CN115081194A - 一种co真实临界值的计算方法及其应用 - Google Patents

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CN115081194A CN202210624656.5A CN202210624656A CN115081194A CN 115081194 A CN115081194 A CN 115081194A CN 202210624656 A CN202210624656 A CN 202210624656A CN 115081194 A CN115081194 A CN 115081194A
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马永侦
盛树平
陆卫东
刘国忠
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Abstract

本发明公开了一种CO真实临界值的计算方法及其应用，具体方法为：预埋束管监测采空区的气体成分，得到采空区进风侧和回风侧O2的浓度数据；结合采空区气体分布规律和数值模拟方法划分采空区的三带：非自燃带、自燃带和窒息带，并根据气体分布规律计算得到采空区漏风强度和数值模拟的采空区氧气浓度，进而得到三带的具体位置；利用程序升温实验得到煤自燃过程中不同气体在不同温度下的浓度变化趋势；得到CO真实临界值。该方法结合采空区三带划分得到的非自燃带、自燃带的漏风强度和程序升温实验结果，结果能较好的反演工作面采空区遗煤的自燃情况，推导的临界值可作为预防采空区自然发火的预警提示。

Description

一种CO真实临界值的计算方法及其应用
技术领域
本发明属于矿区自然发火预警技术领域，具体涉及一种CO真实临界值的计算方法及其应用。
背景技术
煤矿如果在生产实践中开拓系统或者开采方法设计的不合理，那么煤自燃灾害发生的可能性将大大增加。煤自燃火灾的发生，轻则影响生产，重则可能烧毁煤炭资源和矿井设备，更为严重者则可能引燃瓦斯、煤尘爆炸，酿成人员伤亡的重大恶性事故。由此造成的经济上以及资源上的损失往往是不可量化的，对矿工情感和心理的伤害也相当严重。
目前，煤矿为预防煤层自然发火，主要运用束管监测系统，从而掌握采空区煤层自燃情况。而自然发火标志气体的选择，基本包括CO、烷烃、烯烃和炔烃等，其考察内容主要为标志气体产生的临界温度。该方法虽然可以在一定程度上为煤矿控制预防采空区自然发火提供参考意义，但行业内并无明确标准要求标志气体产生浓度的安全值。在实际生产应用中，煤矿工作人员通常需要结合生产实际情况，并无具体标志气体浓度判断标准，当标志气体出现时根据生产经验对自然发火情况进行预判，则会对采空区实际自燃情况产生误判。因此，亟需一种标准方法对预测采空区发火状况进行理论支持，解决采空区煤自燃的及时预警和防治问题。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种CO真实临界值的计算方法及其应用，解决了采空区自然发火标志气体可能产生误判的问题，提高了标志气体运用的准确性，从而可以精准预测采空区遗煤自燃情况。
技术方案：一种CO真实临界值的计算方法，包括步骤如下：
S1.预埋束管监测采空区的气体成分，得到采空区进风侧和回风侧O2的浓度数据；
S2.结合采空区气体分布规律和数值模拟方法划分采空区的三带：非自燃带、自燃带和窒息带，并根据气体分布规律计算得到采空区漏风强度和数值模拟的采空区氧气浓度，进而得到三带的具体位置；
S3.利用程序升温实验得到煤自燃过程中不同气体在不同温度下的浓度变化趋势；
S4.得到CO真实临界值的计算公式如下：
Figure BDA0003676435790000025
式中，PCO(T)为CO在回风侧的真实临界值，ppm；A为采空区过火面积，m2；h为采空区遗煤厚度，m；Q1为回风侧非自燃带漏风量，cm3/s；Q2为回风侧自燃带漏风量，cm3/s；CCO(T)为在温度T时，回风侧CO浓度，ppm；
Figure BDA0003676435790000028
为在温度T时，回风侧C2H4浓度，ppm；
Figure BDA0003676435790000026
为在温度T时，回风侧C2H6浓度，ppm；
Figure BDA0003676435790000027
为在温度T时，回风侧C3H8浓度，ppm。
优选的，所述步骤S1中测点设于采空区的回风侧和进风侧，监测时保持上下顺槽同时监测，并随工作面推进同步移动。
优选的，所述步骤S1中当测点进入采空区240m或氧气浓度降低为8vol.％时结束监测。
优选的，所述步骤S2包括以下步骤：
S2-1.根据束管监测的数据，得到进风侧和回风侧的氧气浓度随埋深的变化趋势；
S2-2.计算进风侧和回风侧的采空区漏风强度和极限漏风强度；
S2-3.对采空区进行数值模拟；
S2-4.根据现场实测结果、数值模拟结果、采空区漏风强度计算结果和采空区极限漏风强度计算结果进行三带划分。
优选的，所述步骤S2-2中采空区漏风强度和极限漏风强度的计算方法如下：
采空区漏风强度：
Figure BDA0003676435790000021
式中，
Figure BDA0003676435790000022
为新鲜风流氧浓度，取9.375×10-6mol/cm3；
Figure BDA0003676435790000023
为实验测定煤温为T、氧浓度为21vol.％时的耗氧速率，mol/(s×cm3)，
Figure BDA0003676435790000024
为采空区xi处的漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；xi+1、xi分别为采空区两点距工作面的距离，m；
采空区极限氧浓度：
Figure BDA0003676435790000031
采空区极限漏风强度：
Figure BDA0003676435790000032
式中，
Figure BDA0003676435790000033
为新鲜风流氧浓度，取21vol.％；q0(Tm)表示氧浓度为
Figure BDA0003676435790000034
(即21vt.％)时的放热强度；λe为浮煤导热系数，J·s-1·cm-1；Tm为煤体内最高温度，℃；Ty为岩层温度，℃；Tg为风流温度，℃；h为浮煤厚度，cm；ρg为工作面风流密度，g·cm-3；cg为热容，J·g-1·℃-1；x为采空区距工作面的距离，cm；Cmin为极限氧浓度；
Figure BDA0003676435790000035
为极限漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)。
优选的，所述S2-4中采空区三带的划分依据为：
非自燃带:
Figure BDA0003676435790000036
自燃带：
Figure BDA0003676435790000037
窒息带：
Figure BDA00036764357900000315
式中，
Figure BDA0003676435790000038
为采空区漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA0003676435790000039
为极限漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA00036764357900000310
为氧浓度；Cmin为采空区极限氧浓度。
优选的，所述回风侧非自燃带漏风量为：
Figure BDA00036764357900000311
回风侧自燃带漏风量为：
Figure BDA00036764357900000312
式中，S1为回风侧采空区非自燃带侧面积，cm2；S2为回风侧自燃带侧面积，cm2；
Figure BDA00036764357900000313
为回风侧采空区非自燃带漏风强度均值，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA00036764357900000314
为回风侧采空区非自燃带漏风强度均值，cm3·(cm-2·s-1)；Q1为回风侧非自燃带漏风量，cm3/s；Q2为回风侧自燃带漏风量，cm3/s。
所述CO真实临界值在预警采空区遗煤自燃状况中的应用。
有益效果：本发明通过计算得出CO真实临界值，可以解决煤矿行业目前针对标志气体无明确浓度规定的问题。同时，当在上隅角检测到CO时，可以对照计算数据，准确掌握采空区内过火面积，可以及时制定更合理的采空区煤炭防灭火措施。
附图说明
图1是本发明实施例工作面采空区三带观测测点布置图；
图2是本发明实施例回风侧O2浓度变化趋势图；
图3是本发明实施例进风侧O2浓度变化趋势图；
图4是本发明实施例回风侧漏风强度变化趋势图；
图5是本发明实施例进风侧漏风强度变化趋势图；
图6是本发明实施例数值模拟采空区氧气体积分数示意图；
图7是本发明实施例采空区“三带”分布示意图；
图8是本发明实施例程序升温实验CO、CO2浓度变化趋势图；
图9是本发明实施例程序升温实验烃类气体浓度变化趋势图；
图10是本发明实施例CO真实临界值和程序升温实验CO浓度变化趋势对比图；
图11是本发明实施例采空区小面积高温过火CO临界值变化示意图；
图12是本发明实施例采空区大面积缓慢自燃CO临界值变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
本实施例的具体实施步骤如下：
(1)预埋束管监测采空区的气体成分，得到采空区进风侧和回风侧O2浓度数据
在某采空区回风侧设4个测点、每个测点间隔为60m，其测点编号依次为1号、2号、3号、4号。在进风侧设四个测点，其测点编号依次为5号、6号、7号、8号。保持采空区内部回风侧4个测点、进风侧4个测点，上下顺槽同时观测。日常测点随工作面推进向前移动。待各个测点进入采空区240m，或氧气浓度降至8vol.％时，观测即可结束，从而可以得到采空区进风侧和回风侧O2浓度数据。预埋束管监测点的具体布置位置如图1所示。
(2)结合采空区气体分布规律和数值模拟方法划分采空区“三带”，根据气体分布规律计算的采空区漏风强度和数值模拟的采空区氧气浓度，得到“三带”具体位置
通过束管监测采空区气体变化规律，得出图2中回风侧和图3中进风侧氧气浓度随埋深的变化趋势。
利用已测得的采空区氧浓度分布规律，可推算出进、回风侧的采空区漏风强度和极限漏风强度：
漏风强度与氧浓度关系为：
Figure BDA0003676435790000051
式中，
Figure BDA0003676435790000052
为新鲜风流氧浓度，取9.375×10-6mol/cm3；
Figure BDA0003676435790000053
为实验测定煤温为T、氧浓度为21vol.％时的耗氧速率，mol/(s×cm3)，
Figure BDA0003676435790000054
为采空区xi处的漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA0003676435790000055
xi分别为采空区两点距工作面的距离，m。
采空区极限氧浓度计算方法为：
Figure BDA0003676435790000056
采空区极限漏风强度计算方法为：
Figure BDA0003676435790000057
式中，
Figure BDA0003676435790000058
为新鲜风流氧浓度，取21vol.％；q0(Tm)表示氧浓度为
Figure BDA0003676435790000059
(即21vt.％)时的放热强度；λe为浮煤导热系数，J·s-1·cm-1；Tm为煤体内最高温度，℃；Ty为岩层温度，℃；Tg为风流温度，℃；h为浮煤厚度，cm；ρg为工作面风流密度，g·cm-3；cg为热容，J·g-1·℃-1；x为采空区距工作面的距离，cm；
Figure BDA00036764357900000510
为极限氧浓度；
Figure BDA00036764357900000511
为极限漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)。
利用公式(1)、公式(2)和公式(3)分别计算出采空区漏风强度、采空区极限氧浓度和采空区极限漏风强度得到图4和图5。
由于进风侧采空区所测测点氧气浓度较高，不能用于划分采空区自燃发火“三带”，将借助数值模拟方法，来进行进风侧的流场计算：在现场监测数据的基础上借助Fluent软件对工作面采空区进行数值模拟，根据模拟采空区氧气浓度结合现场氧气浓度实测结果综合判定采空区自燃“三带”的范围。通过数值计算的结果如图6所示，可以用于辅助划分进风侧的三带范围。
采空区“三带”划分的依据为：
非自燃带:
Figure BDA0003676435790000061
自燃带：
Figure BDA0003676435790000062
窒息带：
Figure BDA00036764357900000610
式中，
Figure BDA0003676435790000063
为采空区漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA0003676435790000064
为极限漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA0003676435790000065
为氧浓度；Cmin为极限氧浓度。
根据工作面回风侧现场实测结果、进风侧数值模拟结果、采空区漏风强度计算结果以及采空区极限漏风强度计算结果进行“三带”划分如下：
进风侧：“三带”划分按O2浓度上限18vol.％、下限9vol.％划分，进风侧自燃带宽度为170m～176m。
回风侧：自燃带按O2浓度上限18vol.％、下限9vol.％，宽度为37m～137m；根据现场回风侧测点氧气浓度观测结果、进风侧数值模拟结果及其趋势线划出的采空区“三带”分布如图7所示。
(3)利用程序升温实验得到煤自燃过程中气体生成规律
通过实验仪器对煤自然发火过程进行模拟，在工作面采取煤样后，然后对其进行破碎并筛分出小于0.15mm的颗粒作为实验煤样，在实验条件下进行程序升温。如图8和图9所示，分析CO、CO2以及烃类气体浓度变化趋势，据此优选CO作为自然发火标志气体。
(4)利用回风隅角CO临界值反演采空区煤燃烧状态
利用公式(1)所求进风侧和回风侧漏风强度，当漏风强度设为均值且遗煤堆积厚度为0.3m时，根据采空区非自燃带和自燃带侧面积，可求出回风侧采空区非自燃带漏风量为：
Figure BDA0003676435790000066
回风侧采空区自燃带漏风量为：
Figure BDA0003676435790000067
式中，S1为回风侧采空区非自燃带侧面积，cm2；S2为回风侧自燃带侧面积，cm2；
Figure BDA0003676435790000068
为回风侧采空区非自燃带漏风强度均值，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure BDA0003676435790000069
为回风侧采空区非自燃带漏风强度均值，cm3·(cm-2·s-1)；Q1为回风侧非自燃带漏风量，cm3/s；Q2为回风侧自燃带漏风量，cm3/s。
根据程序升温实验，温度从30℃升高到200℃，得到各种气体(CO、C2H4、C2H6、C3H8)在不同温度下的浓度，其变化趋势可分别拟合为函数方程，则各种气体浓度随温度变化的函数为：
CCO(T)＝9E-06T4-0.0034T3+0.4394T2-23.154T+404.16 (10)
Figure BDA0003676435790000071
Figure BDA0003676435790000072
Figure BDA0003676435790000073
CCO(T)为在温度T时，回风侧CO浓度，ppm；
Figure BDA0003676435790000074
为在温度T时，回风侧C2H4浓度，ppm；
Figure BDA0003676435790000075
为在温度T时，回风侧C2H6浓度，ppm；
Figure BDA0003676435790000076
为在温度T时，回风侧C3H8浓度，ppm。
结合已知回风侧漏风量和各种气体浓度，可求出不同过火面积在不同温度时，CO产生量在回风侧的真实临界值为：
Figure BDA0003676435790000077
即：
Figure BDA0003676435790000078
式中，PCO(T)为CO在回风侧的真实临界值，ppm；A为采空区过火面积，m2；h为采空区遗煤厚度，m。
利用上述回风隅角CO真实临界值可以反演推断采空区遗煤的燃烧状态，进而预警采空区遗煤自燃情况的发生。
具体应用方式如下：假设过火面积为1m2，对比计算所得CO真实临界值和程序升温实验中CO浓度随温度变化趋势，如图10所示。随着温度的升高，真实临界值变化趋势与程序升温实验中CO浓度变化趋势相同，对比程序升温实验，当温度到达100℃时，程序升温实验中CO浓度为4.15ppm，根据这一数据判断，此时采空区煤体只是缓慢氧化；然而根据真实临界值判断，其增长速度明显加快，说明此时采空区煤体已开始自燃。
同时如图11，给出采空区自燃带小面积高温过火时CO真实临界值，即当温度为100℃-200℃，过火面积分别为2m2、3m2和5m2时的CO真实临界值；如图12，给出采空区自燃带大面积缓慢自燃时CO真实临界值，即当温度为30℃-110℃，过火面积分别为15m2、17m2和20m2时的CO真实临界值。当在上隅角检测到CO时，可以对照图中数据，准确掌握采空区内过火面积，制定更合理的防控措施。

Claims (8)

1.一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1.预埋束管监测采空区的气体成分，得到采空区进风侧和回风侧O2的浓度数据；
S2.结合采空区气体分布规律和数值模拟方法划分采空区的三带：非自燃带、自燃带和窒息带，并根据气体分布规律计算得到采空区漏风强度和数值模拟的采空区氧气浓度，进而得到三带的具体位置；
S3.利用程序升温实验得到煤自燃过程中不同气体在不同温度下的浓度变化趋势；
S4.得到CO真实临界值的计算公式如下：
Figure FDA0003676435780000011
式中，PCO(T)为CO在回风侧的真实临界值，ppm；A为采空区过火面积，m2；h为采空区遗煤厚度，m；Q1为回风侧非自燃带漏风量，cm3/s；Q2为回风侧自燃带漏风量，cm3/s；CCO(T)为在温度T时，回风侧CO浓度，ppm；
Figure FDA0003676435780000012
为在温度T时，回风侧C2H4浓度，ppm；
Figure FDA0003676435780000013
为在温度T时，回风侧C2H6浓度，ppm；
Figure FDA0003676435780000014
为在温度T时，回风侧C3H8浓度，ppm。
2.根据权利要求1所述的一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中测点设于采空区的回风侧和进风侧，监测时保持上下顺槽同时监测，并随工作面推进同步移动。
3.根据权利要求1所述的一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，所述步骤S1中当测点进入采空区240m或氧气浓度降低为8vol.％时结束监测。
4.根据权利要求1所述的一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S2-1.根据束管监测的数据，得到进风侧和回风侧的氧气浓度随埋深的变化趋势；
S2-2.计算进风侧和回风侧的采空区漏风强度和极限漏风强度；
S2-3.对采空区进行数值模拟；
S2-4.根据现场实测结果、数值模拟结果、采空区漏风强度计算结果和采空区极限漏风强度计算结果进行三带划分。
5.根据权利要求4所述的一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，所述步骤S2-2中采空区漏风强度和极限漏风强度的计算方法如下：
采空区漏风强度：
Figure FDA0003676435780000021
式中，
Figure FDA0003676435780000022
为新鲜风流氧浓度，取9.375×10-6mol/cm3；
Figure FDA0003676435780000023
为实验测定煤温为T、氧浓度为21vol.％时的耗氧速率，mol/(s×cm3)，
Figure FDA0003676435780000024
为采空区xi处的漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；xi+1、xi分别为采空区两点距工作面的距离，m；
采空区极限氧浓度：
Figure FDA0003676435780000025
采空区极限漏风强度：
Figure FDA0003676435780000026
式中，
Figure FDA0003676435780000027
为新鲜风流氧浓度，取21vol.％；q0(Tm)表示氧浓度为
Figure FDA0003676435780000028
(即21vt.％)时的放热强度；λe为浮煤导热系数，J·s-1·cm-1；Tm为煤体内最高温度，℃；Ty为岩层温度，℃；Tg为风流温度，℃；h为浮煤厚度，cm；ρg为工作面风流密度，g·cm-3；cg为热容，J·g-1·℃-1；x为采空区距工作面的距离，cm；Cmin为极限氧浓度；
Figure FDA0003676435780000029
为极限漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)。
6.根据权利要求4所述的一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，所述S2-4中采空区三带的划分依据为：
非自燃带:
Figure FDA00036764357800000210
自燃带：
Figure FDA00036764357800000211
窒息带：
Figure FDA00036764357800000212
式中，
Figure FDA00036764357800000213
为采空区漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure FDA00036764357800000214
为极限漏风强度，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure FDA00036764357800000215
为氧浓度；Cmin为采空区极限氧浓度。
7.根据权利要求1所述的一种CO真实临界值的计算方法，其特征在于，所述回风侧非自燃带漏风量为：
Figure FDA0003676435780000031
回风侧自燃带漏风量为：
Figure FDA0003676435780000032
式中，S1为回风侧采空区非自燃带侧面积，cm2；S2为回风侧自燃带侧面积，cm2；
Figure FDA0003676435780000033
为回风侧采空区非自燃带漏风强度均值，cm3·(cm-2·s-1)；
Figure FDA0003676435780000034
为回风侧采空区非自燃带漏风强度均值，cm3·(cm-2·s-1)；Q1为回风侧非自燃带漏风量，cm3/s；Q2为回风侧自燃带漏风量，cm3/s。
8.由权利要求1所述的计算方法得到的CO真实临界值在预警采空区遗煤自燃状况中的应用。
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