煤矿井下多源一氧化碳运移规律及积聚判别条件研究

发布时间：2019-06-14 02:19

【摘要】：在我国,“富煤贫油少气”是一次能源结构的显著特征。同时,我国是煤炭产量及消费量最大的几个国家之一。据统计,虽然近两年我国原煤产量有所降低,但在过去的近十年间我国煤炭原煤产量整体依然呈增长趋势,煤炭在能源消费结构中仍占有很大比重。煤炭作为工业原料及基础能源的主要战略地位长期不动摇。与此同时,我国也是世界上煤矿火灾最严重的国家之一,矿井火灾给人类生命安全及生存环境带来极大损害。而90%的矿井火灾是由煤层自然发火造成的。因此做好煤炭自燃的早期预测预报具有重要意义。国内外最广泛应用的预测预报煤自然发火的方法为指标气体法,CO气体由于具有灵敏度高、生成量大及易于检测等特征,是常用且有效的煤自燃早期预测预报指标气体。然而现场实践表明,煤层自燃并不是井下CO气体唯一来源。正常开采条件下,煤层采动时赋存于褶皱、裂隙中的原生CO会被解吸释放;井下爆破作业时炸药的爆炸及燃烧会生成CO;高产高效矿井矿用防爆车的使用过程中也会排放CO气体。因此在采用CO作为井下煤自燃标志性气体时,会存在一个悖论性的问题:一方面,基于“安全第一”的理念,CO超标时必须采取相应预防措施;另一方面,一些矿井(特别是中、低变质程度的煤矿)发现CO超标现象后,立即采取大量预防措施,而实际煤层并未发生自燃,从而造成大量不必要的经济损失,妨碍正常安全生产。井下CO来源的多样性为预测预报煤层自然发火带来了干扰,为了对井下CO来源进行辨识,分析不同源CO运移规律,本文采用实验方法、现场监测及测试和数值模拟相结合的研究方法,分析研究井下CO运移规律,对不同来源CO进行辨识,揭示CO积聚判别条件,对提高CO预测预警火灾精确度有重要意义。整理分析CO作为煤层自然发火指标气体、井下CO来源多样性以及CO运移积聚的国内外研究现状,总结出煤矿井下CO主要来源于采空区遗煤氧化、煤层赋存原生CO的解吸释放、矿用防爆车运行过程中排放的尾气、以及井下爆破作业时炸药爆炸及燃烧产生的炮烟四个方面。为了对煤矿井下CO源进行辨识,本文分别对煤层赋存原生CO生成机理及解吸规律、采空区遗煤氧化CO生成机理及规律、爆破作业CO成因及运移规律以及矿用防爆车尾气中CO生成机理和运移规律进行研究。煤层赋存原生CO的成因主要包括有机成因和无机成因两大类,有机成因还可分为热成因和生物成因。无机成因生成CO主要是地质条件改变造成的;热成因作用则是在成煤热降解过程中,含氧官能团断裂生成大量气体;生物成因则是成煤过程中有机质在微生物作用下转化气体,包括CO。通过解吸实验分析煤层赋存原生CO的量及破碎煤体CO释放规律。煤样取5 m深钻孔煤芯,立即放入充满氮气且放有洁净钢珠的煤样罐内,测定初始co浓度。将煤样罐放入调至最佳转速的球磨机内使煤样破碎,实验分4组进行,通气流量均为60ml/min,1#煤样在25℃条件下持续破碎3小时,2#煤样在30℃条件下持续破碎3小时,3#煤样在30℃条件下持续破碎4小时,1#~3#煤样破碎后均通入高纯氮气进行解吸,4#煤样在30℃条件下持续破碎4小时后通入标准空气。破碎后每隔1h采集一次气体。对比破碎后co的初释浓度,1#和2#实验对比结果表明破碎时长相同时,环境温度越高co初释浓度越大;2#和3#实验对比结果表明在环境温度条件相同时,破碎时长越长co初释浓度越大,但差别不明显;1#~3#煤样co浓度随时间变化趋势基本相同,4#煤样则与空气中的氧气发生反应生成co,此后随着煤样逐渐被氧化完全,co生成量逐渐减少。最后对实验数据进行拟合分析,确定煤层赋存原生co的解吸规律符合指数函数变化规律。遗煤氧化生成co已是毋庸置疑的事实,煤氧复合氧化反应包括三个步骤:煤氧吸附(物理吸附和化学吸附)、煤氧化学反应和煤对co的脱附。本文采用傅里叶变换红外光谱实验和热重实验对煤氧复合氧化微观机理进行探究。用电子天平称0.0005g煤粉和0.0795g的溴化钾粉末进行充分研磨使其混合均匀,压片后放入tensor27型傅里叶变换红外光谱仪样品室进行扫描,分析不同氧化程度时煤样的光谱图,可得到官能团峰值的变化规律,从而说明煤氧复合生成co主要是煤中含c基团与氧作用的结果。采用型号sta449f3同步热分析仪对煤样进行热重实验,分别设定升温速率2℃/min、5℃/min、10℃/min、20℃/min和30℃/min的实验条件。实验煤样每次取约10mg(±0.2),升温范围室温至1000℃,通气流量100ml/min。从实验结果的tg-dtg曲线可得煤样在升温过程中主要经历3个阶段,同时每个阶段的变化均与相应官能团有关。为确定低温条件下煤与氧气反应时氧气消耗率及co生成率,本文采用程序升温实验探究低温条件下煤的氧化特性。实验仪器采用中国矿业大学(北京)安全实验室自主研制的煤低温氧化实验系统,该系统主要由预热气路系统、煤样罐、程序控温箱、气体采集及分析系统组成。每次实验煤样重约250g,将筛分出不同粒径共6组煤样分别编号,xt-1#~xt-5#为单一粒径煤样编号,xt~6#为混合粒径煤样编号。升温范围为30-210℃,每隔15℃采集一次气体。最终得出不同粒径煤样随温度变化时co浓度及生成速率的变化趋势,及混合粒径煤样在不同氧浓度条件下产生co浓度及生成速率。对混合粒径煤样co生成速率随温度变化曲线进行拟合,拟合结果符合二次多项式的变化规律。采用预埋束管的方法对现场工作面及采空区co浓度进行监测,发现采空区内co浓度与距工作面距离呈多项式变化关系,同时对工作面回风隅角co浓度进行长达21天的监测发现常温条件下回风隅角co浓度值为14~20ppm。爆破作业是井下巷道掘进的主要方式。爆破作业产生co主要是炸药爆炸及燃烧的结果。本文总结了几种常用煤矿许用炸药爆炸生成气体及含量,分析了炸药爆炸时的化学反应式。炸药主要是由c、h、n、o四种元素组成,通常把不具有爆炸性的氧化分子或富有氧元素的炸药分子,称之为氧化剂;另一类不具有爆炸性的可燃分子或富有c、h元素的炸药分子,可称之为可燃剂。而炸药的爆炸过程实质就是可燃剂与氧化剂在短时间内发生剧烈化学发应,同时生成水、co、no等气体的氧化还原过程。炸药化学通式可表示为chnoabcd,爆炸反应的氧平衡qb是衡量炸药中所含氧化剂在完全氧化炸药内可燃剂后是有剩余还是不足的热化学参数。氧平衡分为正氧平衡(qb0)、零氧平衡(qb=0)以及负氧平衡(qb0)。负氧平衡时由于炸药内氧化剂含量不足,可燃剂不能完全被氧化,此时主要产生co气体。爆破作业可看作在瞬时发生的剧烈爆轰反应,根据经验公式可计算出爆破瞬间炮烟抛掷距离以及co浓度,并根据champman-enskog公式计算扩散系数,得出爆破后生成co排出巷道需要的时间与控制体体积、控制体内co初始浓度、扩散系数以及通风量共4个参数有关。井下矿用防爆车属于辅助运输设备,多以柴油机为牵引力。柴油机在运行状态下排放出co气体。柴油机工作主要包括4个阶段:着火延迟期、急燃期、缓燃期和补燃期,每个阶段都对co的产生有重要影响,通过分析,确定co生成的主要阶段为着火延迟期和缓燃期,总结出矿用防爆车(柴油机)产生co气体的机理,主要包括westbrook的燃料燃烧模型和hantman的四步反应模型。采用现场布点监测矿用防爆车尾气co的浓度分布情况,发现其变化规律为在短时间内先增大后减小。且在车辆出入密集的时段,矿用防爆车产生co浓度较高,对工作面回风隅角co浓度产生一定影响。采用流体动力学数值模拟软件fluent对井下单源和多源co气体的运移进行数值模拟。模拟气体在巷道内运移时需满足三大方程(质量守恒方程,也称连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程),同时由于研究对象为co与空气的混合气,因此同时还应满足组分守恒方程。本文分别对井下矿用防爆车运行时排放co的运移、采空区遗煤氧化生成co浓度分布、爆破作业时产生co与遗煤氧化生成co的耦合运移及煤层赋存原生co涌出与遗煤氧化生成co的耦合运移情况进行数值模拟,并探究单个(多个)源co气体对工作面回风隅角co浓度的影响。模拟结果显示,单辆矿用防爆车在井下辅助运输巷运行时,尾气中的co气体仅在车尾部0.5m范围内超过24ppm,虽然辅助运输巷和皮带巷通过交联巷连接,但交联巷内风速极小,其他区域co浓度极少,且进风巷中co浓度高于工作面和回风巷,可见辅助运输巷进风量对矿用防爆车尾气中co有极大的稀释作用;采空区遗煤氧化自燃是长期且缓慢的过程,由于采动时矿压的作用,采空区内部不同位置空隙率不同,因此可将采空区视为多孔介质,当风流经进风巷流经工作面时,通过渗流作用向采空区内部漏风,空气中的氧气与遗煤发生反应生成的CO气体同样在渗流作用下涌出。模拟结果显示,常温条件下工作面回风隅角CO浓度约为12~17 ppm,高于工作面其他位置CO浓度,但并未超出《煤矿安全规程》规定的最大允许浓度24 ppm;当考虑工作面有煤层赋存原生CO涌出时,极限情况下假设原生CO以一定速率不断涌出,数值模拟结果显示,工作面回风隅角CO浓度不随时间变化而增加,可见煤层赋存原生CO气体不会导致工作面回风隅角CO气体浓度超限;掘进工作面爆破时会产生大量CO气体,经现场调研,建立掘进巷道与采空区工作面串联通风的几何模型,掘井巷道内距离地面1.5处有一风筒,且风筒出风口风速为12 m/s。当对爆破作业产生CO与采空区遗煤氧化CO耦合运移时,不同时刻爆破生成CO气体随着时间的推移,最大浓度逐渐移向掘进巷进口,直至掘进巷内完全没有CO气体,这一过程大概需要3 min左右,监测工作面回风隅角处一点CO浓度变化,发现爆破作业后工作面回风隅角CO浓度大量超限,但持续时间很短,在5 min内即降到最大允许浓度范围内,且CO浓度变化符合幂函数变化规律。通过对比实验结果、现场监测结果和数值模拟结果,总结井下CO来源并对各个CO源进行辨识,得出:遗煤氧化生成CO可随漏风风流在工作面上隅角积聚,且常温下工作面回风隅角CO浓度随时间变化满足三次多项式变化规律;煤层赋存原生CO含量极少,约为5~6 ppm,随着时间的推移,原生CO解吸浓度快速降低,实际情况下,工作面配风量较大,煤层赋存原生CO不会在工作面上隅角积聚而导致超限,在煤层赋存原生CO不断涌出的极限情况下,整个工作面及回风隅角CO浓度均无明显变化;井下爆破作业生成CO浓度较高,掘进巷道内,在风筒及工作面通风系统作用下,CO逐渐运移出掘进巷并向工作面方向运移,在工作面回风隅角积聚,CO浓度随时间的变化满足幂函数的变化规律;防爆车尾气中CO浓度较大,但在巷道风流的稀释作用下,运移工作面回风隅角的CO浓度非常小,呈现先增大后减小的趋势,CO浓度分布具有时间变化特性,即在车辆出入密集时段,工作面回风隅角CO浓度有一定影响,其他无车辆运行时段,这种影响也随之消失,可以通过嗅觉判断,矿用防爆车一般以柴油为燃料,因此尾气排放出来后(包括CO)会有浓重的柴油气味。根据各源CO浓度随时间的变化规律,建立工作面回风隅角CO浓度预测数学模型,根据该数学模型,可分析多源CO在井下运移时在工作面回风隅角的积聚判别条件,从而可以针对不同源CO运移及浓度分布特点,决策工作面回风隅角CO超限时是否需要采取措施,未提高CO作为煤矿井下煤自然发火早期预测预报标志性指标气体的准确性提供重要理论依据。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD752.2

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