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煤矿采空区遗煤自燃机理及治理措施

2019-03-28 09:28
煤矿采空区一般是指在煤矿开采过程中,煤炭或煤矸石等被开采运出矿井后留下的空洞或空腔。从上世纪80年代开始,煤矿开采研究者提出了采空区“三带”划分理论。在该理论中,采空区被划分为散热带、自燃带、窒息带。散热带一般紧贴开采工作面,漏风量大,氧气比较充足,由于相对通风,因此热量难以持续积聚,达不到煤自燃的程度;自燃带位于散热带后面,离开采工作面有一定距离,漏风流速、漏风量和孔隙率相对变小,导致该区域遗煤氧化产生的热量难以被带走,随着煤氧化的持续,当热量积聚到一定程度,一旦该区域温度突破自燃点,煤就会自燃;窒息带属于相对稳定的区域,它处于自燃带再往里的位置,远离开采工作面,岩石孔隙率小,由于氧气浓度很低,煤氧化时又要消耗氧气,最终导致氧气浓度极低,煤氧化反应产生的热量小,热量容易被空气带走,遗煤难以到达自燃点,发生自燃的概率极小。
煤矿中遗煤自燃,通常情况下需要满足以下3个条件:(1)遗煤具有自燃倾向性;(2)具有持续且足够的氧气;(3)有持续的热源。由于自燃带区域风量逐渐减小,不能充分带走遗煤氧化产生的热量,热能积聚,少量氧气又促进遗煤加剧氧化,温度持续升高,最终导致遗煤自燃。自燃带是采空区火灾发生重点监测预警的区域。
根据煤自燃的特征划分,自燃带的遗煤自燃,一般需要经历3个时期:潜伏期、氧化期、燃烧稳定期。在潜伏期,有自燃倾向的煤吸附空气中的氧,生成不稳定的氧化物附在表面,开始氧化时产生热量较少,由于及时散发热量,煤温增加不明显,但化学活性增强,煤的自燃温度稍有下降。潜伏期的长短取决于煤的种类。一般来说,褐煤的潜伏期较短,烟煤的潜伏期较长。随着潜伏期的持续,煤氧化慢慢深入,长时间的热量积累促进遗煤氧化加速,从潜伏期进入了氧化期。遗煤加速氧化过程中,将产生一些氧化物,如H2O、CO、CO2等。通过对这些标志性的氧化物进行实时监测,可以进行早期遗煤氧化程度的研究。持续氧化促进温度升高,一般遗煤快速氧化的临界温度为60~80℃,一旦临界温度被超越,遗煤氧化速度会加剧,生成若干种碳氢可燃气体。经过氧化期的加速氧化,遗煤的温度会急剧上升,当遗煤的温度超过自燃温度后就开始自燃,进入燃烧稳定期。煤的自燃温度取决于煤的品种,褐煤的自燃温度为267~300℃,而无烟煤在400℃左右时才会燃烧。遗煤燃烧将对煤矿的安全造成严重的威胁。
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