陈家沟煤矿综放采空区自燃三带判定分析

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1、1绪论1绪论1.1研究背景及研究意义1.1.1研究背景我国的煤矿火灾十分严重，每年都会造成重大的财产损失和人员伤亡，而煤矿火灾[1]中90％以上又是煤层自燃火灾，其中70%的火灾发生在采空区。由于引起自燃的因素具有很强隐蔽性，所以发生在采空区的自燃火灾发生、发展的周期比较长，过程也比较缓慢，导致很难找到煤自燃发生的原因，更不容易确定影响煤自燃的主要因素。因此，为了预防和控制采空区煤自燃火灾的发生，必须对采空区煤自燃影响因素进行详细地、[2]系统地分析和研究。陈家沟煤矿主采煤层为煤5层，属于厚煤层。3103工作面属煤5层下分层开采工作面。分层厚度为7.9m~10.6m，平

2、均为10m，煤层倾角16°~28°，平均为22°。煤层结构较复杂，夹矸层数多（1~4层），沉积基底不平，煤层起伏明显。本工作面可采走向3长度为681.5m，倾斜平均长度为84m，采放高度为10m，工作面煤炭容重为1.3t/m，其工业储量为704580吨。截止目前，经十多年的开采，井田南部形成南北向展布的“长方形”采空区，以井筒为界，可分为西采区、东采区两部分。陈家沟煤矿煤层具有自燃发火倾向，自然发火期3~6个月，自燃等级Ⅰ级。1.1.2研究意义为了进行煤自燃危险区域判定，预测采空区遗煤自燃危险性，明确防灭火工作的任务，国内外的知名学者对采空区遗煤自燃进行了实验测定和数值

3、模拟研究，但由于采空区条件相当复杂，许多具体参数测定困难，可视为灰色系统，因此准确判定综放面采空区的自燃危险区域是个难题。综放面采空区遗煤自燃必须同时具备合适的漏风强度、足[3]够的浮煤厚度、一定的氧浓度和充分的氧化时间等条件。本论文采空区自燃危险区域判定的必要条件根据采空区的氧浓度分布、浮煤厚度分布和煤的耗氧速率进行推断；充分条件是根据工作面最小推进速度判定；以此对采空区遗煤自燃危险区域范围进行划分，并提出对其进行判定的合理方法，从而指导综放面采空区遗煤自燃的防灭火工作。1西安科技大学硕士学位论文1.2国内外研究成果综述1.2.1煤自燃学说17世纪，国内外学者就开始研

4、究和探索煤自燃发火机理，到目前为止，他们提出了以下不同的煤自燃学说。(1)黄铁矿导因学说17世纪，英国人(Plolt和Berzelius)提出了第一个试图解答煤自燃原因的黄铁矿导因学说。该学说认为，空气中的氧和水与煤层中的黄铁矿(FeS2)相互作用放出热量是引起[4]煤自燃的主要原因。(2)细菌导因学说该学说是由英国人帕特尔(Pateer，M．C．)于1972年提出的，他认为在细菌的作用[4]下，煤体发酵，放出一定热量，这些热量积聚会引起煤的自燃。(3)酚基作用学说酚基作用学说由前苏联学者特龙诺夫于1940年提出，该学说认为，由于氧气被煤[5]体内不饱和的酚基化合物强烈

5、吸附同时放出一定的热量而产生煤的自热。此学说可认[6]为是煤氧复合作用学说的补充。(4)煤氧复合作用学说1951年，前苏联学者维索沃夫斯基等提出：并不是煤与氧复合就能产生煤自燃，只[7]有在常温条件下，稳定、绝热、氧化过程自身加速的最后阶段才会出现煤自燃。(5)自由基作用学说1996年，李增华提出了煤自燃的自由基作用学说。该学说认为，在地应力、采煤机[8]切割等外力作用下煤体破碎，导致煤分子断裂，从而产生大量的自由基。自由基可存在于煤体内部新生裂纹表面，也可存在于煤粒表面，这为引发煤自燃创造了有利的条件[9]。(6)其他学说[10,11]1990年，Дрхим等提出了电

6、化学作用学说；LopezD.等，于1998年提出氢原[12][13]作用学说；1999年，WangH.H等提出了基团作用理论。上述的各种煤自燃学说都涉及到煤与氧相互作用并且放出热量的问题，煤所具有的被氧化性和放热性是煤的有机质及无机矿物质易被氧化和氧化反应放出热量的体现。因[14]此可得：煤自燃主要是由于煤氧复合作用并放出热量而引起的。煤氧复合过程主要分三大部分：①煤表面分子对氧的物理吸附；②煤表面分子的活性结构对氧的化学吸附；③在产生化学吸附的部分活性结构中发生化学反应。在这个过程中，放出化学吸附热和化学反应热，这些热量积聚起来，就改变了煤自身所处的环境。当煤体所处环

7、境的散热21绪论量小于煤体所放出的热量时，热量得以积聚，煤体温度上升，从而导致煤体自燃；相反，热量散发，煤体温度便无法上升，从而导致煤体风化。煤体热量的积聚过程，也就是煤[15]自燃的发展过程。在实际条件下，煤体放热强度与煤体温度、氧气浓度、煤体表面活性结构的数量及种类等因素有关。煤体的散热条件主要包括煤体的漏风强度、空隙率以及周围环境的温度等等。1.2.2采空区煤自燃危险区域判定研究国内外学者对煤层自燃区域的判定问题做了大量研究工作。为了确定煤自燃危险区[16]域，引入煤堆积的临界厚度，临界厚度小于实际厚度时，就可能发生煤自燃。1991