第26卷第4期湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)Vol. 26 No.42004年12月Jourmal of Xiangtan Normal University( Natural Science Edition )Dec. 2004煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)及其應(yīng)用謝振華1金龍哲' ,劉向來2(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院北京100803 ;2.大屯能源股份公司江蘇徐州221611 )摘要在論述各種煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的基礎(chǔ)上根據(jù)大屯煤礦的實(shí)際情況利用三維動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)煤炭的自然發(fā)火期和高溫區(qū)域用co和C2H4作為煤炭自燃預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體。關(guān)鍵詞煤炭自燃;預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體煤溫中圖分類號(hào):TD752. 1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671 - 023( 2004 )4 - 0059 - 04煤炭自燃是煤炭生產(chǎn)過程中的重大災(zāi)害之一如何防 止和減少煤炭自燃是急需解決的課題。及時(shí)、 準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃可以為火災(zāi)的防治提供科學(xué)的依據(jù)達(dá)到防止火災(zāi)或減少火災(zāi)損失的目的。煤炭自燃預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)技術(shù)有所不同預(yù)測(cè)技術(shù)是指在煤層開采前或煤剛暴露于空氣中處在低溫氧化階段(即自燃潛伏期)還未出現(xiàn)自燃征兆之前根據(jù)煤的氧化放熱特性和實(shí)際開采條件超前判斷松散煤體自燃的危險(xiǎn)程度、自然發(fā)火期及最易自燃區(qū)域的技術(shù)。預(yù)報(bào)技術(shù)是指煤層開采后松散煤體氧化放熱進(jìn)入自熱階段在煤體自燃冒青煙或出現(xiàn)明火之前根據(jù)煤氧化放熱時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)志氣體、煤體溫度等參數(shù)的變化情況來較早發(fā)現(xiàn)自燃征兆判斷自燃狀態(tài)的技術(shù)。1煤炭 自燃預(yù)測(cè)技術(shù)預(yù)測(cè)技術(shù)主要有自燃傾向性測(cè)試預(yù)測(cè)法、綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法、統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)法和數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)法等四種。1.1 自燃傾向性預(yù)測(cè)法自燃傾向性預(yù)測(cè)法主要是根據(jù)煤自燃傾向性不同劃分煤層自然發(fā)火等級(jí)，以此區(qū)分煤層的自燃危險(xiǎn)程度,從而采取相應(yīng)的防滅火措施1。20世紀(jì)80年代以前國內(nèi)外對(duì)煤自燃傾向性的測(cè)試方法主要以煤的氧化性為基礎(chǔ),可以分為兩類:一類是化學(xué)試劑法這類方法主要以雙氧水、亞硝酸鈉、聯(lián)苯胺等化學(xué)試劑取代氧把煤樣緩慢的氧化過程通過加熱的方法人為加速考察煤在試劑作用下的氧化速度和著火點(diǎn)來劃分煤的自燃傾向性。另-類是吸氧法分為靜態(tài)吸氧法和動(dòng)態(tài)吸氧法,它用空氣或氧氣在某-恒定溫度下考察煤的吸氧量。90 年代以后我國推廣使用色譜動(dòng)態(tài)吸氧法,它以某一溫度 下每克干煤的吸氧量來劃分煤的自燃傾向性。上述煤的自燃傾向性測(cè)試方法與煤實(shí)際開采條件下自燃的實(shí)質(zhì)相差甚遠(yuǎn)而且僅能粗略判斷出煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)程度不能確定實(shí)際條件下松散煤體的自燃危險(xiǎn)程度、可能自燃區(qū)域和發(fā)火期。因此,20世紀(jì)80年代以后煤層自燃的預(yù)測(cè)主要朝著準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際條件下松散煤體自然發(fā)火期和自燃危險(xiǎn)程度的方向努力[2]并先后建立了靜態(tài)模擬煤層實(shí)際開采條件下自燃過程的大型自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)。但該實(shí)驗(yàn)?zāi)M預(yù)測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)是模擬條件單一周期長影響干擾因素較多。1.2綜合評(píng) 判預(yù)測(cè)法由于煤礦開采的實(shí)際情況極為復(fù)雜難于把影響煤層自燃危險(xiǎn)程度的各種因素盡可能多地加以兼顧，且各種因素存在許多不確定性，難以用經(jīng)典數(shù)學(xué)的方法定中國煤化工采條件下煤層的自燃危險(xiǎn)性可以根據(jù)影響煤層自燃危險(xiǎn)程度的內(nèi)、外因素一MYHCN MH氏存條件、通風(fēng)條件、開收稿日期2004-01-28作者簡介謝振華( 1968- )男湖北武漢人副教授研究方向安全系統(tǒng)工程與科研。59采技術(shù)因數(shù)和預(yù)防措施等進(jìn)行主觀判斷分析評(píng)分然后應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論逐步聚類分析根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模式計(jì)算聚類中心對(duì)開采煤層自燃危險(xiǎn)程度進(jìn)行綜合評(píng)判預(yù)測(cè)3。也可以使用改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)模型采用自適應(yīng)變步長法和改進(jìn)模擬退火法等措施加快BP網(wǎng)絡(luò)的收斂速度來準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)開采煤層的自燃危險(xiǎn)性。綜合評(píng)判預(yù)測(cè)法的特點(diǎn)是利用大量的統(tǒng)計(jì)資料分析煤炭自燃主要因素的影響程度粗略預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)程度而對(duì)發(fā)火期以及可能發(fā)火的區(qū)域則無法進(jìn)行預(yù)測(cè)所以該方法只能定性不能定量。1.3統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn) 預(yù)測(cè)法這種方法是建立在已發(fā)生自然發(fā)火事故統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上分析預(yù)測(cè)巷道松散煤體實(shí)際開采條件下的自燃危險(xiǎn)程度4]。根據(jù)巷道自燃事故的統(tǒng)計(jì)資料分析巷道自燃多發(fā)生在冒頂區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、沿空側(cè)、停采線附近。隨著綜放無煤柱技術(shù)的推廣,由于沿空巷道沿底板--次掘進(jìn)，巷道服務(wù)時(shí)間長相鄰采空區(qū)留有大量浮煤且已氧化升溫,因此巷道沿空側(cè)自然發(fā)火幾率較大。這種方法只能根據(jù)巷道實(shí)際情況和自然發(fā)火統(tǒng)計(jì)資料粗略判斷巷道可能的發(fā)火區(qū)域和高溫點(diǎn)位置。1.4 數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)法20世紀(jì)80年代以后,世界各國針對(duì)采空區(qū)或地面煤堆的自燃條件,根據(jù)傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)和流體力學(xué)等理論分析煤體溫度和各種影響因素之間的關(guān)系建立了多種煤自然發(fā)火動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型模擬煤的自燃過程預(yù)測(cè)采空區(qū)或煤堆的自然發(fā)火危險(xiǎn)性5。這種預(yù)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)利用自燃數(shù)學(xué)模型及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)使用有限元法、有限差分法等計(jì)算機(jī)程序快速、準(zhǔn)確地動(dòng)態(tài)模擬煤炭自燃的過程。2煤炭自燃預(yù)報(bào)技術(shù)目前煤炭自燃早期預(yù)報(bào)方法主要有標(biāo)志氣體分析法和測(cè)溫法兩種6]預(yù)報(bào)的手段主要有人工取樣監(jiān)測(cè)分析預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。2.1標(biāo)志 氣體分析法標(biāo)志氣體分析法預(yù)報(bào)技術(shù)主要利用-氧化碳、乙烯、乙炔、烯烷比等作為指標(biāo)氣體預(yù)報(bào)煤自燃的發(fā)展過程。由于煤炭在氧化自熱階段會(huì)分解出反映自燃征兆的氣體產(chǎn)物如CO、CO、CmHn等。當(dāng)煤質(zhì)一定時(shí)這些氣體產(chǎn)物和溫度之間存在一定的規(guī)律 ,由檢測(cè)到的氣體濃度可以判斷煤炭自燃的危險(xiǎn)性對(duì)井下煤炭自燃三帶”進(jìn)行劃分。標(biāo)志氣體分析法預(yù)報(bào)技術(shù)比較完善相應(yīng)的分析技術(shù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都已配套因此在煤礦中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于指標(biāo)氣體是煤自燃發(fā)展過程中煤溫升高產(chǎn)生的氧化氣體,只能在煤已經(jīng)自熱或自燃時(shí)才能檢測(cè)到,而且氣體產(chǎn)量較少并隨著風(fēng)流流動(dòng)因此，該預(yù)報(bào)技術(shù)無法確定高溫區(qū)域、自燃發(fā)展速度和趨勢(shì)以及煤體可能達(dá)到的溫度。為了克服利用指標(biāo)氣體預(yù)報(bào)煤炭自燃中存在的問題,可以向采空區(qū)的遺煤區(qū)添加自燃示蹤物質(zhì)如雙環(huán)戊二烯、六氟化硫等這些物質(zhì)在煤升溫過程中能產(chǎn)生指示氣體,因此通過檢測(cè)指示氣體即可評(píng)價(jià)采空區(qū)內(nèi)的煤體溫度7。也可以建立了研究采空區(qū)氣體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型和采空區(qū)CO濃度分布數(shù)學(xué)模型并聯(lián)合求解,以判斷CO涌出源位置即高溫點(diǎn)位置從而預(yù)報(bào)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域。但這些技術(shù)目前仍處于研究階段在實(shí)際應(yīng)用中還有很大困難。2.2測(cè)溫法測(cè)溫法就是測(cè)定井下煤與周圍介質(zhì)的溫度變化情況因?yàn)橄锏浪缮⒚后w及周圍介質(zhì)溫度的升高直接反映著煤的氧化程度。測(cè)溫法是發(fā)現(xiàn)煤炭自熱和探尋高溫點(diǎn)及火源的最直接、可靠的方法但巷道松散煤體內(nèi)部溫度的測(cè)溫技術(shù)尚未完全解決。目前探測(cè)煤自然發(fā)火的測(cè)溫儀主要有紅外線測(cè)溫儀和溫度傳感器兩種81。紅外線測(cè)溫儀對(duì)于測(cè)量煤堆、露頭、巷壁、煤柱的自燃十分有效但它只能探測(cè)出物中國煤化工狗溫度,而且要求中間無遮擋物,因此不適應(yīng)于巷道松散煤體內(nèi)部或相鄰采空區(qū)MHCNMH庋傳感器預(yù)測(cè)巷道松散煤體可能發(fā)火區(qū)域和高溫點(diǎn)的方法是在產(chǎn)生自然發(fā)火幾率較高的區(qū)域埋設(shè)測(cè)溫?zé)犭娕继筋^,遠(yuǎn)距離連續(xù)檢測(cè)煤體的溫度研究松散煤體的溫度分布及溫度變化的規(guī)律。這種方法具有預(yù)測(cè)可靠、直觀的優(yōu)點(diǎn),但其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)范圍較小安裝、維護(hù)工作量大。603煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用針對(duì)大屯能源股份有限公司的實(shí)際情況我們對(duì)其煤炭自燃進(jìn)行了預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)為火災(zāi)的防治提供了科學(xué)的依據(jù)。大屯能源股份有限公司有姚橋、徐莊、孔莊、龍東四個(gè)煤礦，主采煤層為7#和8#煤層。采用著火點(diǎn)溫度法測(cè)定煤層的自燃傾向性為易自燃煤層自然發(fā)火期一般為3~6個(gè)月,最短自然發(fā)火期為30d。大屯各礦工作面采用后退式綜采放頂煤采煤法生產(chǎn)能力大工作面推進(jìn)速度快但材料道和溜子道暴露時(shí)間長采空區(qū)遺煤較多煤巷和旁側(cè)采空區(qū)煤炭自燃事故較多。通過分析發(fā)現(xiàn),大屯礦井煤巷自燃與巷道冒頂、斷層、密閉墻及噴漿質(zhì)量等有密切關(guān)系。3.1煤炭自燃的預(yù)測(cè)綜合考慮上述各煤炭自燃預(yù)測(cè)方法的特點(diǎn)和大屯煤易自燃的特性我們選擇數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)法來預(yù)測(cè)煤巷和旁側(cè)采空區(qū)的煤炭自燃。根據(jù)理論分析在-定的簡化條件下，可建立松散煤體自燃的三維動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為2( K,Qx)+ 2(K,Q,)+ 2( KQ2)=0|aaT(T)+寫與其- - 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為松散煤體的風(fēng)流滲透系數(shù),cm?(Pa s);Q 為漏風(fēng)強(qiáng)度cm'( cem2 s)ipe ,C。分別為松散煤體的等效密度和比熱容ng/em3 ,J(g C);pg ,Cg分別為空氣的密度和比熱容ng/cm3 .J(g C);T為煤體溫度,C ;( T )為煤體在不同溫度時(shí)的放熱強(qiáng)度J( cen3 s);n。 為煤體的等效導(dǎo)熱系數(shù),J/(cn s C );C為測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度% ;t 為時(shí)間s ;D為氧氣在松散煤體中的擴(kuò)散系數(shù)cm2/s ;( T )為煤體在不同溫度時(shí)的耗氧速度mol( cem2 s)b松散煤體在不同溫度時(shí)的放熱強(qiáng)度( T )和耗氧速度V T )與溫度、供風(fēng)量、煤體粒度等的關(guān)系可由煤體自燃特性實(shí)驗(yàn)得到9。在確定了自燃預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型的初始條件和邊界條件后,可利用有限差分法計(jì)算某個(gè)易自燃區(qū)域中的煤體在不同時(shí)間時(shí)的溫度分布情況,從而確定煤體的自然發(fā)火期和高溫點(diǎn)的位置。在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用表明預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況基本一致 能滿足生產(chǎn)中煤炭自燃預(yù)測(cè)和防火的需要。3.2煤炭自燃的預(yù)報(bào)根據(jù)大屯的實(shí)際情況我們使用標(biāo)志氣體分析法來預(yù)報(bào)煤炭自燃，從而及時(shí)、有效地采取防滅火措施。根據(jù)大屯煤樣自燃過程的模擬實(shí)驗(yàn)10]大屯煤樣在氧化過程中都有規(guī)律地出現(xiàn)CO、C2H4、C2H三種氣體,CO、 C2H4的生成量隨煤溫的升高而增大。C2H4 在110~ 120心時(shí)出現(xiàn),說明此時(shí)煤與氧氣發(fā)生了較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)。CO在低溫時(shí)生成量較小,但在70 ~ 80C時(shí)迅速增長此時(shí)煤已開始迅速氧化。C2H在30公時(shí)就存在在190~ 200%時(shí)達(dá)到最大隨后開始下降。這表明C2H6不完全是煤裂解和氧化產(chǎn)生不能作為指標(biāo)氣體。因此,大屯煤可采用co作為煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的主要指標(biāo)氣體,C2H4 作為輔助指標(biāo)氣體。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,CO在30C時(shí)就出現(xiàn),而且隨煤溫的變化較大因此用CO來預(yù)報(bào)煤炭自燃時(shí)應(yīng)防止誤報(bào)和漏報(bào),以 免造成經(jīng)濟(jì)損失和自燃火災(zāi)。在檢測(cè)到CO出現(xiàn)后,應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)檢測(cè),同時(shí)測(cè)定煤體溫度計(jì)算CO溫升率( 10-6/C ) CO溫升率越大則說明溫度的變化對(duì)CO的產(chǎn)生率影響增大煤炭自燃發(fā)火的危險(xiǎn)性也越大。當(dāng)CO溫升率連續(xù)迅速增大時(shí),說明中國煤化工滅火措施防止自燃的.擴(kuò)大。YHCNMH G因?yàn)镃O出現(xiàn)較早,且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段方法完備,因此以CO作為指標(biāo)性氣體，并輔以測(cè)定C2H4的濃度、碎煤中的氧氣濃度和空氣溫度來掌握煤炭的自燃情況。大屯煤炭自燃的預(yù)報(bào)分為回采期的預(yù)報(bào)和回收期的預(yù)報(bào)?；夭善陂g主要對(duì)工作面回風(fēng)巷、上隅角及架后采空區(qū)的CO濃度、溫度進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)。工作61面進(jìn)入回收期后除了堅(jiān)持對(duì)回采時(shí)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定外，為了準(zhǔn)確判定頂煤是否氧化自燃,可以在工作面支架縫隙間向頂煤中插管監(jiān)測(cè)選擇-些有代表性的固定點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定測(cè)定孔內(nèi)CO濃度。4結(jié)語1在煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)中,自 燃傾向性測(cè)試預(yù)測(cè)法、數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)法和標(biāo)志氣體分析法是常用的方法具有很強(qiáng)的實(shí)用性。2針對(duì)大屯能源股份有限公司煤礦的實(shí)際情況利用松散煤體自燃的三維動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)煤體的自然發(fā)火期和高溫區(qū)域并選取CO和CH2作為煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體。參考文獻(xiàn):[1]羅海珠錢國胤.煤吸附流態(tài)氧的動(dòng)力學(xué)特性及其在煤自燃傾向性色譜鑒定法中的應(yīng)用J]煤礦安全199062)1- 11.[2]徐精彩.應(yīng)用自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)研究煤的自燃傾向性指標(biāo)J]西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1997 ,1K2):103- 107.[ 3]田水承.煤層開采自燃危險(xiǎn)性預(yù)先分析研究J]西安礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),19986 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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中國煤化工MHCNMH G62