CN102854298A - 一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法，该判断方法包括以下步骤：采集高抽巷气体，对所述高抽巷气体进行分析，根据所述高抽巷气体成分的变化，判断工作面采空区深部自燃氧化情况。本发明提供的工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法具有以下优点：不需要在煤层工作面采空区布置测点，可以节省大量的人力物力，既经济又可靠；高抽巷所抽的气体始终都有一部分来自于工作面采空区深部，随着工作面推进而推进，通过分析高抽巷的气体成分可以实现对工作面采空区深部自燃氧化情况的连续预报；方便快捷，安全性好，采集高抽巷气体时测点布置比较简单，测点都是工作面人员可以正常进入的地点，安全性好，取样方便。

Description

一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法

技术领域

本发明涉及采煤工业技术领域，具体涉及一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法。

背景技术

气体分析法是根据煤的自燃发火不同发展阶段产生的不同气体产物和其浓度进行工作面采空区自燃发火预测预报的一种方法，其基本方法就是根据工作面采空区中某些气体的存在及其浓度变化特征来判断工作面采空区煤炭自燃发火状态及阶段的，是目前煤自燃预测预报应用最广泛的方法。

煤在氧化升温过程中，会释放出CO、CO₂、烷烃、烯烃以及炔烃等指标性气体。这些气体的产生率随煤温上升而发生规律性的变化，能预测和反映煤自燃发火状态。CO气体贯穿于整个煤自燃发火过程中，一般在50℃以上就可测定出来，出现时浓度较高。烷烃(乙烷、丙烷)出现的时间几乎与CO同步，贯穿于煤自燃发火全过程，但其浓度低于CO，而且在不同煤种中有不同的显现规律。烯烃较CO和烷烃出现的晚，乙烯在110℃左右能被测出，是煤自燃发火进程加速氧化阶段的标志性气体，在开始产生时，浓度略高于炔烃气体。炔烃出现的时间最晚，只有在较高温度段才出现，与CO气体、烯烃之间有一个明显的温度差和时间差，是煤自燃发火步入剧烈氧化阶段(也即燃烧阶段)的产物。因此，可以利用这些指标气体产生量的变化，来进行煤层火灾的早期预报。最新研究成果表明，可以使用一氧化碳、乙烯及乙炔三个指标气体，综合地将煤炭自燃划分为三个不同的发展阶段：缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段。矿井风流中只出现10^-6级的一氧化碳时为缓慢氧化阶段，出现10^-6级的一氧化碳、乙烯时为加速氧化阶段，出现10^-6级的一氧化碳、乙烯及乙炔时为剧烈氧化阶段，此时即将出现明火。

目前国内外普遍采用CO气体作为煤层火灾预报的主要指标气体，原因有两个，首先，煤在低温氧化过程中，CO的生成量与煤温之间有十分密切的关系，随着煤温的升高，CO浓度的变化量最明显并且CO的检测比较容易、方便，采用CO作为指标气体比较灵敏；其次，煤层中一般不含有CO，井下爆破工作所产生的CO能很快被风流所稀释和排除，因此，采用CO气体作为煤层火灾预报的指标气体比较准确。在以前的现场和科研中，大部分人都将煤层采空区气样中CO的含量作为对工作面采空区自燃发火危险的一个重要指标，以及时的反映工作面采空区的自燃情况和危险程度。但是，实际采集煤层采空区气样时，难度却较大，目前的操作方法是在工作面采空区布置测点直接取样分析，但测点随工作面的推进相对工作面不断后退，当测点退到自燃带时，此时就失去了预报的意义。更重要的是，工作面采空区布点需要大量的材料，而且管路很容易被砸坏，可靠性差，耗时耗力。因此通过采集煤层工作面采空区气样，并对采空区气样成分的变化进行分析，实现对工作面采空区自燃发火危险的预报，以用于指导工作面采空区现场的自燃防治就变得极为困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法，包括以下步骤：采集高抽巷气体，对所述高抽巷气体进行分析，根据所述高抽巷气体成分的变化，判断工作面采空区深部自燃氧化情况。

高抽巷内的气体有两部分组成，分别为本煤层采空区瓦斯气体和邻近煤层原始瓦斯气体。设高抽巷中气体单位体积中本煤层采空区瓦斯气体体积为x，高抽巷中来自邻近煤层的原始瓦斯气体体积为y，注入氮气遗留下的氮气体积为z，因此可得出以下方程。

氧气质量守恒得出：

瓦斯质量守恒得出：

氮气质量守恒得出：

一氧化碳质量守恒得出：

X·C_采空区CO＝C_高抽巷CO                           (4)；

乙烯、乙炔质量守恒得出：

综合方程(1)～(6)可以得出，高抽巷中气体单位体积中本煤层采空区瓦斯气体体积x为：

高抽巷中来自邻近煤层的原始瓦斯气体体积y为：

注入氮气遗留下的氮气体积z为：

将式(7)分别代入式(4)、式(5)、式(6)，可以得出：

采集高抽巷气体，对采集到的高抽巷气体进行分析，根据采空区自燃“三带”的划分标准(散热带：氧气浓度≥18％；自燃带：10％≤氧气浓度＜18％；窒息带：氧气浓度＜10％)，以氧气浓度14％为标准将自燃带划分为深部和浅部两部分，由于高抽巷中的氧气主要来自于采空区深部，根据氧气在工作面采空区的分布规律，工作面采空区在煤层赋存稳定、工作面风量变化不大的情况下采空区氧气的浓度的分布是比较稳定的，自燃带深部氧气浓度平均值12％作为工作面采空区深部的氧气浓度，或以深部和浅部边界值的氧气浓度14％为采空区的氧气浓度，计算出高抽巷气体中CO、C₂H₄、C₂H₂和O₂的体积百分比浓度，代入式(10)～式(12)，可以计算出工作面采空区的CO、C₂H₄及C₂H₂浓度。因此通过采集高抽巷气体，分析高抽巷气体成分的变化，即可判断工作面采空区的自燃氧化情况。由于高抽巷气体主要来自工作面采空区深部，因此本发明提供的工作面采空区自燃氧化情况的判断方法主要用于判断工作面采空区深部的自燃氧化情况。

本发明提供的工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法用采集高抽巷气样代替采集煤层工作面采空区气样，相比以往的煤层工作面采空区布点取样方法，本发明的通过高抽巷气体成分分析预报工作面采空区的自燃氧化情况具有以下优点：

(1)不需要在煤层工作面采空区布置测点，可以节省大量的人力物力，既经济又可靠；

(2)高抽巷气体成分分析判断工作面采空区自燃氧化情况的方法可以实现连续预报，只要工作面采空区气体成分出现异常就能做出响应。高抽巷所抽的气体始终都有一部分来自于工作面采空区深部，随着工作面推进而推进，通过分析高抽巷的气体成分可以实现对工作面采空区深部自燃氧化情况的连续预报；

(3)本发明提供的工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法方便快捷，安全性好。采集高抽巷气体时测点布置比较简单，测点都是工作面人员可以正常进入的地点，安全性好，取样方便。

附图说明

图1为某煤矿14#煤一氧化碳生成量(即CO浓度)与煤温的关系图。

具体实施方式

实施例

本实施例提供的工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法，包括以下步骤：采集高抽巷气体，对高抽巷气体进行分析，根据高抽巷气体成分的变化，判断工作面采空区深部自燃氧化情况。

具体的判断标准为现有技术，主要有以下几种判断标准。

一、经验判别法

(1)气体成分判别法

高抽巷气样中只出现10^-6级的一氧化碳时为缓慢氧化阶段，出现10^-6级的一氧化碳、乙烯时为加速氧化阶段，出现10^-6级的一氧化碳、乙烯及乙炔时为剧烈氧化阶段，此时即将出现明火。乙炔是煤进入剧烈氧化阶段的产物。C₂H₂出现较晚，产生的初始温度值较高，研究表明煤样温度在达到180℃之前往往不会产生C₂H₂气体。在煤层工作面采空区自燃氧化情况预测工作中，若从高抽巷气样中监测到了C₂H₂气体，则表明井下煤自燃已经发展到比较严重的程度，此时采取防灭火措施时一定要谨慎，防止引发爆炸事故而导致更大的灾难。

(2)CO浓度判别法

根据以往的开采经验和教训，将工作面采空区自燃氧化的危险性划分为两个阶段，具体为：第一阶段：采空区低温氧化阶段，此时0＜C_高抽巷CO＜75ppm(C_高抽巷CO指的是高抽巷气样中CO的体积百分比浓度)，在这个阶段，高抽巷开始有一定量的一氧化碳浓度，采空区遗煤存在缓慢氧化区域，采空区的自燃发火危险性和所测到的深部采空区气样中CO的体积百分比浓度成正比变化；第二阶段：采空区自燃发火危险阶段(包括加速氧化阶段和剧烈氧化阶段)，此时C_高抽巷CO≥75ppm，当高抽巷气样中CO的体积百分比浓度达到75ppm，说明采空区的浮煤自燃氧化已经达到一定程度，可以判定采空区内部已经存在一定范围的高温区域，当采空区浮煤进入自燃发火(即自燃氧化)危险阶段时，必须减少瓦斯抽采量和工作面供风量，同时采取采空区注氮和注阻化泡沫等技术手段，控制采空区自燃氧化进一步的发展。如果不采取措施，采空区的自燃氧化危险将会迅速增加，遗煤高温区域也将进一步扩大。在煤矿开采过程中，应该尽量使采空区自燃氧化危险保持在第一阶段。

二、标志性气体判别法

根据以往的经验，可以将煤的自燃氧化过程划分为四个阶段：低温氧化阶段即缓慢氧化阶段(0～SHT，一般取70℃，即0～70℃)、加速氧化阶段(70℃～150℃)、剧烈氧化阶段(150℃～Ts)、燃烧阶段(Ts及以上)，当煤温达到70℃～150℃就应该引起注意。

在煤的标志性气体实验完成之前，可以根据经验判别法进行判断，但是经验判别法只能判断煤自燃氧化的情况，具体煤自燃氧化到什么程度，还需要根据煤的标志性气体判别法来确定。

煤的自燃氧化过程可分为缓慢氧化阶段、加速氧化阶段和剧烈氧化阶段三个不同的发展阶段，不同阶段对应着不同的气体产物种类和浓度。煤自燃指标气体指的是能预测和反映煤自燃氧化状态的某种气体，这种气体浓度随煤温上升而发生规律性变化。根据煤层自燃氧化指标性气体实验确定的指标气体，可以掌握煤层在自燃氧化过程各个阶段指标气体的产生规律，从而可为煤层自燃氧化提供早期预测预报，指标气体在煤自燃氧化状态的预测预报和火灾的早期预防方面有积极的意义。

图1是某煤矿14#煤一氧化碳生成量(即CO浓度)与煤温的关系图。图1中曲线1表示多项式拟合曲线，其中多项式方程见图1中所示，曲线2表示指数拟合曲线，指数方程见图1中所示。通过分析高抽巷的气体成分可以计算出工作面采空区CO的生成量，由拟合公式或采用差值计算的方法可以推导出工作面采空区的煤温，从而判断出工作面采空区煤层的自燃氧化情况。

Claims (1)

1.一种工作面采空区深部自燃氧化情况的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：采集高抽巷气体，对所述高抽巷气体进行分析，根据所述高抽巷气体成分的变化，判断工作面采空区深部自燃氧化情况。

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