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1、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11.1 课题研究背景及意义11.2 研究内容22 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定32.1 工业分析32.1.1 测试设备32.1.2 水分测定32.1.3 灰分测定32.1.4 挥发分测定42.1.5 固定碳计算42.1.6 测试结果42.2真相对密度测试52.2.1 依据标准52.2.2 仪器设备52.2.3 测定步骤52.2.4 结果计算62.2.5 测试结果73 90101工作面煤样自燃倾向性测试83.1 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定
2、法83.1.1 依据标准83.1.2 测试仪器及主要性能参数83.1.3测试过程及吸氧量计算93.1.4 煤自燃倾向性分类93.1.5 实验数据及结果103.2 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法103.2.1依据标准103.2.2 测试原理103.2.3 测试仪器103.2.4 测试过程113.2.5 煤自燃倾向性判定指数的计算113.2.6 煤自燃倾向性分类指标123.2.7 实验数据及结果123.3自燃倾向性测试结果144 90101工作面煤层自然发火指标气体154.1 实验设备154.2实验过程164.2.1 煤样选取164.2.2 实验过程164.3.测试数据164.3.1.实验原始数
3、据164.3.2 CO、CO2气体产生规律174.3.3烷烯烃气体产生规律184.4.煤层自然发火标志气体分析与优选194.4.1标志性气体优选原则194.4.2 煤层自然发火标志气体分析204.5结论225 90101工作面自燃危险区域测试分析235.1 采空区煤自燃“三带”的现场观测235.1.1 测试装备与技术方案235.1.2 观测数据与分析265.2 采空区自燃“三带”的CFD模拟305.2.1 采空区氧气运移分布的理论基础305.2.2 综放面氧气浓度场的CFD模型325.2.3 模拟结果与分析335.2.4工作面配风量对自燃带分布的影响346 全文总结37第一章 绪论1绪论1.1
4、 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
5、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
6、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
7、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；38第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定2 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定2.1
8、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 测试设备图2-1 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105110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：式中：Mad -空气干燥煤样的水分含量，%；-煤样干燥后失去的质量，g；-煤样的质量，g。2.1.3 灰分测定称取一定量的空气干燥煤
9、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81510，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：式中：Aad -空气干燥煤样的灰分产率，%； - 残留物的质量，g； - 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90010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（）作为挥发产率。计算公式如下：式中，-空气干燥煤样的挥发分产率，%；-煤样加热后减少的质量，g ；- 煤样的质量，g；- 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
10、公式计算：式中： -空气干燥煤样的固定碳含量，%； -空气干燥煤样的水分含量，%； -空气干燥煤样的灰分产率，%； -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。表2-1 工业分析测试结果煤样名 (%) (%)90101工作面3.2931.1420.7344.8426.234.4890101顺槽3.6131.6823.7041.0124.894.342.2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
11、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。图2-2 密度瓶示意图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1035，控温精度0.5。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：050
12、，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200.5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
13、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m1。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m2（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：式中：干燥煤的真相对密度； md干燥煤样质量，g； m2密度瓶加浸润剂和水的质量，g； m1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：式
14、中：m空气干燥煤样的质量，g； Mad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：Kt式中：Kt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； d20水在20时的真相对密度。表2-2 校正系数Kt温度/校正系数，Kt温度/校正系数，Kt温度/校正系数，Kt温度/校正系数，Kt61.00174141.00100220.99956300.9974371.00170151.00090230.99953310.9971381.00165161.00074240.99909320.9968291.00158171.00057250.99883
15、330.99649101.00150181.00039260.99857340.99616111.00140191.00020270.99831350.99582121.00129201.00000280.99803131.00117210.99979290.997732.2.5 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 煤样真相对密度煤样名真相对密度90101工作面1.5390101顺槽1.56第四章 90101工作面煤层自然发火指标气体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
16、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0.054.00ml/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：h10mV
17、/ml(氧气峰高，氮气载气)；供电电源：220V10%，（500.5）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：式中：吸氧量，cm3；仪器常数； 为实管载气流量，cm3min；为空罐载气流量，cm3min； 实管时氧气的分压与大气压之比；空管时氧气的分压与大气压之比；实管脱附峰面积，mVs；空管脱附峰面积，mVs；煤样重量，g；煤的真比重；样品管（标准态），cm3；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
18、 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Vdaf18%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，cm3g干煤I类容易自燃Vd0.70II类自 燃0.40Vd0.70III类不易自燃Vd0.40表3-2 煤样干燥无灰基挥发分Vdaf18%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，cm3g干煤全 硫I类容易自燃Vd1.002.00II类自 燃Vd1.00III类不易自燃2.003.1.5 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
19、压（101325 Pa）下的吸氧量和含硫量如表3-3所示：表3-3煤的物理吸氧量及含硫量煤样名吸氧量（cm3/g）含硫量（%）90101工作面0.432.0890101顺槽0.352.20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煤样名自燃等级90101工作面II类自燃90101顺槽II类自燃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
20、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。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
21、-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和按式(1)和(2)求得无量纲量和，并代入式(3)得到煤自燃倾向性判定指数： （1） （2） （3）式中： 煤样温度达到70 时煤样罐出气口氧气浓度指数，无量纲； 煤样温度达到70 时煤样罐出气口的氧气浓度，%；1
22、5.5 煤样罐出气口氧气浓度的计算因子，%； 煤在程序升温条件下交叉点温度指数，无量纲； 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，； 煤自燃倾向性判定指数，无量纲； 放大因子，=40；低温氧化阶段的权数，=0.6；加速氧化阶段的权数，=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，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容易自燃600自燃6001200不易自燃12003.2.7 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
23、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自燃倾向性90101工作面19.57155.9512类容易自燃90101面顺槽断层20.0315
24、9619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
25、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。质量流量控制器程序控温箱控制键盘及显示面板气体分析仪空气测温元件煤样罐图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4080目的颗粒50g作为实验煤样。4.2.2 实验过程将50g粒度为4080目
26、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/COCO2CH4C2H4C2H6C3H8C2H2301.5292.261.990.000.00
27、0.000.00401.87109.551.840.000.000.000.00501.95140.342.080.000.000.000.00602.00141.672.060.000.000.000.00708.65369.572.240.000.000.000.008020.08162.572.560.000.590.000.0090154.04543.993.280.000.690.000.00100349.94802.494.160.181.740.000.00111620.981127.847.170.443.050.000.001241056.821698.4112.671.00
28、5.532.550.001371970.092657.5124.962.1511.814.610.001493413.863916.5745.405.4621.5312.670.001594986.215767.6570.7810.5432.6425.790.001708225.758627.42102.8120.7845.9640.160.0018110203.029541.05132.9233.5751.3353.170.0019413244.5811553.75158.5648.6958.7759.480.00表4-2 90101顺槽处煤样指标气体实验数据(单位：10-6)温度/COCO
29、2CH4C2H4C2H6C3H8C2H2303.27595.462.190.000.000.000.00403.47638.962.140.000.000.000.005012.77585.992.400.000.000.000.006025.45714.512.310.000.000.000.007043.28854.252.320.000.000.000.008085.821159.332.600.000.000.000.0090275.411463.743.370.001.050.000.00100377.571910.984.290.001.730.000.00110806.10263
30、7.866.220.372.700.000.001231914.974632.3512.041.176.260.000.001362851.166136.0023.422.4613.294.660.001493967.657896.1240.815.0323.397.890.001607918.0914102.5073.2013.3342.8325.060.0017312163.7321793.57118.7731.0663.5649.040.0018926614.6938692.71170.3261.1876.0176.200.004.3.2 CO、CO2气体产生规律CO和CO2是煤氧化过程
31、中出现最早的两个气体产物，并且贯穿于整个氧化过程中。对上煤层煤实验过程中30200之间CO、CO2的产生量进行作图，得到其浓度随温度变化如图4-4和图4-5所示。图4-4 90101工作面煤样CO、CO2随温度变化趋势图4-5 90101顺槽煤样CO、CO2随温度变化趋势由图可见两煤样30到200氧化范围内CO、CO2气体浓度与煤温之间表现为递增的变化关系，其含量随煤温的升高基本呈指数上升趋势；CO2在30时即开始出现，初始含量较多；但CO初期生成量较少，煤温达到8090之间其生成量迅速增加。4.3.3烷烯烃气体产生规律煤氧化过程中烷烯烃气体组份有CH4、C2H6、C3H8和C2H4 ，总体变
32、化趋势如图4-6和图4-7所示。煤氧化过程中烷烯烃气体组份有CH4、C2H6、C2H4和C3H8，总体变化趋势如图12和图13所示。图12 90101工作面煤样CH4、C2H6、C2H4、C3H8随温度变化趋势图13 90101顺槽煤样CH4、C2H6、C2H4、C3H8随温度变化趋势从图中我们可以发现测试煤样在30200温度范围内随着煤温的升高有规律的出现CH4、C2H6、C3H8和C2H4气体，生成量随煤温的升高变化不同，且各种气体的初始出现温度即临界温度亦不同。CH4在30时即开始出现，产生量随温度的升高而逐渐增加；C2H6在8090左右出现；C2H4在100110左右开始出现；工作面断
33、层处煤样 C3H8在124136左右开始出现。C2H6、C3H8和C2H4初始浓度不大但随温度的升高浓度逐渐增加；C2H2在30200没有出现。4.4.煤层自然发火标志气体分析与优选4.4.1标志性气体优选原则煤自然发火的标志气体就是指煤氧化升温过程中释放出来的与矿井大气成分有区别并足以能够用来判断自然发火征兆的气体或其比值等参数。在自然发火预测预报中，根据各标志气体的变化规律及其之间的比值等来推断煤自然发火所处的状态和发展趋势。因此，煤层自燃指标气体的优选必须具备以下条件：1）灵敏性：煤矿井下一旦有煤炭处于自燃或自燃状态，且煤温超过一定值时，则该气体一定出现，其生成量随煤温升高稳定增加；2）
34、规律性：指标气体的浓度变化与煤温之间有较好的对应关系，且重复性好；3）可测性：普通色谱分析仪能检测到指标气体的存在。4.4.2 煤层自然发火标志气体分析煤自燃气体产物是指煤层在井下环境条件下由于其自燃而释放出来的气体 其中包括两部分：一部分由于煤自身氧化产生的气体产物，叫煤自燃氧化气体；另一部分是成煤过程中吸附的气体，由于煤体温度升高而解吸出来的，叫煤自燃吸附气体。根据以上测试结果可知，在30200之间测试煤样氧化过程中所分解出来的气体产物有CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8和C2H4。现有研究表明，烯烃、炔烃以及CO是煤自然发火过程中碳氧化反应的产物，这几种气体组份在煤吸附气体中不存在
35、的（亦有吸附气体中有CO的报导，但极为少见）。因此，这几种气体组份是标志煤自燃氧化进程的特征气体组份。在一般情况下，煤自燃吸附气体主要成份是CH4和CO2，余下的是存量很少的烷烃气体组份即C2H6、C3H8，这些烷烃气体组份依据其碳原子数的序列性（也即其沸点由低到高的序列）随着煤温度的升高而逐一解吸出来；在煤的吸附气体中CH4和CO2不作煤自燃氧化进程的特征气体组份，而C2H6、C3H8则需要根据析出的初始温度和之后的变化规律来确定是否能够作为煤自燃的标志性气体。测试煤样CO在30即开始出现其产生量随着煤温的升高而上升，200之前这种变化基本符合指数递增关系。CO的出现表明煤样已经开始氧化，C
36、O浓度越来越高则表明煤样氧化越来越剧烈，煤层自燃发火危险性越高。因此，CO可以作为预测预报煤自然发火的标志气体之一。同时也提醒我们在实际生产过程中应用CO标志气体应该分两部分考察（1）现场气体检测中是否存在CO？如果存在CO则表明煤样开始氧化（2）出现CO后其浓度变化趋势如何？如果CO浓度持续增长则表明煤氧化程度加剧，如果CO浓度变化比较平稳这说明低温氧化得到一定程度的控制，如果CO浓度持续下降则表明自燃灾害得到有效控制。但我们也可以发现在煤自然发火过程中，CO检测温度范围极宽，从30一直到进入激烈氧化阶段都就能检测到CO，这就使得这一指标的预报范围过大，不利于精确判定其温度参数。通过以上分析
37、可知，CO作为预测预报煤自然发火的标志气体是可行的，但对煤自燃具体氧化温度段的预测还要结合其他气体联合分析在煤的吸附气体中，C2H4不属于吸附气体组份是在煤氧化过程中的产物。测试煤样中C2H4的产生与煤温之间的变化关系比较明确，随着煤温的上升而增加，呈单一递增的关系，其产生的临界温度集中在100110之间。C2H4的出现表明煤的氧化已进入加速氧化阶段，它的出现是煤自热氧化进入加速阶段的标志。C2H4与CO气体相比，有一个明显的时间差和温度差，这比单用CO又准确了一步。如果现场检测到C2H4，则表明此时的煤温已经超过其临界温度值。因此，C2H4是测试煤样进入加速氧化阶段的一个标志性气体指标。在矿
38、井自然发火预测预报工作中，应密切注意和观察C2H4的出现及其浓度的变化，对矿井防灭火工作具有十分重大的意义。从煤样分析结果来看，在整个氧化升温过程中都未监测出C2H2气体。但C2H2是煤自然发火的重要标志气体，是煤进入激烈氧化燃烧阶段的标志。30200之间没有测试到C2H2，说明一旦C2H2出现煤温已经超过200。煤矿在现场应用过程中，应密切注意C2H2气体，一旦出现在采取措施时一定要谨慎，以免高温煤体引发瓦斯、煤尘爆炸事故。C2H6在8090左右出现，C3H8产生的临界温度为124136之间，两种气体的浓度随温度的升高而增加。在30200之间没有表现出吸附气体产物的生成规律，即开始有较高解吸
39、浓度随着煤温的升高而逐渐降低，到最低点后又随温度的升高而增大，但增大的速率较小。但并不能排除C2H6和C3H8为测试煤层的吸附气体，因为在测试之前先对测试煤样进行了破碎和通气，这可能使得煤样本身少量吸附的C2H6和C3H8气体被提前解析出来，从而使得在实验的初始阶段没有检测到C2H6和C3H8。因此，若使用C2H6和C3H8所为指标气体之前还需要结合煤层开采初期采空区的气体测试情况，如果煤层初始阶段在采空区CO浓度不高的情况下就检测到C2H6、C3H8气体，则被检测到的气体不宜作为本煤层的标志性气体；若C2H6、C3H8没有检测到则可以将其作为煤层自燃的预测预报气体。由于现场色谱不能监测C2H
40、6和C3H8，所以要判断能否作为90101工作面煤层自燃标志性气体还需要对C2H6和C3H8进行进一步化验分析。4.5结论通过对测试煤样测试研究，得出以下结论： 1）CO是90101工作面煤层自然发火的指标气体之一。CO的出现表明煤样已经开始氧化，CO浓度越来越高则表明煤样氧化越来越剧烈，煤自燃发火危险性越高。但由于在整个自然发火过程中都有CO产生，因此在实际生产过程中应用CO标志气体应该分两部分考察：（1）现场气体检测中是否存在CO？如果存在CO则表明煤样开始氧化（2）出现CO后其浓度变化趋势如何？如果CO浓度持续增长则表明煤氧化程度加剧，如果CO浓度变化比较平稳这说明低温氧化得到一定程度的
41、控制，如果CO浓度持续下降则表明自燃灾害得到有效控制。2）C2H4 是煤样局部进入加速氧化阶段的标志性气体。C2H4的出现表明煤样局部温度已经到达100110左右。在CO浓度值增高时应特别注意加强观测，在有CO存在的前提下，只要出现C2H4必须采取切实有效的防灭火措施，如果延误时机可能发展为重大火灾事故。3）C2H2的出现标志着煤样局部温度超过200。一旦在矿井下检测到C2H2时，应视为煤层局部已经可能出现明火或阴燃，采取措施是需要谨慎。 4）C2H6和C3H8能否作为90101工作面煤层自燃的标志性气体还需要对C2H6、C3H8进行进一步化验分析。第五章 90101工作面自燃危险区域测试分析
42、5 90101工作面自燃危险区域测试分析5.1 采空区煤自燃“三带”的现场观测5.1.1 测试装备与技术方案1) 测试参数与仪器仪表对于一个特定煤层的自然发火，其煤的氧化放热性能是一定的，即是一个定数，只要浮煤厚度和粒度适中，采空区供氧充分，在发火期内推进距离小于自燃带宽度，就有可能发生采空区后方浮煤自燃。因此，要对综放面采空区浮煤自燃做出预测，必须掌握采空区自燃带范围，O2，CO，CO2和CH4浓度，以及工作面日常实际推进度、工作面风量等参数。综合各个参数，研究分析采空区自燃变化与分布规律，确定东坡矿工作面后方自燃“三带”的分布范围。观测工作主要是通过采空区预埋管路，进行气体抽样和分析等，掌握采空区气体浓度随工作面推进的变化情况，以氧气含量518%作为“氧化蓄热带”的划分依据。 抽气系统：因束管长度较长，有很大的阻力，本次测试采用2X-4型旋片式真空泵（抽气泵），它可解决用手动抽气筒抽取气样效率低、速度慢的缺点。泵实物见图5-1，泵的各项参数见表5-1。图5-1 采空区取气用的真空泵表5-1 抽气泵及电机（防暴）主要技术参数表型号抽气速率极限压力配用电机电压外形尺寸重量2X-44L/S610-2 帕0.55kW380v/660v280260390mm35kg色谱分析系统：抽气泵
