北徐楼煤矿三下煤层自然发火规律研究

摘要：论文以北徐楼煤矿三下煤层为研究对象，运用煤氧化反应和表面反应热自燃机理，通过取样进行自然发火特性实验及对该矿三下煤层自然发火情况进行统计分析，研究得出该矿三下煤层自然发火特点及规律。

关键词：三下煤层 自然发火 实验 规律

1 北徐楼煤矿三下煤层开采概况

北徐楼煤矿为低瓦斯矿井，其三下煤平均埋深-850m，平均厚度7m。三下煤呈玻璃光泽，以亮煤为主，镜暗煤次之。条带状结构，块状构造，含黄铁矿，高发热量煤层。

在开采过程中常面临煤层自然发火的影响，自2010年9月份北徐楼煤矿三下煤层首采工作面开采以来，因自然发火而被迫封闭处理4次，每次从封闭到启封、再到正常开采时间少则两月，多则半年，严重影响了北徐楼煤矿的正常采掘安排，给矿方造成了极大的经济损失。

据此，本课题从该矿三下煤层的自然发火特性实验入手，根据大量统计数据及对煤层自然发火主要影响因素的分析，研究得出了三下煤层的自然发火规律。

2 煤自燃机理研究现状

煤自燃问题自十七世纪即开始研究探索，近十多年来，国内外学者从不同的角度、采用不同的方法对煤自燃的机理进行了研究，并取得一些新进展，主要体现在利用热分析技术研究煤自燃机理、从煤的活化能入手研究煤自燃机理、从煤分子结构模型入手研究煤的自燃机理、从煤岩相学角度研究煤的自燃机理、从煤氧化反应和表面反应热的角度研究煤自燃机理等几个方面。

对煤氧化反应和表面反应热煤自燃机理的研究，Ltay[1]研究了煤的氧化机理，指出煤的低温氧化从外层开始，遵从核反应收缩模型，反应速度是由空气从氧化层的扩散控制。Continillo[2]研究了化学吸附氧及化学反应的速率，指出在不同的温度区域，该速率遵从不同的变化规律。徐精彩[3]根据测定煤表面氧反应热研究煤的自燃机理，得出不同的煤其表面反应热不同，并与煤体温度有关。何萍[4]通过对煤氧化过程中氧化的形成特征的研究，选择出煤自燃指标。

3 三下煤自然发火特点及规律研究

3.1 三下煤自然发火特性参数实验研究

3.1.1 实验装置和原理。实验选取目前普遍采用的“XK-Ⅲ型”煤低温自然发火实验装置。该装置由三大部分组成，分别为炉体、通气管路和控制检测。

煤自然发火实验通过模拟煤氧接触发生化学反应放热引起煤温升高而发火这一过程，主要考察在煤氧化放热升温过程中，相应气体的产生顺序、变化规律、煤温变化情况、氧气消耗情况以及测算最短自然发火期等。该装置能够有效模拟现场条件，采空区漏风相当于氧气进入发生煤氧接触，实验起始温度设定在井下温度变化范围之内，选取在25℃左右。

3.1.2 实验内容及结果。采集北徐楼煤矿三下煤层块状煤样，用塑料编织袋装填煤样约0.7t，破碎后装入炉体。煤样升温氧化实验结果：

煤样升温氧化过程中气体产物及其浓度变化见表1。

由煤样氧化升温实验结果看出：CO2出现的最早，其次是CH4，然后是CO，再次是C2H4；由于常温下CO2就已经存在，因此难以作为标志性气体，而CH4在矿井赋存中也已常态化，且CH4在开始升温阶段呈现出不明显的变化特征，因此把CO作为煤在氧化过程中的首选标志性气体；而C2H4的出现，表明煤已进入了加速氧化阶段，对应煤温度超过200℃。

3.1.3 煤层最短自然发火期[5]实验结果

3.2 三下煤自然发火情况统计研究

3.2.1 三下煤自然发火情况统计。北徐楼煤矿三下煤层自然发火情况，见表2。

3.2.2 自然发火统计特点及规律。根据统计数据及长期跟踪观测可以看出，三下煤层自然发火特点及统计规律如下：①煤体自燃氧化过程中，通风系统不稳定，容易加快煤体氧化过程；②煤体自燃时，伴随大量有毒有害的有机气体产生；③综放工作面在切眼、停采线处，采空区自燃火灾较多；④工作面采空区是煤自燃最主要的区域，但采空区自燃火灾不易灭火，且封闭一段时间后启封易复燃。

参考文献：

[1]Itay M.Hill C R.Glasser D. Study of the low temperature oxidation of coal.Fuel Processing Technology，1989，21（2）：81-97.

[2]Continillo G.Galiero G.Maffettone P L.etc.Characterization of chaotic in the spontaneous combustion of coal stockpiles.Symposium on combustion，1996.1585-1592.

[3]贺敦良，徐精彩.煤炭表面反应热与自燃性探讨[J].煤矿安全，1990（6）：31-36.

[4]何萍，唐修义.煤氧化过程中气体的形成特征与煤自燃指标气体选择[J].煤炭学报，1994，19（6）：635-643.

[5]中国煤科总院重庆研究院.北徐楼煤矿三下煤最短自然发火期实验报告.