属于煤氧复合作用，只是煤的氧化时间不同。由此可以看出，煤氧复合作用产生的 为回风隅角 来源的主要构成。各工作面胶轮车尾气产生的 产生量基本位于第 位，说明大采高工作面井下胶轮车尾气产生的 是一个比较重要的因素，类似矿井应该合理优化胶轮车数量和行驶时间，以减少胶轮车尾气产生的 。工作 年第 期能源与环保第 卷面胶轮车尾气产生的 相较于其他工作面占比较小，通过查询胶轮车调度台账发现，数据采集期间胶轮车进出数量较少，导致胶轮车尾气占比下降。割煤过程中产生的 和煤层原生赋存的 相较于前 项占比较小，可以忽略不计。结论本文以 的产生机理为理论依据，分析了大采高工作面回风隅角 来源及影响因素，量化了各因素对回风隅角 浓度的影响，建立了回风隅角 浓度计算模型，并利用实测数据验证了模型精度。（）对察哈素煤矿现开采煤层的 种煤样进行煤升温氧化实验，分析了程序升温不同阶段 、烯烃、烷烃以及炔烃的产生规律，确定将 作为察哈素矿煤自燃的指标气体，将 和 作为辅助检测指标。（）分别量化了采空区遗煤氧化、推采过程中进入采空区的煤体氧化、采煤过程、胶轮车尾气以及开采煤层赋存对回风隅角 的影响，建立了适合大采高工作面的回风隅角 产生浓度值计算模型，计算值与实测值之间的误差为 ，说明本文建立的 浓度计算模型适用于察哈素煤矿大采高工作面。（）大采高工作面回风隅角 超限的主要原因不仅包括采空区遗煤氧化和推采过程中进入采空区的煤体氧化，还应考虑胶轮车尾气。因此，在采取常规煤炭自燃防治措施的同时，还应合理优化胶轮车的行驶数量及行驶时间，并逐步将燃油车替换为电车。参考文献（）：邓军，杨囡囡，王彩萍，等 采空区煤自燃“防抑灭”协同防灭火关键技术 煤矿安全，（）：，（）：施式亮，曾明圣，李贺，等 煤自燃与瓦斯共生灾害演化与预警 煤矿安全，（）：，（）：刘爱华，蔡康旭 青山矿煤自燃预报标志气体研究 煤炭科学技术，（）：，（）：，黄光利，高广新，李树国 老年褐煤综放工作面 来源分析及治理技术研究 能源与环保，（）：，（）：李建伟，赵亚杰，赵杰 浅埋综放工作面 来源分析与防治技术 煤矿安全，（）：，（）：邵嗣华，苏学友，赵亮宏，等 大水头煤矿西 综放工作面采空区 来源分析与治理 现代矿业，（）：，（）：翟小伟，马灵军，邓军 工作面上隅角 浓度预测模型的研究与应用 煤炭科学技术，（）：，（）：李创进，贾建文，曹永安，等 德顺煤业 工作面防 超限及安全启封技术研究 煤矿现代化，（）：，（）：黄彦云，代涛，史波波 高冒区 超限治理的综合防灭火技术研究 神华科技，（）：，（）：张升文 某矿煤自燃程序升温实验研究 山西化工，（）：，（）：秦波涛，仲晓星，王德明，等 煤自燃过程特性及防治技术研究进展 煤炭科学技术，（）：，（）：袁勇猛，郝明跃，龙力华 原煤与氧化煤氧化自燃特性研究 煤炭科技，（）：，（）：，（下转第 页）年第 期原源，等：开采因素对煤层底板突水影响的数值模拟研究第 卷降低煤层底板突水的可能性。范各庄矿厚煤层采用分层开采法，模拟结果和实际采煤方法相符合。参考文献（）：秋兴国，李娜 基于 的煤矿底板突水量预测模型 煤炭技术，（）：，（）：黄振 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