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1、杨涧煤矿90101工作面煤层自燃特性及三带测试分析山 西 中 煤 杨 涧 煤 业 有 限 公 司中 国 矿 业 大 学二O一二年七月目 录1绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 研究内容22 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定32.1 工业分析32.1.1 测试设备32.1.2 水分测定32.1.3 灰分测定32.1.4 挥发分测定42.1.5 固定碳计算42.1.6 测试结果42.2真相对密度测试52.2.1 依据标准52.2.2 仪器设备52.2.3 测定步骤52.2.4 结果计算62.2.5 测试结果73 90101工作面煤样自燃倾向性测试83.1 煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定
2、法83.1.1 依据标准83.1.2 测试仪器及主要性能参数83.1.3测试过程及吸氧量计算93.1.4 煤自燃倾向性分类93.1.5 实验数据及结果103.2 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法103.2.1依据标准103.2.2 测试原理103.2.3 测试仪器103.2.4 测试过程113.2.5 煤自燃倾向性判定指数的计算113.2.6 煤自燃倾向性分类指标123.2.7 实验数据及结果123.3自燃倾向性测试结果144 90101工作面煤层自然发火指标气体154.1 实验设备154.2实验过程164.2.1 煤样选取164.2.2 实验过程164.3.测试数据164.3.1.实验原始数
3、据164.3.2 CO、CO2气体产生规律174.3.3烷烯烃气体产生规律184.4.煤层自然发火标志气体分析与优选194.4.1标志性气体优选原则194.4.2 煤层自然发火标志气体分析204.5结论225 90101工作面自燃危险区域测试分析235.1 采空区煤自燃“三带”的现场观测235.1.1 测试装备与技术方案235.1.2 观测数据与分析265.2 采空区自燃“三带”的CFD模拟305.2.1 采空区氧气运移分布的理论基础305.2.2 综放面氧气浓度场的CFD模型325.2.3 模拟结果与分析335.2.4工作面配风量对自燃带分布的影响346 全文总结37第一章 绪论1绪论1.1
4、 课题研究背景及意义煤炭自燃是矿井的主要灾害之一，我国国有煤矿每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个，封在火区内的工作面装置达数千万元。近年来，随着我国特厚煤层综采放顶煤技术的试验和推广，煤炭的产量和效益大幅度提高，但由于综采放顶煤技术一次性开采强度大，端头支架处顶煤放出率低(有的不放)，冒落高度大、采空区遗留残煤多、漏风严重，加之机电设备功率大、散热多引起采空区温度增高等因素，使得自然发火频繁，严重制约了综采放顶煤高产高效技术的发展。一些以往认为不自燃的矿井，也频繁出现煤层自燃火灾，严重威胁着矿井的安全生产，导致大量的煤炭因火区而冻结；同时，因煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯、粉尘
5、爆炸严重危及井下人员的生命安全。然而，煤炭自燃都经历一个发生、发展的过程。如果能准确得掌握煤炭自燃特性及其规律，在煤炭自燃的初始缓慢聚热阶段对其进行有效控制和处理，势必起到事半功倍的效果，一旦错过这段控制火势的良好时机，火区将会快速发展，火区处理条件和难度迅速恶化与增加。山西中煤杨涧煤业有限公司位于朔州市区东北部，与平鲁区接壤。该矿所开采的矿井储量丰富，煤层厚、赋存浅，地质构造简单，易开采。煤种属气肥煤，是比较理想的动力用煤。煤层距地面垂直深度70-90米，4号、9号、11号煤层为批准可采煤层。90101工作面为杨涧煤矿9号煤层的首采工作面，其工作面走向长度1060m，面长200m，煤层平均厚
6、度约11.2m，煤层平均倾角4左右。工作面采用综采放顶煤工艺回采，回采过程中采空区遗留浮煤相对较多；同时，90101工作面上部为4号采空区，9煤与4煤层间距约40m，90101采空区来压后势必与4煤采空区沟通使得工作面漏风复杂；加之开采初期作业人员与设备存在一定的磨合期，磨合期间工作面回采速度相当较慢。这些都增加了90101工作面煤层自燃的危险性。临近矿井开采9号煤时已不同程度的出现过自然发火的征兆。90101工作面一旦发生自燃势必影响到整个矿井的安全生产。因此，开展对90101工作面煤层自燃特性及其预防技术的研究，实现工作面的安全回采，指导杨涧煤矿的防灭火工作具有重要的意义。1.2 研究内容
7、本课题的研究内容主要包括以下几个方面：（1）测试90101工作面煤样水分、灰分、挥发份、固定碳及发热量和真相对密度。（2）分析90101工作面煤层自燃倾向性，测试分析90101工作面煤层温升过程中的气体产物及其随温度的变化规律，得出煤层自然发火指标预警指标。（3）测试90101工作面回采过程中采空区的气体成分、浓度并分析其随回采进程推进的变化规律，确定正常回采情况下的采空区自燃危险区域；计算模拟不同配风量下采空区“自燃危险区域”的分布范围与变化规律；得出自燃危险区域随风量的变化规律；30第二章 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定2 90101工作面煤样工业分析及真相对密度测定2.1
8、工业分析测试煤样取至杨涧煤矿90101工作面和顺槽处。煤的工业分析主要对煤中的水分、灰分和挥发分进行测定，并根据水分，灰分和挥发分对固定碳，发热量和氢含量进行计算。2.1.1 测试设备图2-1 测试设备本测试利用长沙三德实业有限公司生产的SDTGA5000型工业分析仪进行煤样的工业分析。设备如图2-1所示：2.1.2 水分测定称取一定量的空气干燥煤样，置于105110干燥箱中，在干燥氮气流中干燥到质量恒定。然后根据煤样的质量损失计算出水分的百分含量。计算公式如下：式中：Mad -空气干燥煤样的水分含量，%；-煤样干燥后失去的质量，g；-煤样的质量，g。2.1.3 灰分测定称取一定量的空气干燥煤
9、样，放入马弗炉中（或者相当于马弗炉功能的炉膛中），以一定的速度加热到81510，灰化并灼烧到质量恒定。以残留物的质量占煤样质量的百分数作为灰分产率。计算公式如下：式中：Aad -空气干燥煤样的灰分产率，%； - 残留物的质量，g； - 煤样的质量，g。2.1.4 挥发分测定称取一定量的空气干燥煤样，放在带盖的瓷坩埚中，在90010温度下，隔绝空气加热7min。以减少的质量占煤样质量的百分数，减去该煤样的水分含量（）作为挥发产率。计算公式如下：式中，-空气干燥煤样的挥发分产率，%；-煤样加热后减少的质量，g ；- 煤样的质量，g；- 空气干燥煤样的水分含量，%。2.1.5 固定碳计算固定碳按如下
10、公式计算：式中： -空气干燥煤样的固定碳含量，%； -空气干燥煤样的水分含量，%； -空气干燥煤样的灰分产率，%； -空气干燥煤样的挥发分产率，%。2.1.6 测试结果根据上述测试方法对所取煤样进行测试，得出测试煤样的工业分析结果如表2-1所示。表2-1 工业分析测试结果煤样名 (%) (%)90101工作面3.2931.1420.7344.8426.234.4890101顺槽3.6131.6823.7041.0124.894.342.2真相对密度测试物质所有的宏观的物理性质在一定程度上都与密度有关。物质密度的大小取决于分子结构和分子排列的紧密度，因而与分子空间结构有关。而分子之间的相互作用是
11、分子间距离的函数，直接影响着物质的物理性质和物理化学性质。因此，密度是性质与结构的重要参数。煤的真相对密度是指煤的密度（不包括煤中空隙的体积）与参考物质的密度在规定条件下之比。本测试方法通过浸润剂使煤样在密度瓶中润湿沉降并排除吸附的气体，根据煤样排出的同体积的水的质量算出煤的真相对密度。图2-2 密度瓶示意图2.2.1 依据标准GB/T217-2008 煤的真相对密度测定方法2.2.2 仪器设备1）分析天平：感量0.0001 g。2）水浴。3）恒温器：控温范围1035，控温精度0.5。4）密度瓶：带磨口毛细管塞，容量50ml，如图2-2所示。5）刻度移液管：容量10mL。6）水银温度计：050
12、，最小分度0.2。2.2.3 测定步骤 1）准确称取粒度小于0.2mm空气干燥煤样2g(称准到0.0002g)，通过无颈小漏斗全部移入密度瓶中。 2）用移液管向密度瓶中注入浸润剂3ml，并将瓶颈上附着的煤粒冲入瓶中，轻轻转动密度瓶，放置5min使煤样浸透，然后沿瓶壁加入约25ml蒸馏水。3）将密度瓶移到沸水浴中加热20min，以排除吸附的气体。4）取出密度瓶，加入新煮过的蒸馏水至水面低于瓶口约1cm处并冷至室温然后于200.5的恒温器中(根据室温情况可适当凋整恒温器温度)保持1h(也可在室温下放置3 h以上，最好过夜)，记下室温温度。5） 用吸管沿瓶颈滴加新煮沸过的并冷却到20(或室温)的蒸馏
13、水至瓶口，盖上瓶塞，使过剩的水从瓶塞上的毛细管溢出（这时瓶口和毛细管内不得有气泡存在，否则应重新加水、盖塞）。6）迅速擦干密度瓶，立即称出密度瓶加煤、浸润剂和水的质量m1。7）空白值的测定:按上述方法，但不加煤样，不在沸水浴中加热，测出密度瓶加浸润剂、水的质量m2（在恒温条件下，应该每月测空白值一次；在室温条件下，应同时测定空白值）。同一密度瓶重复测定的差值不得超过0.0015g。2.2.4 结果计算1）恒温下真相对密度按照以下计算式计算：式中：干燥煤的真相对密度； 干燥煤样质量，g； 密度瓶加浸润剂和水的质量，g； 密度瓶加煤样、浸润剂和水的质量，g；干燥煤样质量按照下式计算：式中：m空气干
14、燥煤样的质量，g； 空气干燥煤样水分，按GB 212规定测定，2）室温下真相对密度按下式计算：式中：温度校正系数，Kt=dt/d20, Kt由表2查出；dt水在t时的真相对密度； 水在20时的真相对密度。表2-2 校正系数Kt温度/校正系数，Kt温度/校正系数，Kt温度/校正系数，Kt温度/校正系数，Kt61.00174141.00100220.99956300.9974371.00170151.00090230.99953310.9971381.00165161.00074240.99909320.9968291.00158171.00057250.99883330.99649101.00150181.00039260.99857340.99616111.001401
