综放面巷道煤层自燃危险区域判定方法.pdf_大学文库

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.003 第25卷第1期北京科技大学学。报 Vol.25 No.I 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 综放面巷道煤层自燃危险区域判定方法徐精彩文虎张辛亥邓军西安科技学院能源系，西安710054 摘要根据大型煤自然发火实验测定的松散煤体放热强度、耗氧速率、粒度影响函数，研究了对流换热系数与巷道供风量的关系，结合现场实测的煤体温度、空气温度、巷道几何尺寸、供风量和松散煤体内氧浓度等参数，应用能量守恒原理，提出了巷道顶煤和松散煤柱自燃的极限参数计算方法，建立了巷道煤层自燃危险区域的判定条件及划分方法，给出了不自燃区域、可能自燃区域、易燃区域和极易自燃区域的量化指标关键词综放面；巷道；自燃危险区域：放热强度分类号TD752.1 易燃特厚煤层综放面进、回风巷道沿底板掘标准氧浓度时的放热强度和耗氧速率；C。,C,C 进，巷道顶部留有几米厚的顶煤；有些矿为了提分别为新鲜风流氧浓度、实验台内部1点和2点高资源回收率和避开应力集中带，巷道只留设的氧浓度：Q为实验台供风量；”为实验台内煤体 23m小煤柱，沿相邻采空区掘进.由于受采掘的空隙率；S,Z,Z,r分别为实验台的断面积，1,2两应力分布、相邻工作面采动压力以及地质构造影点的标高和径向坐标；p,C:P,C,分别为松散煤响，巷道顶煤经常破碎、冒顶或离层，沿空侧小煤体和空气的密度和质量热容：入为煤体导热系柱压裂、压酥或掘透煤柱，造成综放面巷道自然数；T为煤体温度；（④为粒度影响函数，由实验发火频繁.高产高效矿井工作面推进速度很快，测定：d表示当量平均粒径要求巷道掘进速度也快，往往巷道掘进与巷道防灭火工作发生冲突，顾此失彼，造成被动.巷道顶 2顶煤自燃极限参数煤或沿空侧煤柱并非都自燃，自燃需要一定的条综采放顶煤工作面巷道煤层自燃与松散煤件，本文提出巷道顶煤和沿空铡破碎煤体月燃危体厚度、对流散热强度、煤体当量粒径、氧的渗透险程度的预测方法，根据该预测对巷道自燃危险量有关.从单个参数考虑，要引起煤自燃都有一区域进行分类，按自燃危险区域的不同类别，采个极限条件，超出该极限范围的煤体不会自燃取不同的防灭火措施，有效合理地防治巷道月然巷道顶煤和煤柱由于漏风供氧条件和散热条件发火. 不同，极限参数的计算方法也不同 21巷道风流与煤壁的对流换热系数 1煤自燃特性参数的实验测定根据文献[3]巷道风流努赛尔数Wu可近似为： [Wu=0.664-Ren.Prin Re3x105 (4) 氧速率和放热强度可由下式推算出： (D=、Cn s置z号式中，表示巷道风流雷诺数Re号，Pr为空 (1) gnac8票0mcbz1a) OT 气的普阴特数，受069：S为巷道断面积：v 分别为空气的运动粘性系数和动力粘性系数；2 考虑煤样粒径的影响，则为巷道风流量；d为巷道当量直径.对于巷道风 (V8(T,d)=o(d)Vo(T) (3) 流，空气对流换热系数与努赛尔数Wu关系为： qo(T,d)=p(d)-qo(T) a=N.入./d (5) 式中，9a(T),V%.(T)分别为标准氧浓度时的放热强度和耗氧速率；g%(T,d,8(Td)分别为标准粒度、把式(4)代入式(5)得： A2,(Re3×10 收稿日期2001-1108徐精彩男，43岁，教授，博士生导师 ★国家自然科学基金资助项目(No.59974020):陕西省自然科其中 A,=0.664u6Cg2(dsv) 学基金资助项目(No.2001D06) A2=0.0296(4Ca)n.(sdv)s

第卷第期年月北京科技大学学报匕。综放面巷道煤层自燃危险区域判定方法徐精彩文虎张辛亥邓军西安科技学院能源系，西安摘要根据大型煤自然发火实验测定的松散煤体放热强度、耗氧速率、粒度影响函数，研究了对流换热系数与巷道供风量的关系结合现场实测的煤体温度、空气温度、巷道几何尺寸、供风量和松散煤体内氧浓度等参数，应用能量守恒原理，提出了巷道顶煤和松散煤柱自燃的极限参数计算方法，建立了巷道煤层自燃危险区域的判定条件及划分方法，给出了不自燃区域、可能自燃区域、易燃区域和极易自燃区域的量化指标关键词综放面巷道自燃危险区域放热强度分类号易燃特厚煤层综放面进、回风巷道沿底板掘进，巷道顶部留有几米厚的顶煤有些矿为了提高资源回收率和避开应力集中带，巷道只留设一小煤柱，沿相邻采空区掘进由于受采掘的应力分布、相邻工作面采动压力以及地质构造影响，巷道顶煤经常破碎、冒顶或离层，沿空侧小煤柱压裂、压酥或掘透煤柱，造成综放面巷道自然发火频繁高产高效矿井工作面推进速度很快，要求巷道掘进速度也快，往往巷道掘进与巷道防灭火工作发生冲突，顾此失彼，造成被动巷道顶煤或沿空侧煤柱并非都自燃，自燃需要一定的条件本文提出巷道顶煤和沿空铡破碎煤体自燃危险程度的预测方法，根据该预测对巷道自燃危险区域进行分类，按自燃危险区域的不同类别，采取不同的防灭火措施，有效合理地防治巷道自然发火标准氧浓度时的放热强度和耗氧速率，，，已分别为新鲜风流氧浓度、实验台内部点和点的氧浓度为实验台供风量为实验台内煤体空隙率，，乙，乙，分别为实验台的断面积，，两点的标高和径向坐标几，几，分别为松散煤体和空气的密度和质量热容挤。为煤体导热系数为煤体温度诫刃为粒度影响函数，由实验测定表示当量平均粒径煤自燃特性参数的实验测定根据大型煤自然发火实验〔，，测定的参数，耗氧速率和放热强度可由下式推算出顶煤自燃极限参数综采放顶煤工作面巷道煤层自燃与松散煤体厚度、对流散热强度、煤体当量粒径、氧的渗透量有关从单个参数考虑，要引起煤自燃都有一个极限条件，超出该极限范围的煤体不会自燃巷道顶煤和煤柱由于漏风供氧条件和散热条件不同，极限参数的计算方法也不同巷道风流与煤壁的对流换热系数根据文献巷道风流努赛尔数可近似为一 “ · ’ “ ’ ’ ’ ’ “ “ “ ’ 刀扮二 · ，‘气尸护，‘，。一已力二 · · 乙一乙，。己二刁，，己、、义二牙幸沪 ‘ 七。万石十甘 ’ ‘ 七花牙于一式气不丁十诵万万 ‘ 七灯 ‘ 以泛山名创式中，表示巷道风流雷诺数，一爵为空气的普朗特数冷勺 · ￡为巷道断面积一刀考虑煤样粒径的影响‘ ，则殊缪矛一吧 ’ 价乡乙，势刃 · 一〕式中，又力，乃分别为标准氧浓度时的放热强度和耗氧速率呱，刃，此天司分别为标准粒度、分别为空气的运动粘性系数和动力粘性系数为巷道风流量为巷道当量直径对于巷道风流，空气对流换热系数与努赛尔数关系为‘ 从 · 几把式代人式得收稿日期一书徐精彩男，岁，教授，博士生导师国家自然科学基金资助项目。，陕西省自然科学基金资助项目其中， “ 。一 “ ， · · · ，， · 又 “ · 产’ ，，，， “ · 暇 ” · · ， · 一 ’” 吠 · 户 ’” · ’ · ’ 一 ’” DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．01．003

●10e 北京科技大学学报 2003年第1期 22顶煤自燃所需的最小浮煤厚度自燃规律类似于停止推进的工作面采空区遗煤由于巷道顶煤与顶板离层，中间有一空气自燃.因此，巷道煤柱或沿空侧相邻采空区遗煤层，故可近似认为顶板为绝热层，顶煤产生的热自燃的极限参数为：量仅能通过表层巷道风流对流换热带走，巷道顶 8(T:-T) 煤内部温度近似认为均匀，则顶煤热量积聚的条 qo(T.)-pcQ(T:-T:)x' 件为： Ca4+pw.0到 x Qs=go(T:,d).hS3>a(T:-T:)-S,=Qr (7) 式中，T,T,分别为顶煤和巷道风流的平均温度；不-d.ep8 eCd红训 b·g8.(T) S,为巷道顶煤表面积；h为松散顶煤厚度， hza-(T-T-h 4工作面煤层自燃危险区域划分 g8.(T,d动 (8) 即当顶煤厚度h>hm时才有可能引起自燃. 综合上面巷道自燃极限参数分析，可以得知 23巷道顶煤自燃的最小氟浓度巷道煤层自燃的必要条件是：巷道顶煤实际放热强度与氧浓度成正比，当 (h>h(C>Cn(d>d) (12) 顶煤放热量大于散热量时，顶煤才可能自燃，即对于给定巷道，煤体破碎情况、空隙率都是 o(T.d-h-S,>a(T.-T)S C 定数，则氧浓度反应出煤壁或顶煤的漏风强度，则 C>a(C-TC go(T,T.)h =Cmin 当量粒径反应出煤壁或顶煤的破碎程度.也就是 (9) 说，巷道煤层自燃的必要条件是煤体足够破碎，式中，C为顶煤内的平均氧浓度，即 C≈C+C 漏风供氧条件良好，松散煤体堆积的厚度足够， 2 三个条件同时具备的地方才可能产生煤体自燃 C为顶煤在高度h处的氧浓度.则式(9)又可化为：由式(12)知，不自燃区域显然满足下式： c.2C.-c-c (10) (h>hmi)U(d2d(C>C) (13) 当顶煤离层区氧浓度C满足式(10)时，顶部浮煤 4.1可自燃的浮煤厚度才有可能自然. 在式（⑦）中没有考虑氧浓度的影响，认为氧浓 2.4松散顶煤的最大当量粒径度在顶煤内任一点均匀，且为C。,也没有考虑漏煤体破碎程度关系到单位煤体外表面积总风流的热焓变化及松散煤体间的传导散热.通常量，直接影响煤氧复合速度与放热强度，由于松根据现场测定，顶煤内平均氧浓度在16%20%，散煤体分布的非均匀性，很难进行理论描述，故沿空侧平均氧浓度在8%~20%.传导散热量与松采用当量粒径d近似反应破碎程度散煤体厚度有关，厚度越大，传导散热量越小.通根据实验研究，当量粒径与放热强度近似常浮煤厚度大于h时，沿空侧浮煤顶底板传导认为是对数关系，即：散热量占放热量的40%~80%，顶煤传导散热量占 g=a-bind 20%~60%.漏风流的焓变带走热量占放热量的比 (a,b>0), 例通常较小，占10%一20%.综合考虑氧浓度对放则 9=6(,ae-加} 热量的影响，传导散热和风流焓变带走热量，可当放热量大于散热量时，顶煤有可能引起自燃，认为：当浮煤厚度hnar-7-s，燃；(1.5-2)hm(2-2.5)hm 「aa(Te-T)1 极易自燃则 ad.exp (11) 42可自燃的煤体破碎程度式中，d,d分别为实际当量粒径和参考当量粒煤体破碎程度不同，煤的耗氧速率和放热强径；a,b分别表示粒度对放热强度影响函数的系度不同，但煤体破碎程度在现场情况下很难量数，由实验测定化.总的来说，煤体破碎程度越大，平均粒度越 3遗煤自燃极限参数小，煤体破碎程度在现场仅能用非常破碎、破碎和不破碎三个模糊概念来表述，像断层带、构造由于漏风规律和散热条件不同，巷道煤柱或带、采空区浮煤通常认为非常破碎，空隙率也大，沿空侧相邻采空区遗煤与巷道顶煤的自然发火漏风性好(@dm).其他地点属于破碎区，破碎

北京科技大学学报年第期顶煤自燃所需的最小浮煤厚度由于巷道顶煤与顶板离层，中间有一空气层，故可近似认为顶板为绝热层，顶煤产生的热量仅能通过表层巷道风流对流换热带走，巷道顶煤内部温度近似认为均匀，则顶煤热量积聚的条件为放二够又，刃 · 凡双一几 · 凡外式中，，几分别为顶煤和巷道风流的平均温度凡为巷道顶煤表面积为松散顶煤厚度、自燃规律类似于停止推进的工作面采空区遗煤自燃因此，巷道煤柱或沿空侧相邻采空区遗煤自燃的极限参数为体，、。互里二五」一融号 · 城 ” 焉轰雳一 ” 。 “ ，即当顶煤厚度。时才有可能引起自燃巷道顶煤自燃的最小氧浓度巷道顶煤实际放热强度与氧浓度成正比，当顶煤放热量大于散热量时，顶煤才可能自燃，即勃从双，孙” · 凡 “ · 工一助“ 乙嘴瑟黔一式中，刃为顶煤内的平均氧浓度，即侧已为顶煤在高度处的氧浓度则式又可化为氏一一 · 备毙六一 ‘ ‘ 当顶煤离层区氧浓度满足式时，顶部浮煤才有可能自燃松散顶煤的最大当粒径煤体破碎程度关系到单位煤体外表面积总量，直接影响煤氧复合速度与放热强度由于松散煤体分布的非均匀性，很难进行理论描述，故采用当量粒径刁近似反应破碎程度根据实验研究 ‘，，，当量粒径与放热强度近似认为是对数关系，即景一 ” ‘· 备，曰 · 一一汀，、，、则、一诚，卜一蓄当放热量大于散热量时，顶煤有可能引起自燃，粼，耐。一。粤 · ， · 、，。 · 一、，、 “ 少刁一誉一裁舞潇长卜则即式中，凤瓦分别为实际当量粒径和参考当量粒径，分别表示粒度对放热强度影响函数的系数，由实验测定遗煤自燃极限参数由于漏风规律和散热条件不同，巷道煤柱或沿空侧相邻采空区遗煤与巷道顶煤的自然发火规律也不相同巷道煤柱或沿空侧相邻采空区，工作面煤层自燃危险区域划分综合上面巷道自燃极限参数分析，可以得知巷道煤层自燃的必要条件是。。刁瓦、对于给定巷道，煤体破碎情况、空隙率都是定数，则氧浓度反应出煤壁或顶煤的漏风强度，当量粒径反应出煤壁或顶煤的破碎程度也就是说，巷道煤层自燃的必要条件是煤体足够破碎，漏风供氧条件良好，松散煤体堆积的厚度足够，三个条件同时具备的地方才可能产生煤体自燃由式知，不自燃区域显然满足下式人人口夕之虱，。可自燃的浮煤厚度在式中没有考虑氧浓度的影响，认为氧浓度在顶煤内任一点均匀，且为，也没有考虑漏风流的热烩变化及松散煤体间的传导散热通常根据现场测定，顶煤内平均氧浓度在一，沿空侧平均氧浓度在一传导散热量与松散煤体厚度有关，厚度越大，传导散热量越小通常浮煤厚度大于。时，沿空侧浮煤顶底板传导散热量占放热量的一，顶煤传导散热量占一漏风流的烩变带走热量占放热量的比例通常较小，占一综合考虑氧浓度对放热量的影响，传导散热和风流烩变带走热量，可认为当浮煤厚度戴一呱。有可能自燃一，。 ‘ 一易自燃一，。极易自燃可自燃的煤体破碎程度煤体破碎程度不同，煤的耗氧速率和放热强度不同，但煤体破碎程度在现场情况下很难量化总的来说，煤体破碎程度越大，平均粒度越小，煤体破碎程度在现场仅能用非常破碎、破碎和不破碎三个模糊概念来表述像断层带、构造带、采空区浮煤通常认为非常破碎，空隙率也大，漏风性好口疏、像煤壁、煤柱完整地带则认为不破碎归》虱动其他地点属于破碎区，破碎

徐精彩等综放面巷道煤层自燃危险区域判定方法区应有明显能观察到的松散体和破碎特征自燃危险区域的划分根据巷道煤层自燃危险区域判定条件、可能自燃的浮煤厚度及煤体破碎程度分析，可将巷道煤层自燃区域划分为可能自燃、易自燃和极易自燃三类可能自燃价 ‘ 「。 ‘ 一。」示氨。易自燃少一。 ‘ 一示属。、极易自燃少氏、【一。承疏。、应用某矿巷道断面为，，掘进期间巷道供风量为一，生产期间巷道供风量为一则由式和式可得掘进期间一，，，尼尸，一，一一生产期间一，，扩巧尸，‘，一，一一掘进时实测巷道风流温度为 ℃ ，取平均值一‘ ， · · ℃ 生产时实测风流温度为 ℃ ，取平均值一 ‘ ， · · ℃ ，则由式可得出巷道顶部极限浮煤厚度见表从对流换热系数二一可知生产期间巷道表面散热比掘进期间大得多，从表可看出掘进时煤自燃极限浮煤厚度比生产时小得多，说明掘进时巷道松散煤体更容易发生自燃表抽巷道顶部极限浮煤厚度煤温 ℃ 。乃闪 · 一， · 一 ’ 掘进时二，。生产时了，结论巷道煤层自燃可划分为顶煤和煤柱两部分，每一部分引起自燃的蓄热条件不同，故极限参数计算方法也不同巷道煤层自燃主要取决于松散煤体厚度、煤体内的氧浓度和煤体破碎程度根据浮煤厚度、破碎程度和煤体内的氧浓度，可以把巷道煤层划分为不自燃、可能自燃、易自燃和极易自燃四个区域根据危险区域的判别，可在不同的生产时期采取不同的防灭火措施，真正做到预防为主参考文献徐精彩，文虎，葛岭梅，等松散煤体低温氧化放热强度的测定和计算煤炭学报，，文虎，徐精彩，葛岭梅，等煤自燃性测试技术及数值分析北京科技大学学报，，王启杰对流传热传质分析「西安西安交通大学出版社，赵以蕙矿井通风与空气调节徐州中国矿业大学出版社，徐精彩，许满贵，文虎，等煤氧复合速率变化规律研究煤炭转化，，徐精彩，文虎，邓军，等煤自燃极限参数研究火灾科学，，一尤刀，矽百扮，刁刃，，，，，，，，，仰，，，，，一