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国内外煤炭自然发火预测预报技术综述.doc

国内外煤炭自然发火预测预报技术综述

天涯
2014-02-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《国内外煤炭自然发火预测预报技术综述doc》,可适用于工程科技领域

国内外煤炭自然发火预测预报技术综述国内外煤炭自然发火预测预报技术综述邓军 徐精彩 阮国强 王秀林摘 要:就近几十年来国内外在煤炭自然发火预测预报方面的一些主要成果进行介绍对各成果的优缺点进行分析并指出进一步研究煤炭自然发火预测预报技术对煤矿的安全生产具有十分重要的意义。关键词:煤炭自燃火灾预测矿井安全中图分类号:TD  文献标识码:A  煤层自燃火灾危及人员生命烧毁设备及有用资源严重地危害着矿井安全与正常持续生产早已成为煤炭行业广为关注并力图治理的主要灾害之一。近年来为消除煤炭自燃火灾的发生世界各相关研究机构均对其产生的机理及其化学物理间的相互作用进行和正在进行着深入地研究以期开发出更为可靠的预测预报方法研制出性能更为可靠的检测仪器防患于未然最大限度地消除其危害。REVIEWOFTHEPREDICTIONANDFORECASTINGTECHNIQUESOFCOALSELFHEATINGBOTHATHOMEANDABROADDENGJun XUJingcai RANGuoqiang WANGXiulin(DeptofMiningEngineering,Xi'anUniversityofScienceTechnology,Xi'an,ChinaBaodianCoalMine,Zoucheng,China)Abstract:ThelastedprogressonthepredictionandforecastingtechniquesofcoalselfheatingisintroducedAndtheadvantagesanddisadvantagesofthesetechniquesareanalyzedTheauthorspointoutthatit'sofsignificancetostudytheselfignitionmechanismandthepredictionandforecastingtechniquesofcoalselfheatingKeywords:coalselfignitionfireforecastingminesafety 预测技术  预测技术是指在煤处于低温氧化阶段(即潜伏期)还未出现自然发火征兆之前仅根据煤的氧化放热特性和实际开采条件超前判断松散煤体自燃的危险程度、自然发火期及最易自燃区域的一种技术。预测技术主要有自燃倾向性预测法、综合评判预测法、统计经验法和数学模型预测法等种。 自燃倾向性预测法  自燃倾向性预测法主要是根据煤自燃倾向性不同划分煤层自然发火等级以此区分煤层的自燃危险程度从而采取相应的防灭火措施。  年代前国外对煤自燃倾向性的测试方法主要以煤的氧化性为基础大体可以分为二类:一类是化学试剂法。这类方法主要以双氧水、亚硝酸钠、联苯胺等化学试剂取代氧把煤氧缓慢的氧化过程人为加速考察煤在试剂作用下的氧化速度和着火点其中被公认的方法有:奥尔宾斯基法(CW,Olpinski)(波)、奥尔莲斯卡娅(ГЛОрлеанская)维谢洛夫斯基(ВСВеселовскиЙ)着火点温度降低值法[](苏)、马切雅什法(ZMaciejas)(即双氧水法)等。另一类是吸氧法这类方法主要有静态吸氧法和动态吸氧法。静态吸氧法是把一定量的煤样置于一个恒温的密闭容器然后在该容器内充满氧气隔一定时间考察氧的减少量动态吸氧法是让氧以一定的速度流过煤样考察煤样的吸氧量。  年代后美国研究出利用绝热炉(adiabaticheatingoven)[]测定煤炭最小自热温度评估煤炭自燃倾向性加拿大采用静态恒温法(staticisothermal)、可燃性法(ignitability)、绝热(adiabatic)和动态法(dynamic)[]研究煤的自燃倾向性土耳其采用非恒温动态法(nonisothermaldynamicmethod)[]测试煤的自燃临界温度和CO产生率预测煤的自燃倾向性南非采用由计算机自动控制的绝热量热法(adiabaticcalorimeter)[]预测煤的自燃倾向性。  我国从年代初期即开展对煤炭自燃倾向性鉴定方法的研究先后研究了克氏法、着火点温度降低值法、双氧水法及静态容量吸氧法但由于各种方法所存在的缺点和客观原因我国一直沿用着火点温度降低值法(即固态氧化剂法)利用氧化样与还原样的着火点温度差及原煤样的着火点温度两个指标来划分自燃倾向性。但着火点温度降低值法存在一些缺点:①使用的联苯胺和汞等化学试剂对人体有危害②因部分煤样不爆而无法分类③仪器装置和测量系统落后。为此年代初曾进行过静态吸氧法和双氧水法的研究意在克服着火点温度法存在的缺陷建立更完善的、新的自燃倾向性鉴定方法但是研究工作结束后没能得到推广和应用。  进入年代我国推广使用色谱动态吸氧法。该方法把色谱仪中分离气体的色谱柱换成装煤样的试管测定煤样对氧气的物理吸附量并以某一温度(℃)下每克干煤的吸氧量来划分自燃倾向性。该方法测定系统先进操作简单吸氧量可由色谱处理机自动计算缩短了测试周期提高了工作效率但在伴有煤氧化学吸附和反应时氧吸附量难以计算且煤的吸附性能亦受煤岩组份、孔隙结构、粒度组成、水分含量等因素的制约。  以上煤自燃倾向性测试方法仅考察了煤与氧的作用速度和作用量而没有考察其作用的效果即热效应也没有考察它们随煤温度变化的动态趋势因而无法真实全面地反映出煤的内在自燃性与煤实际开采条件下自燃的实质相差甚远。如化学试剂法要先对煤样进行化学预处理然后混以固态氧化剂并加热使其在人为强制限定条件下相互反应这与现场实际暴露于空气中的煤在低温下(~℃以下)与空气中的氧缓慢地自由地氧化放热热量逐渐积聚引起煤体升温的过程相差甚远难于做到化学反应过程和反应条件相似即无法真实全面地反映出实际条件下煤体的自燃倾向性。  因此煤层自燃倾向性预测法仅能粗略判断出煤层的自然发火危险程度不能确定实际条件下松散煤体的自燃危险程度、可能自燃区域和发火期。因此近年来世界各主要产煤国对煤层自燃的预测主要朝着准确预测实际条件下松散煤体自然发火期和自燃危险程度的方向努力。并先后建立了模拟煤层自燃过程的大型自然发火实验台(其中法国的实验台装煤t美国的t[]前苏联的t英国的t日本的t新西兰的t中国的t和t[])根据实验台实验结果分析预测实际开采条件下煤炭自燃危险程度。该技术较好地模拟了煤炭实际条件下的自燃过程其测试的自燃倾向性与实际情况基本相符但该实验模拟预测技术模拟条件单一不能完全适应煤矿井下复杂多变的条件实验模拟工作量大周期长影响干扰因素多。 综合评判预测法  鉴于煤矿实际情况极为复杂难于把影响煤层自燃危险程度的各种因素尽可能多地加以兼顾且各种因素存在许多不确定性难以用经典数学的方法定量化。因此为预测实际开采条件下煤层的自燃危险性我国和美国根据影响煤层自燃危险程度的内、外因素煤的自燃倾向性、地质赋存条件、通风条件、开采技术因素和预防措施等进行主观判断分析评分然后应用模糊数学理论逐步聚类分析根据标准模式计算聚类中心对开采煤层自燃危险程度进行综合评判预测[~]。原苏联和波兰等国把实验室测定法与井下自然条件结合起来预测井下自然发火危险程度尤其是波兰已取得进展。它把复杂的外界因素归纳为地质、开采和通风条件等个方面因素Si再和煤自燃倾向性指标SZb(带灰份指标)相加即得矿井自然发火危险程度指标:。匈牙利根据自燃火灾发生频率、工作面推进速度、瓦斯涌出量、工作面参数以及煤的活化性能等指标的关系分析并确定出回归函数然后计算出实际条件下总的火灾频率来预测煤层自然发火危险程度。这些方法都是利用大量的统计资料分析煤自燃主要因素的影响程度粗略预测煤层自然发火危险程度而对发火期以及可能发火的区域则无法进行预测所以该方法只能定性不能定量。 统计经验预测法  统计经验预测法是建立在已发生自然发火事故统计资料基础上分析预测巷道松散煤体实际开采条件下的自燃危险性。根据巷道自燃事故的统计资料分析巷道自燃多发生在冒顶区、地质构造带、沿空侧、停采线附近。随着综放无煤柱技术的推广由于沿空巷道沿底板一次掘进巷道服务时间长相邻采空区留有大量浮煤且已氧化升温因此巷道沿空侧自然发火几率较大。上述结论是基于统计资料在分析火灾原因的基础上获得的。这种方法只能根据巷道实际情况和自然发火统计资料粗略判断巷道可能的发火区域和高温点位置。 数学模型模拟计算预测法  近年来美国、日本、澳大利亚[]和法国等国针对采空区或地面煤堆的自燃条件根据传热、传质学和Arrhenius公式建立了多种煤自然发火数学模型数值模拟煤的自燃过程预测采空区或煤堆的自然发火危险性。如日本利用等效暴露时间(exposureequivalenttime)法估计煤的放热速率数值模拟煤层暴露空气的温度、氧浓度变化过程以预测煤堆的自然发火危险程度[]。澳大利亚建立有源的非稳态自然发火模型研究预测煤的自燃性其源项与温度符合阿氏方程与氧浓度成正比[]。  “八五”期间西安矿业学院在煤低温自然发火实验模拟和综放面采空区大量现场跟踪观测的基础上根据对采空区三带划分和综放面采空区自燃主要影响因素等理论分析结果建立了综放面自然发火动态预测模型。该预测模型技术经过大同矿务局忻州窑矿多个综放面的预测验证其预测精度较高能满足现场需要。但由于实际开采条件十分复杂影响煤自燃的因素众多该预测模型是针对大同矿区三硬特厚煤层综放面建立的模型[~]因此它仅能预测大同矿区综放面采空区可能自燃的区域和实际发火期适用范围较小。 预报技术  预报技术是指煤层开采后松散煤体氧化放热引起升温进入自热阶段在煤体冒烟和出现明火之前根据煤氧化放热时引起的标志气体、温度等参数的变化情况较早发现自燃征兆判断自燃状态的技术。目前预报方法主要有标志气体分析法、温度检测法两类预报的手段主要有人工取样监测分析预报和实时监测预报系统。 标志气体分析法  标志气体分析法预报技术主要利用一氧化碳、乙烯、乙炔、链烷比等作为指标气体预报煤自燃的发展过程。由于煤炭在氧化自热阶段会分解出反映自燃征兆的气体产物如COCOCmHn等。当煤质一定时其生成物的种类以及温度等数量有一定的规律。因此用仪器分析和检测煤在自燃过程中释放出的这些气体作为早期预报矿井火灾的方法在煤矿中得到广泛的应用。气体分析法有人工采集气样分析和仪器巡回采集气样分析两种。从整体上讲气体分析法目前比较完善相应的分析技术和监测系统都已配套可以作为早期预报巷道高温区及氧化自热程度的一种有效方法。但由于它所采用的指标气体都是煤自燃发展过程煤温升高产生的氧化产物气体只能在煤已经自热或自燃时才能检测到而且产物量较少并随着风流流动因此该预报技术的问题是无法搞清高温区域、自燃发展速度和趋势、以及煤体可能达到的温度。近十几年来科研人员一直试图解决预报技术中存在的问题其相应的技术主要有:采用释放在某温度段发生分解的标志气体测定采空区煤体温度利用六氟化硫(SF)示踪气体判断采空区高温点所在区域等。这些技术目前正处于研究阶段。另外阜新矿业学院在“七五”期间根据采空区多个测点的CO浓度值建立了研究采空区气体流动数学模型和采空区CO浓度分布数学模型并联合求解以判断CO涌出源位置(高温点位置)进而预报采空区自燃危险区域的方法。该方法假定CO仅由高温点产生虽然在某些条件下能达到与实际情况较接近的结果但需要事先在采空区设置多个测点而且对实测数据的质量要求较高(CO测定仪精度达×风压精度达Pa)这在实际应用中还有很大困难。 测温法  巷道松散煤体及周围介质温度的升高直接反映着煤的氧化程度。所谓测温法就是测定井下煤与周围介质的温度变化情况。测温法是发现煤炭自热和探寻高温点及火源的最直接、可靠的方法但巷道松散煤体内部温度的测温技术尚未完全解决。目前探测煤的自然发火的测温仪主要有以下两种。  )红外线测温仪:美、俄、英、德等国已成功地利用红外线技术预测预报井下自燃火灾如红外线测温仪和红外热成像仪成功地检测了煤壁、煤柱与浮煤堆的自燃其中美国使用的红外线探测仪是“米开莱型”和“普诺贝艾”型红外热成像仪英国使用“”型红外成像仪和改良型“MEL”型直流热成像仪原苏联采用“卡瓦思替”红外辐射指示仪。试验表明红外技术对于测量煤堆、露头、巷壁煤柱的自燃十分有效但是它只能探测出物体表面与仪器垂直物体的温度而且要求中间无遮挡物因此不适应于巷道松散煤体内部或相邻采空区内部的温度检测。  )温度传感器:目前常用的温度传感器有热电阻、热电偶、AD温度传感器等。热电阻和热电偶的工作原理是热电效应。其预测巷道松散煤体可能发火区域和高温点的方法是在产生自然发火几率较高的区域埋设测温热电偶探头远距离连续检测巷道松散煤体的温度研究其温度分布及温度变化的规律。这种方法具有预测可靠、直观的优点但是由于点接触预测预报范围较小安装、维护工作量大特别是探头、引线极易破坏。  气体分析法、温度检测法以及以气体、温度为监测目标和预报指标的安全监测系统和束管监测系统均为实时监测预报其预报的前提是煤已经自热或自燃。 结论  综上所述目前的预测、预报技术虽然对煤炭自燃火灾的防治起到很大作用但仍不能满足生产高度集中的综采放顶煤开采技术的需要尤其对综放无煤柱开采工作面由于顺槽沿采空区掘进且服务时间较长巷道火灾增多仍制约着高产高效开采技术的发展。因此深入研究煤的自燃机理及实际条件下煤炭自然发火预测预报技术提高预测预报准确率以争取时间提前采取措施改变煤炭自燃条件使有限的防灭火资金最大限度的发挥效益确保不受自燃火灾的威胁对煤矿的安全生产具有十分重要的意义。基金项目:"九五"攻关项目棗巷道自然发火机理及防治技术研究()作者简介:邓军()男四川大竹人博士生从事煤自燃机理及防治技术研究作者单位:邓军 徐精彩 王秀林(西安科技学院采矿工程系陕西西安 )     阮国强(兖州矿务局鲍店煤矿山东邹城 )参考文献[] 查哈罗夫ЕИ煤炭自燃的化学活性鉴定[J]工业劳动安全():~[] SmithAC,LazzaraCPInhibitionofSpontaneousCombustionofCoal,ReportofInvestigationUnitedStates[R]BureauofMines,Pittsburgh,PA,USA~[] FengKKSpontaneousCombustionofCanadianCoals[J]CIMBulletin,,():~[] BtooksKevin,SvanasNicoloas,GlasserDavidCriticalTemperaturesofSomeTurkishCoalsduetoSpontaneousCombustion[J]JournalofMines,MetalsFuels,,():~[] GouwsMJ,GibbonGJ,WadeL,PhillpsHRAdiabaticApparatustoEstablishtheSpontaneousCombustionPropensityofCoal[J]MiningScienceTechnology,,():~[] LazzaraCharlesPOverviewofUSBureauofMinesSpontaneousCombustionResearch[A]SessionPapersAmericanMiningCongressCoalConvention[C]PulbbyAmericanMiningCongress,Washington,DC,USA~[] 徐精彩煤炭自燃过程研究[J]煤炭工程师():~[] 陈立文煤层自燃危险程度识别的研究[J]煤炭工程师():~[] 许波云范明训运用模糊聚类分析法综合预测煤层自燃危险性[J]煤炭学报():~[] NordonPSpontaneousCombustion,InteractiveHeatandMassTransferDrivenbyaChemicalReaction[A],ThirdAustralasianConferenceonHeatMassTransfer[C]StLeonards:,():~[] SasakiKyuro,Hiroshi,Otsuka,KazuoSpontaneousCombustionofCoalintheLowTemperatureRangeapplicationofExposureEquivalenttimetoNumericalAnalysis[J]JournaloftheMiningandMetallurgicalInstituteofJapan,,():~[] ZhuMingshan,XuYingqin,WuJiangComputerSimulationofSpontaneousinGoaf[A]ProceedingsoftheUSMineVentilationSymposium[C]PublbySME,Litteton,CO,USA,~[] 邓 军徐精彩文 虎忻州窑矿综放面采空区自燃性预测[J]西安矿业学院学报(增刊):~[] 徐精彩邓 军文 虎采煤工作面采空区可能发火区域分析[J]西安矿业学院学报():~[] 邓 军徐精彩郭兴明等综放面采空区温度场动态数学模型及应用[J]中国矿业大学学报():~收稿日期:

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