神東礦區(qū)綜采工作面采空工常溫條件下CO產(chǎn)生與運(yùn)移規(guī)律研究及應(yīng)用.pdf

1、神東礦區(qū)是我國13個(gè)億噸礦區(qū)之一，所屬礦井均為全國一流的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井，公司年產(chǎn)煤炭達(dá)2億噸，主要開采的煤種為變質(zhì)程度較低的長焰煤和不粘煤，開采煤層均為容易自燃和自燃煤層。由于礦井產(chǎn)量大、采空區(qū)面積大、煤層極易氧化等原因，綜采面回風(fēng)隅角經(jīng)常出現(xiàn)CO積聚并導(dǎo)致CO持續(xù)超限(超過《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的最高允許濃度24 ppm)，干擾煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，同時(shí)給現(xiàn)場(chǎng)制定科學(xué)有效的防滅火和綜采面回風(fēng)隅角CO管理和控制措施帶來了困惑，嚴(yán)重影響礦井安

2、全生產(chǎn)。綜采面采空區(qū)CO產(chǎn)生規(guī)律、積聚及運(yùn)移規(guī)律一直是礦井火災(zāi)防治的關(guān)鍵科學(xué)問題，論文以神東礦區(qū)為研究對(duì)象，圍繞煤煤常溫氧化CO產(chǎn)生規(guī)律，采空區(qū)CO積聚、運(yùn)移規(guī)律，綜采面回風(fēng)隅角CO安全及自燃預(yù)警濃度，CO控制技術(shù)和管控標(biāo)準(zhǔn)開展研究，為解決長期困擾我國西北、華北等重點(diǎn)產(chǎn)煤基地日常生產(chǎn)中CO超限與自然發(fā)火關(guān)系的問題，制定符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的礦井防滅火技術(shù)管理標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)。得到以下主要結(jié)論:
　　(1)通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，神東礦區(qū)綜

3、采面生產(chǎn)期間回風(fēng)隅角CO較檢修期間超限嚴(yán)重，相比CO濃度高出約10～20 ppm。留頂煤采煤方法CO超限最為嚴(yán)重，一次采全高工作面基本上未產(chǎn)生CO超限。神東礦區(qū)綜采面回風(fēng)隅角CO來源是采空區(qū)浮煤常溫氧化、膠輪車尾氣、采煤機(jī)割煤破碎煤體產(chǎn)生，其中采空區(qū)浮煤常溫氧化是主要來源。采空區(qū)浮煤常溫氧化造成工作面回風(fēng)隅角CO濃度達(dá)80～150 ppm，占76％;密集車輛時(shí)間段膠輪車尾氣造成工作面回風(fēng)隅角CO達(dá)10～20 ppm，占18％;采煤機(jī)割煤

4、破碎煤體造成工作面回風(fēng)隅角CO達(dá)10 ppm，占6％。
　　(2)通過現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室分析對(duì)神東礦區(qū)開采煤層原始賦存CO含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明:神東礦區(qū)煤層中原生賦存的CO含量極少，含量在0.42～0.52×10-6 cm3/g，由于神東礦區(qū)綜采工作面配風(fēng)量較大，在1000～3000m3/min變化，因此，煤層中原生賦存的CO不會(huì)導(dǎo)致綜采面回風(fēng)隅角CO持續(xù)超限。
　　(3)研制開發(fā)了煤常溫氧化實(shí)驗(yàn)裝置，現(xiàn)場(chǎng)采樣，并進(jìn)行了5

5、個(gè)典型煤層煤樣(1.3kg)常溫封閉氧化試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:神東礦區(qū)煤在小于20℃的常溫環(huán)境下能產(chǎn)生CO并消耗一定量的O2，在溫度基本保持不變的條件下，CO濃度逐漸升高，一定時(shí)間后達(dá)到一定濃度值后保持穩(wěn)定，煤樣產(chǎn)生CO濃度最大值為154～425 ppm，濃度穩(wěn)定時(shí)間一般在380～980 min。隨著氧化的進(jìn)行，產(chǎn)生CO速率逐漸下降，下降到一定程度后CO的累積濃度不再上升，穩(wěn)定在一定的水平。各煤樣產(chǎn)生CO速率平均為0.56～1.64cm3

6、/(min· m3)。消耗O2速率和生成CO速率呈正比，不同煤樣消耗O2速率不同，一般為0.36～1.30l/(min·m3)。
　　(4)通過對(duì)煤常溫下惰性氣氛下CO脫附實(shí)驗(yàn)和氧化環(huán)境下的多次氧化實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)煤解吸與煤氧化過程中的CO釋放速率具有相似的過程，第一個(gè)小時(shí)內(nèi)CO的釋放速率銳減，一段時(shí)間之后，CO釋放速率的減少趨勢(shì)放緩，并逐步趨于穩(wěn)定，并通過研究發(fā)現(xiàn)，煤的常溫氧化是CO釋放的主要原因。常溫氧化實(shí)驗(yàn)過程中CO釋放速率的

7、倒數(shù)與時(shí)間的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，因此CO的釋放速率與時(shí)間的關(guān)系可表示為Rco=α/Int-b，可通過此公式可定量的研究CO釋放速率與氧化時(shí)間關(guān)系。
　　(5)煤常溫下多次氧化實(shí)驗(yàn)表明:CO的釋放速率除了受到氧氣濃度和煤體表面活性位點(diǎn)的影響外，主要受到煤氧產(chǎn)生抑制反應(yīng)的氧化產(chǎn)物影響。當(dāng)這些氧化產(chǎn)物排空消除后，煤氧反應(yīng)進(jìn)程重新恢復(fù)，CO釋放速率上升。這一結(jié)論證明采空區(qū)浮煤反復(fù)在采空區(qū)漏風(fēng)流的作用下不斷地產(chǎn)生CO并隨著采空區(qū)漏風(fēng)運(yùn)移到工作面

8、回風(fēng)隅角，從而導(dǎo)致綜采面回風(fēng)隅角CO持續(xù)超限。
　　(6)通過建立基于氧氣消耗速率與氧氣濃度的關(guān)系函數(shù)，獲得了煤常溫下CO產(chǎn)生機(jī)理，煤的常溫氧化機(jī)制分為五個(gè)階段——“化學(xué)反應(yīng)控制機(jī)制”、“過渡期”、“擴(kuò)散控制機(jī)制”、“抑制控制機(jī)制”和“類燃燒反應(yīng)機(jī)制”，研究結(jié)果可以為綜采面回風(fēng)隅角CO超限治理提供理論依據(jù)。
　　(7)通過對(duì)綜采工作面采空區(qū)CO、O2氣體的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，并結(jié)合煤常溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定了采空區(qū)CO產(chǎn)生的危險(xiǎn)區(qū)域，采

9、空區(qū)中CO氣體濃度在距離工作面60～100m的位置出現(xiàn)最大值，一般在71～230ppm間，然后在120m穩(wěn)定，CO在50ppm以內(nèi)。
　　(8)通過建立工作面不同推進(jìn)位置時(shí)的3D氣體運(yùn)移CFD模型，研究分析了U型通風(fēng)工作面氣體分布特征，在此基礎(chǔ)上，模擬分析了U型通風(fēng)工作面采空區(qū)不同位置煤氧化產(chǎn)生CO氣體在采空區(qū)的分布特征，得出了CO氣體在采空區(qū)的運(yùn)移規(guī)律。
　　(9)在大量的實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，建立了神東礦區(qū)綜采面回風(fēng)隅

10、角CO安全及自燃預(yù)警濃度預(yù)測(cè)模型:Cco=(k1l1+k2l2）LH(1-φ)vCO/ηQ
　　利用該模型計(jì)算確定了神東礦區(qū)綜采面回風(fēng)隅角CO安全及自燃預(yù)警濃度值，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果相吻合。確定了神東礦區(qū)綜采工作面正?；夭蓵r(shí)回風(fēng)隅角CO安全濃度為85ppm，自燃預(yù)警濃度為350ppm。
　　(10)在對(duì)神東礦區(qū)開采技術(shù)條件及煤自燃特點(diǎn)，在大量現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)室研究、理論分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合神東礦區(qū)現(xiàn)有的防滅火技術(shù)裝備條件，編制