侏罗纪煤自燃机理研究实施措施西安科技大学.docx

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侏罗纪煤自燃机理研究实施措施西安科技大学

侏罗纪煤自燃机理研究

实施方案

陕西陕北矿业集团公司

西安科技大学

2018年7月20日

侏罗纪煤自燃机理研究实施方案

1工程目标

1）确定陕北矿业侏罗纪煤层开采时工作面采空区煤自燃三带分布及危险区域；

2）掌握侏罗纪实验最短自燃发火期及煤自燃特征参数；

3）建立系统完善的侏罗纪煤自然发火早期预测预报指标及体系，煤层自燃预报指标性气体参数选择合理、可操作性强，预报精度高；

4）提出陕北矿业集团侏罗纪煤自燃防治技术及解决方案。

2研究内容

该工程的研究主要以韩家湾煤矿侏罗纪煤层为研究对象。

开展以下研究内容：

1）韩家湾煤矿侏罗纪煤层煤自燃发火全过程模拟实验，测试不同温度阶段煤自燃指标气体及温度变化特征；

2）对韩家湾煤矿煤样进行程序升温实验，研究不同粒径对煤自燃的影响规律；

3）在韩家湾煤矿选取典型的工作面进行采空区“三带”观测，研究采空区煤自燃三带规律及发火规律；

4）建立和完善侏罗纪煤层自燃监测及预报技术体系，

6）规范和完善工作面防灭火技术及系统装备。

3．实施方案

3.1大型煤自然发火全过程模拟实验

1）实验原理及目的

主要模拟现场实际的蓄散热情况、漏风状况及浮煤堆积厚度，以井下一般温度<15℃～30℃）作为实验起始温度，利用煤自身的氧化放热引起自然升温，最终导致自燃，通过连续检测实验炉内各点煤样的温度、气体的变化情况，计算出不同温度下的煤的放热强度、耗氧速率、各种气体的产生率等参数，以及测定煤的自燃倾向性及自然发火期

2）煤样采集和运输要求

在韩家湾煤矿主采煤层2-2煤的某一个工作面或掘进头，沿煤层厚度随机采集块度大于20mm原煤样（即未受到注水、注浆、喷雾、等外界防尘、防火因素干扰的混煤>2吨，用有内衬的双层编织袋密封包装（约50袋>，并注明各煤样采集地点、时间和煤层特点，尽快托运到西安科技大学矿上应用技术研究所。

在煤样采集运输过程中应特别注意以下几个方面：

1）每个煤矿应在安排实验日期前7天内将煤样送往西安科技大学。

2）煤样为井下工作面随机采集。

3）每个煤样重量不少于2吨。

4）煤样为新鲜原煤样，未受防火或防尘等措施的影响。

5）煤样必须标明采集时间、地点和煤层特点。

6）煤样在运输过程中应注意密封，避免直接与空气或雨水接触。

3）实验条件

[1]实验起始温度为室温；

[2]煤样粒度<30mm；

[3]最高温度200℃；

[4]实验煤量1500Kg左右；

[5]漏风强度0.005～0.05（m3/min.m2>；

[6]室验台环境设定温度在100℃以下时始终比煤温低1～3℃。

4）实验测试主要参数

在实验过程中，主要通过对煤体中温度和气体跟踪检测和取样分析，考察和测试煤温、氧气消耗量、一氧化碳产生量及其它气体的变化规律,主要可得到以下煤自燃特性参数和发火期:

[1]不同温度时煤样的氧化放热量及相应的最大升温速度；

[2]在不同温度时煤的耗氧速度、CO、CO2气体产生速度；

[3]自燃过程的各种指标气体；

[4]煤层自燃临界温度；

[5]煤自燃极限参数；

[6]煤温超过临界温度距发火的时间；

[7]煤层实验最短自然发火期。

3.2煤自燃程序升温

1）实验装置及工作原理

在一个直径9.5cm，长25cm的钢管中，装入煤量1kg右左，为使通气均匀，上下两端分别留有2cm左右自由空间<采用100目铜丝网托住煤样），然后置于利用可控硅控制温度的程序升温箱内加热，并送入预热空气，测定分析不同煤温时的气体成份，当温度达到要求后，停止加热，打开炉门，进行自然对流降温，并测定分析不同煤温时气体成份。

2）实验目的

本实验即是在程序升温箱中，对不同粒度的煤样分别进行加热升温，在不同温度情况下，测试不同粒度煤样的耗氧特性、CO、CO2、C2H2、C2H4、C3H8等气体产生量等自燃特性。

3）煤样采集和运输要求

<1）和煤自燃发火实验同时进行，煤样同时运送。

<2）程序升温实验单独进行，需采集煤样20kg，包装要求和大样实验一样。

3.3工业分析实验

1）实验目的

掌握韩家湾煤矿侏罗纪煤层的煤样的工业成分，为分析侏罗纪煤层机理提供依据。

2）实验原理

实验原理：

主要针对煤样水分、灰分、挥发分进行测量，不同煤种以及不同氧化阶段的煤样具备自己特有的灰分、水分和挥发分。

120min完成19个样品水分、灰分和挥发分仲裁分析，控温范围：

室温～999℃，控温精度：

±5℃，测试精度：

符合GB/T212-2008标准和美国ASTMD5142-2009标准要求。

3）实验系统装置

实验仪器：

5E-MAG6700型的工业分析仪

3.4煤自燃三带观测方案

为了掌握综放<采）面采空区漏风状况和三带变化规律，为自燃危险区域的判定和预测提供基础数据。

需要对示范煤矿的工作面采空区气体情况进行现场观测，根据现场实际调研资料，制定观测方案。

3.4.1观测目的

1）掌握实际开采条件下采空区浮煤分布规律、氧气分布规律和漏风规律；

2）确定工作面采空区三带划分指标，判定采空区三带范围及动态移动规律；

3）确定工作面自燃危险区域及工作面最小安全推进速度；

4）采空区在不同推进速度时的自燃危险性和实际条件下的自然发火期；

5）提出合理的防火措施。

3.4.2主要观测参数

1）CO浓度

2）O2浓度

3）CH4浓度

4）各测点温度

5）工作面日推进速度

6）工作面日回采率统计

7）顶板垮落情况描述

8）工作面供风量

9）工作面温度

3.4.3主要观测仪器仪表

风速测定仪

秒表

气相色谱仪

电阻表或万用表

3.4.4工作面及采空区观测测点布置方案

采空区的气体成份和温度观测采用埋管和埋设热电阻测定，采空区气体成份测定范围大约距工作面150m左右，约50m设一个测点，保持采空区内部进、回风侧各三个探头，上下顺槽同时观测。

待3号测点进入采空区150m后，即可结束观测。

预埋管采用2英寸钢管，在其中穿入三根8mm不同颜色的束管，每根束管负责一个测点的气样，为了防止采空区积水堵塞束管，则每个探头抬高0.5m以上，为了防止探头被挤压，同时在探头外用留有孔的铁箱罩住，具体见图1。

测温探头埋入2英寸管中与束管进气口平齐，引线从2英寸的钢管内拉出。

埋管探头具体设计如图2。

图1埋管观测探头布置图

图2工作面采空区三带观测测点布置图<

3.4.5观测材料清单

1）φ8束管<或硬塑管）1000m<含若干接头）；

2）φ1.5寸钢管1000m<带法兰）；

3）2m长φ8铜管两根；

4）取气泵两台<防爆真空泵，功率：

1.5kw，电压：

380V/660V）；

5）取气袋10个；

6）热电阻10个；

7）导线1000m。

3.4.6参数观测

采空区现场观测方案的实施，必须做到“三定”，即定人、定时、定仪器。

1）束管监测

检测参数主要有O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8，正常情况下，每天早班检测两次，工作面异常时，每班检测四次。

观测记录表见附表1。

2）人工观测

人工观测参数主要有工作面风量、O2、CO、CO2、及CH4浓度、温度、日推进度和出煤量，正常情况下工作面气体和温度情况每班检测一至两次<按工作面日常观测），风量、日推进度和出煤量每天检测并记录一次。

每周至少取气送地面气相色谱分析一次；若发现异常，至少每天一次，取气样送地面进行气相色谱分析。

3.5地面漏风对工作面开采的影响

1）测试目的

掌握地表漏风或者相邻煤层对开采工作面采空区的漏风影响，为煤自燃危险区域和危险程度判定提供依据。

2）测试原理

在需要考察的井巷进风风流中，连续稳定定量地释放SF6气体，然后分别在顺风风流方向设定的采样点采集气样。

如果沿途不漏风或者向外漏风，则沿途各点风流中的SF6浓度保持不变；如果沿途有漏风涌入时，会使井巷中SF6气体浓度发生变化呈下降趋势。

通过对采样点的SF6浓度变化的分析，即可求得漏风量。

3）示踪气体连续释放装置

示踪气体连续释放装置必须能保证气体连续稳定地释放，而且释放量可调节，整个系统必须有高度的气密性，图3为SF6示踪气体连续释放装置。

该装置由SF6气体钢瓶1、减压阀2、稳压阀3、稳流阀4和流量计5组成。

稳流阀调节控制释放量，SF6的稳定释放量为10~100ml/min。

注：

1—气体钢瓶；2—减压阀；3—稳压阀；4—稳流阀；5—流量计

图3SF6示踪气体连续释放装置示意图

4实施日程安排

1．2018年7月<工程启动，实施方案讨论并确定，成立工程组）

2．2018年8月<现场调研）

按照煤样采集要求，现场采集韩家湾2-2＃煤层煤样，送到西安科技大学进行不同条件下程序升温氧化实验及其它相关测试。

3．2018年8-9月<程序升温实验相关性研究分析及现场观测准备）

工程研究人员派往煤矿现场，熟悉现场，配合煤矿现场科技人员，共同制定现场观测工作方案，并做好现场观测准备工作。

4．2018年10—2018年5月<1.大型煤自燃实验测试及分析；2.现场观测）

10-12月：

在韩家湾煤矿侏罗纪煤层选取工作面进行采空区“三带”观测。

12月-2018年3月：

三带观测及报告编写。

2018年2月-4月：

在韩家湾煤矿煤样2吨，送西安科技大学进行大型煤自然发火实验测试分析。

5．2018年6月<工程中期讨论；实验和观测数据存在问题及补充）

工程组中期讨论，主要对阶段目标的完成情况进行总结分析，提出和解决工程进展中存在的问题。

并分析和处理实验与现场数据，根据需要，补测和完善相关数据。

6．2018年4-9月<对侏罗纪煤层自燃机理及规律进行总结；提出侏罗纪煤层煤自燃监测及治理方案）

7．2018年9-10月<资料整理，提交工程总结报告）

9．2018年12月<组织验收或鉴定）

5研究人员

工程负责人：

沈显华陕西陕煤陕北矿业有限公司高工/总经理

邓军西安科技大学教授/系主任

工程组成员：

吴文良陕西陕煤陕北矿业有限公司高工

翟小伟西安科技大学副教授

郭旺生陕西陕煤陕北矿业有限公司高工

王兆平陕西陕煤陕北矿业有限公司工程师

卫鹏陕西陕煤陕北矿业有限公司工程师

费金彪西安科技大学工程师

王伟峰西安科技大学工程师

刘增平陕北矿业韩家湾煤矿总工程师

姜华西安科技大学研究生

周洋西安科技大学研究生

6经费概算

工程研究开发总经费：

80万元；

1）侏罗纪煤层自燃特点及发火规律调研及分析5万元

2）侏罗纪煤层自燃性测试及主要影响因素研究22万元

煤自燃发火全过程实验测试及分析<韩家湾2T煤样）15万元

煤煤自燃氧化程序升温实验及分析<韩家湾煤样）4万元

侏罗纪煤层工业分析<取2-2煤层）及耗氧量测试3万元

3）煤层自燃早期预报指标及监测预报技术研究6万元

4）综放面自燃危险区域判定技术研究22万元

煤层自燃危险区域判定指标及条件3万元

采空区现场观测及数据分析15万元

采空区自燃危险区域判定技术4万元

5）浅部煤层开采地面漏风规律测试及研究10万元

6）侏罗纪矿综放面综合防灭火技术及实施方案15万元

侏罗纪煤层开采综合防灭火技术方案8万元

防灭火工程指导7万元