神東礦區(qū)綜采工作面采空工常溫條件下CO產生與運移規(guī)律研究及應用.pdf

1、神東礦區(qū)是我國13個億噸礦區(qū)之一，所屬礦井均為全國一流的現代化高產高效礦井，公司年產煤炭達2億噸，主要開采的煤種為變質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。由于礦井產量大、采空區(qū)面積大、煤層極易氧化等原因，綜采面回風隅角經常出現CO積聚并導致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)，干擾煤自燃預測預報，同時給現場制定科學有效的防滅火和綜采面回風隅角CO管理和控制措施帶來了困惑，嚴重影響礦井安

2、全生產。綜采面采空區(qū)CO產生規(guī)律、積聚及運移規(guī)律一直是礦井火災防治的關鍵科學問題，論文以神東礦區(qū)為研究對象，圍繞煤煤常溫氧化CO產生規(guī)律，采空區(qū)CO積聚、運移規(guī)律，綜采面回風隅角CO安全及自燃預警濃度，CO控制技術和管控標準開展研究，為解決長期困擾我國西北、華北等重點產煤基地日常生產中CO超限與自然發(fā)火關系的問題，制定符合現場實際的礦井防滅火技術管理標準提供依據。得到以下主要結論:
　　(1)通過理論分析、現場觀測發(fā)現，神東礦區(qū)綜

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

4、破碎煤體造成工作面回風隅角CO達10 ppm，占6％。
　　(2)通過現場采樣、實驗室分析對神東礦區(qū)開采煤層原始賦存CO含量進行了測定，結果表明: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)綜采工作面配風量較大，在1000～3000m3/min變化，因此，煤層中原生賦存的CO不會導致綜采面回風隅角CO持續(xù)超限。
　　(3)研制開發(fā)了煤常溫氧化實驗裝置，現場采樣，并進行了5

5、個典型煤層煤樣(1.3kg)常溫封閉氧化試驗。研究結果表明:神東礦區(qū)煤在小于20℃的常溫環(huán)境下能產生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，一定時間后達到一定濃度值后保持穩(wěn)定，煤樣產生CO濃度最大值為154～425 ppm，濃度穩(wěn)定時間一般在380～980 min。隨著氧化的進行，產生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)通過對煤常溫下惰性氣氛下CO脫附實驗和氧化環(huán)境下的多次氧化實驗研究，發(fā)現煤解吸與煤氧化過程中的CO釋放速率具有相似的過程，第一個小時內CO的釋放速率銳減，一段時間之后，CO釋放速率的減少趨勢放緩，并逐步趨于穩(wěn)定，并通過研究發(fā)現，煤的常溫氧化是CO釋放的主要原因。常溫氧化實驗過程中CO釋放速率的

7、倒數與時間的對數成線性關系，因此CO的釋放速率與時間的關系可表示為Rco=α/Int-b，可通過此公式可定量的研究CO釋放速率與氧化時間關系。
　　(5)煤常溫下多次氧化實驗表明:CO的釋放速率除了受到氧氣濃度和煤體表面活性位點的影響外，主要受到煤氧產生抑制反應的氧化產物影響。當這些氧化產物排空消除后，煤氧反應進程重新恢復，CO釋放速率上升。這一結論證明采空區(qū)浮煤反復在采空區(qū)漏風流的作用下不斷地產生CO并隨著采空區(qū)漏風運移到工作面

8、回風隅角，從而導致綜采面回風隅角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系函數，獲得了煤常溫下CO產生機理，煤的常溫氧化機制分為五個階段——“化學反應控制機制”、“過渡期”、“擴散控制機制”、“抑制控制機制”和“類燃燒反應機制”，研究結果可以為綜采面回風隅角CO超限治理提供理論依據。
　　(7)通過對綜采工作面采空區(qū)CO、O2氣體的現場觀測，并結合煤常溫氧化實驗結果，確定了采空區(qū)CO產生的危險區(qū)域，采

9、空區(qū)中CO氣體濃度在距離工作面60～100m的位置出現最大值，一般在71～230ppm間，然后在120m穩(wěn)定，CO在50ppm以內。
　　(8)通過建立工作面不同推進位置時的3D氣體運移CFD模型，研究分析了U型通風工作面氣體分布特征，在此基礎上，模擬分析了U型通風工作面采空區(qū)不同位置煤氧化產生CO氣體在采空區(qū)的分布特征，得出了CO氣體在采空區(qū)的運移規(guī)律。
　　(9)在大量的實驗和現場觀測的基礎上，建立了神東礦區(qū)綜采面回風隅

10、角CO安全及自燃預警濃度預測模型:Cco=(k1l1+k2l2）LH(1-φ)vCO/ηQ
　　利用該模型計算確定了神東礦區(qū)綜采面回風隅角CO安全及自燃預警濃度值，并與現場測定結果相吻合。確定了神東礦區(qū)綜采工作面正?；夭蓵r回風隅角CO安全濃度為85ppm，自燃預警濃度為350ppm。
　　(10)在對神東礦區(qū)開采技術條件及煤自燃特點，在大量現場觀測、實驗室研究、理論分析計算的基礎上，結合神東礦區(qū)現有的防滅火技術裝備條件，編制