孤岛工作面采空区遗煤自燃特性及“三带”测试技术研究

刘晓恒

(汾西矿业集团通风处，山西 介休 032000)

孤岛工作面采空区遗煤自燃特性及“三带”测试技术研究

刘晓恒

(汾西矿业集团通风处，山西 介休 032000)

结合煤矿井下孤岛综采工作面采空区遗煤的特点，通过系统的理论研究、室内试验、现场实测，确定了孤岛综采工作面的采空区遗煤自燃“三带”，为安全生产提供了依据。

孤岛工作面；低温氧化特性；遗煤自燃“三带”

引 言

孤岛综采工作面采空区遗煤主要由4部分组成：一是由于综采面两顺槽端头支架处顶煤放出率低，造成顶煤垮落后产生的丢煤带；二是相邻采空区端头的丢煤带；三是周围的煤柱和顺槽顶板的煤；四是相邻采空区的浮煤。前3部分组成了孤岛综采工作面采空区最大的遗煤带。这个遗煤带长时间在暴露的空气中经过了氧化蓄热升温，在它进入采空区后，造成了该地点采空区遗煤温度相对其他地点有可能较高，缩短了采空区自燃发火期。再加上在孤岛面掘进和开采过程中，两顺槽煤柱易压碎，存在向相邻采空区漏风的可能，相邻采空区浮煤在回采后一段时间内暴露在空气下已被氧化，如果采空区内漏入氧气，就可能引起浮煤二次氧化，则自燃危险性更大[1-2]。

本文选取宜兴煤矿1202工作面2#煤，利用热重分析进行煤的氧化特性研究，测定煤在氧化过程中的失重率、热流量与发热量等参数；测定不同粒径新鲜煤样在不同温度条件下煤的吸氧量和失重量。从而进一步确定1202综采工作面采空区遗煤自燃“三带”范围。

1 工作面概况

汾西矿业集团宜兴煤矿井田位于山西省中部，吕梁山东麓。1202工作面所采煤层为二叠系山西组2#煤层，该煤层经鉴定属自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。1202工作面东为南道村保安煤柱，西为560集中轨道巷，北为1201工作面，南为1203工作面(1201工作面与1203工作面均已回采完毕并封闭)。工作面走向可采长度为2 863 m，倾斜长度为212.1 m；煤层倾角0°～7°，平均3.5°；煤层总厚度1.40 m～2.24 m，平均厚度1.77 m，煤层厚度变化不大，属基本稳定煤层。

2 2#煤层低温氧化特性研究

2.1 实验部分

1) 实验设备

热重-差热分析仪：

产地：瑞士METTLER-TOLEDO公司；型号：TGA/SDTA851e；热流精度：0.1 μW；控温精度：0.1 ℃。

分样筛采器：

产地：上海黄浦区隆顺兴厂；孔径：40目(0.50 mm)，60目(0.25 mm)，80目(0.20 mm)。

测量过程由计算机自动控制，测定结果自动生成数据库。

2) 实验煤样

煤样取自宜兴煤矿2#煤。做实验时剥去外层煤，取其中心作为实验煤样，并筛选粒径分别为<40、40～60、60～80、>80目的4种煤粉。

3) 实验条件

本实验在空气气氛中进行。升温速率：10 ℃/min；样品质量：15 mg～20 mg；空气流量：50 mL/min～60 mL/min。

2.2 实验结果

根据实验所得数据，不同粒径2#煤的失重率随温度变化曲线如图1所示。

图1 不同粒径2#煤的失重率变化曲线图

从图1可以看出，不同粒径的2#煤煤体随着温度的上升，在100 ℃之内都发生了部分失重。主要是由于，煤体当中吸附一定的水分和挥发性气体，随着温度的增加，煤体的质量反而呈现上升趋势，主要是由于煤开始吸附氧气，并与之发生氧化反应，所以质量增加；随着温度的升高，煤的质量迅速降低，煤开始发生高温热解；到达650 ℃以后煤热解基本完成，剩余成分主要是不燃性灰分。随着温度的继续升高，质量基本上不发生变化。对比不同粒径煤低温氧化结果表明，随着煤粒径的减小，煤体的吸氧量均呈现不断升高的趋势，并且随着煤粒径的减小，煤体吸氧增重点温度也发生了明显变化。可以判断，在一定范围内，随着煤粒径的减小，煤发生自燃的倾向性明显增加。

将选好的不同粒度的煤样再次进行实验，实验条件相同，研究不同粒度2#煤的热流量和放热量随温度变化情况，如图2、图3所示。

从图2可以看出，随着温度的上升，2#煤的热流量先升高，当达到峰值后迅速降低。研究结果与煤自燃氧化燃烧特性相符。在煤的自燃氧化燃烧过程中，煤首先吸收氧气并与之发生反应，该过程为放热反应，所以热流量呈现不断升高趋势，并在一定的温度下达到最大热解峰值。当煤热解完成后煤由于无法继续热解，热流量会迅速降低。并且，从图2还可以看出，随着煤体颗粒尺寸的减小，煤体发生热解放热温度明显提前。主要是由于，颗粒尺寸越小，煤体比表面积越大，吸氧量越大，煤发生热解也就越容易。同时，研究表明，煤体颗粒尺寸越小，煤在较低温度下热流量越大。

图2 不同粒径2#煤煤热流量变化曲线图

图3 不同粒径2#煤发热量曲线图

从上述实验结果可以看出，在300 ℃以内，煤的放热量很小，后期随着温度的上升，2#煤的放热均呈现快速上升的趋势，当达到峰值将保持不变。主要是由于，煤分解完全剩余灰分不再分解放热。研究结果表明，随着煤体颗粒尺寸的减小，煤体放热温度明显提前，主要是由于，颗粒尺寸越小，煤体比表面积越大，吸氧量越大，煤发生热解也就越容易。同时研究表明，煤体颗粒尺寸越小，煤放热量越大。

3 采空区遗煤自燃“三带”范围确定

本文利用热重分析对宜兴煤矿1202工作面2#煤层煤体低温氧化特性进行了研究，进一步通过现场实测确定1202工作面采空区遗煤自燃“三带”范围。

3.1 现场实际抽气与温度测试

通过采空区预埋管路和热电偶测温探头对温度、气样等进行分析，以了解工作面推进时，工作面风量、温度、气体浓度等参数情况和采空区内部温度、气体浓度的变化情况。主要有采空区内各测点气体种类、浓度，工作面供风量、温度及各测点温度，工作面日推进速度、日回采率等。

3.2 “三带”观测系统布置

在材料巷布置采集气体的束管和观测遗煤温度的热电偶系统，由切顶线往外布置4个测点，间距20 m，测点外管路再延伸100 m布置观测站。测点布置图如图4所示。

图4 1202工作面采空区观测布置示意图

3.3 “三带”测试结果分析

对宜兴煤矿1202工作面采空区温度、气体进行连续监测，测定结果见表1。

将测得的数据进行整理，得到1202工作面进风侧测点氧气浓度和温度比较，如图5、图6所示。

由图5、图6可知，通过对氧气浓度变化趋势进行分析，可以得出：

1) 采空区距离内工作面越远的地方氧气浓度越低，测点进入采空区25 m时，氧气体积分数降到18%；当测点进入采空区100 m，氧气体积分数降到8%，从而可以推断进风巷氧化带范围为25 m～100 m、宽度为75 m。

表1 1202材料巷测点数据表

图5 进风巷监测点进入采空区距离的氧气浓度变化趋势图

2) 随着测点进入采空区距离的增加，测点的温度逐渐增大，在75 m左右达到最大，之后变化较小。

综上所述，结合温度和采空区氧气变化可以推

图6 进风巷监测点进入采空区距离的温度变化趋势图测，宜兴煤矿1202综放工作面散热带范围为0 m～26 m，氧化带范围26 m～78 m，大于78 m为窒息带。

4 结论

1) 热重-差热分析仪测定了不同粒径煤低温氧化特性，随着煤颗粒尺寸的减小，煤体的吸氧量均呈现不断升高的趋势，在一定范围内，随着煤体颗粒尺寸的减小，煤发生自燃的倾向性明显增加。随着温度的上升，煤的热流量呈现先升高，当达到峰值后迅速降低的趋势，在煤的自燃氧化燃烧特过程中，煤首先吸收氧气并与之发生反应，该反应为放热反应，煤开始发生热解放出大量的热量，并在一定的温度下达到最大热解峰值，当煤热解完成后煤由于无法继续热解，热流量会迅速降低。随着煤体颗粒尺寸的减小，煤体发生热解放热温度明显提前。

2) 通过现场实测得出1202综采面采空区遗煤氧化“三带”宽度为散热带范围为0 m～26 m，氧化带范围26 m～78 m，大于78 m为窒息带。

[1] 程霞，陈鲜展，何启林.热分析技术对煤低温氧化规律的研究[J].陕西煤炭,2009(5)：51-52.

[2] 阮圣梅，王军淮.采空区遗煤氧化相关参数的测定[J].陕西煤炭,2012(2):37-39.

Testingtechnologyresearchon“threezones”andspontaneouscombustioncharacteristicsofresidualcoalingoafofisolatedislandworkingface

LIUXiaoheng

(VentilationDepartmentofFenxiMiningIndustryGroupCo.,Ltd.,JiexiuShanxi032000,China)

Combined withcharacteristic of residual coal in goafof isolated islandfully mechanized working face in underground coal mine, through systematic theoretical research, laboratory test and field measurement, “three zones”of residual coal spontaneous combustion in goaf of isolated island fully mechanized working face are determined, providing basis for safety production.

isolated island working face; low-temperature oxidation; “three zones” of residualcoal spontaneous combustion

2017-02-22

刘晓恒，男，1985年出生，在职研究生，采矿工程师，从事通风管理工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.03.38

TD82

A

1004-7050(2017)03-0111-03

煤矿工程