煤层开采中CO产生及来源规律现场试验研究.pdf

DOI 10． 13347/j． cnki． mkaq． 2014． 12． 012 煤层开采中 CO 产生及来源规律现场试验研究 王连聪1 ， 孙 勇1， 冯文彬1 ， 陈 洋1， 张德鹏1， 尹占春2 ， 王 刚3 1． 煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122;2． 内蒙古平庄能源股份有限公司 老公营子煤矿， 内蒙古 赤峰 024076;3． 神华神东煤炭集团有限责任公司， 陕西 榆林 719315 摘要 针对目前许多矿井开采过程中回风隅角 CO 异常超限的问题， 对煤层中 CO 产生及来源 规律进行了现场试验研究。结果表明 矿井回风隅角 CO 浓度的升高主要发生在正常采煤时， 即 CO 产生量的增加与煤炭的开采过程是密不可分的; 煤层中原始伴生 CO 是风水沟煤矿和老公营 子煤矿在煤炭正常开采期间回风隅角 CO 异常超限的重要原因之一; 煤体破碎前后及破碎程度 对 CO 的产生量影响较大， 煤的粒度越小， 比表面积越大， 产生的 CO 越多; 风水沟煤矿和老公营 子煤矿主采煤层正常采煤期间回风隅角 CO 的主要来源是煤体被采落破碎过程中由于与空气接 触发生低温快速氧化而产生的 CO。 关键词 回风隅角; 异常超限; 原始伴生; 低温氧化; 来源规律; CO 中图分类号 TD75 2． 2 文献标志码 A文章编号 1003 －496X 2014 12 －0043 －03 Field Experiment Study on CO Generation and Sources Law in Coal Seam Mining WANG Liancong1， SUN Yong1， FENG Wenbin1， CHEN Yang1， ZHANG Depeng1， YIN Zhanchun2， WANG Gang3 1． China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Ｒesearch Institute， Fushun 113122， China;2． Laogongyingzi Coal Mine， Inner Mongolia Pingzhuang Energy Co． ， Ltd， Chifeng 024076， China;3． Shenhua Shendong Coal Group Co． ， Ltd， Yulin 719315， China Abstract According to the phenomenon of CO abnormal overrun of return airflow corner in the coal seam mining currently，the CO generation and sources law in coal seam mining was studied by field experiment． The results showed that the rising of CO concentration in the return airflow corner appeared mainly in the normal mining，in other words，the increase of CO concentration was closely related to the mining process． The original existence CO in the coal seam was one of the important causes for leading to the CO abnormal over- run of return airflow corner in the normal mining of coal seam in Fengshuigou Coal Mine and Laogongyingzi Coal Mine． Before and after coal body crushing and the degree of crushing had a great influence on the CO generation． The smaller the particle size of coal was and the larger the specific surface area，the more of the CO generation was． The main source of the CO of return airflow corner in the coal seam mining was the low － temperature oxidation in the coal body crushing process in the main coal seam of Fengshuigou Coal Mine and Laogongyingzi Coal Mine． Key words return airflow corner; abnormal overrun; original existence; low － temperature oxidation; source law; CO 基金项目 中国煤炭科工集团科技创新基金资助项目 2013QN003 ; 国家重大科学仪器设备开发专项资助项目 2012YQ24012707 ; 国家 自然科学基金资助项目 51404138 CO 是煤层开采过程中的主要灾害气体之 一 ［1 ］， 具有无色无嗅高毒性的特征， 并且也是煤炭 自然发火的主要指标气体之一［2 ］， 长期以来一直困 挠着煤矿的安全生产。近年来， 许多生产低阶煤的 矿井在开采过程中， 连续监测到矿井采煤工作面及 回风隅角等多处地点 CO 气体浓度长期超过煤矿 安全规程 标准 ［3 ］。煤层开采期间 CO 产生来源较 多， 在大多数情况下是由于采空区浮煤自燃产生 的 ［4 ］， 但是在我国的内蒙古、 黑龙江、 宁夏、 山西及 河北省等多地的一些矿区［5 ］， 在采空区没有明显煤 自燃征兆的情况下， 工作面停采检修期间回风隅角 CO 浓度处于正常水平， 但正常生产期间回风隅角、 工作面等地点却出现 CO 异常超限的现象 ［6 －7 ］。这 一现象严重地干扰了煤层自然发火的预测、 预报工 作， 给矿井的安全生产带来了威胁［8 ］。 基于此， 以内蒙古平庄能源股份有限公司风水 沟煤矿和老公营子煤矿为示范矿井， 主要从 3 个方 面对煤层中 CO 产生及来源规律进行了研究 1 在老公营子煤矿和风水沟煤矿的回风隅角 34 试验研究 2014 －12 等标志性监测地点采集气样并进行定量分析， 掌握 CO 的变化规律。 2 分别在风水沟煤矿 6煤层和老公营子煤矿 4煤层中打钻孔， 每个煤层打 2 个钻孔， 其中 1 个钻 孔注满 N2， 另1 个钻孔注满空气， 研究钻孔中 CO 的 产生及变化规律。 3 在钻孔最深处采集煤芯及煤屑， 通过测定煤 芯及煤屑的 CO 解析量和残存量， 研究 CO 的产生及 变化规律， 为进一步研究 CO 异常超限的本质原因 提供现场试验数据支撑。 1矿井回风隅角 CO 变化规律 在风水沟煤矿和老公营子煤矿回风隅角分别进 行了气样采集， 每天采煤时和停采时各采集 1 次， 共 采集了 10 d， 并用气相色谱仪对气样进行了定量分 析， 分析结果如图 1。 图 1风水沟及老公营子煤矿回风隅角 CO 变化规律 从图 1 可以看出， 与停采时相比， 采煤时回风隅 角 CO 浓度明显上升， 其中， 风水沟煤矿采煤时 CO 浓度平均上升了 154． 7， 老公营子煤矿采煤时 CO 浓度平均上升了 144． 9。在采空区没有明显自然 发火征兆的情况下， 采煤时 CO 浓度比停采时要明 显高出很多， 这说明采煤时增加的 CO 是在采煤期 间产生的。由此可以得出， CO 产生量的增加与煤层 的开采过程是密不可分的。 2煤层钻孔中 CO 产生及变化规律 试验采取对比参照方式， 在同一煤层打 2 个钻 孔并密封， 将其中 1 个钻孔注满 N2， 另 1 个钻孔注 满新鲜空气， 考察钻孔内气体变化情况， 分析气体产 生及变化规律。 2． 1施工方案及数据采集 分别在风水沟煤矿 6煤层和老公营子煤矿 4 煤层中选取合适的钻孔点， 用煤电钻或岩石电钻干 式打钻， 沿煤层打 30 ～ 40 m 的钻孔， 在每个煤层相 邻位置打 2 个钻孔， 用密封材料密封， 每个钻孔留设 2 路带开关的采气束管。选取同一煤层的其中 1 个 钻孔， 通过束管用 N2进行吹扫置换钻孔中的 O2 ， 直 到该钻孔中 O2浓度降至 10 10 －6 以下为止; 另 1 个钻孔先用 N2吹扫置换掉打钻过程中产生的 CO， 然后再注入新鲜空气。接下来每天采集钻孔内的气 体进行定量对比测试分析， 结果如图 2。 图 2钻孔中 CO 产生及变化规律 2． 2钻孔中 CO 产生及变化规律分析 从图 2 中可以看出， 与注入 N2钻孔中的 CO 浓 度相比， 注入空气钻孔中的 CO 浓度明显要高一些， 44 第 45 卷第 12 期试验研究 并且随着时间推移有下降趋势。在风水沟煤矿 6 煤层中， 注入空气钻孔中的 CO 浓度较注入 N2的钻 孔增加了 497， 如图 2 a ; 老公营子煤矿 4煤层 中， 注入空气钻孔中的 CO 浓度较注入 N2的钻孔增 加了 358． 7， 如图 2 b 。 从以上数据分析中可以看出， 老公营子煤矿和 风水沟煤矿主采煤层中原始伴生一定量的 CO， 并且 在注入 N2的钻孔中， 其浓度最高分别达到了 115 10 －6和 114 10－6。注入 N 2钻孔中的 CO 来源可认 为是从煤体中渗入钻孔的。由于钻孔内表面积有 限， 煤体中存在的 CO 气体只是部分转移到了钻孔 中， 还有一部分由于受到煤体的阻力或吸附力而仍 然保留在煤体中， 因此， 老公营子煤矿和风水沟煤矿 主采煤层中所伴生的 CO 浓度应该大于 115 10 －6 和 114 10 －6。 由此可见， 煤炭正常开采期间， 伴随着煤体的破 碎， 这些煤层中原始伴生的 CO 就会被释放出来， 就 有可能使工作面、 回风隅角等地点在采煤期间出现 CO 异常超限的现象。因此， 煤层中原始伴生 CO 是 老公营子煤矿和风水沟煤矿在煤炭正常开采期间回 风隅角 CO 异常超限的重要原因之一。 另外， 对比注入 N2钻孔和注入空气钻孔内的 CO 浓度值发现， 注入空气钻孔内的 CO 浓度是注入 N2钻孔内 CO 浓度的 3． 6 ～8． 0 倍。其中风水沟煤 矿注入空气钻孔内的 CO 浓度平均是注入 N2钻孔 内 CO 浓度的 5． 97 倍， 最高 8． 0 倍; 老公营子煤矿 注入空气钻孔内的 CO 浓度平均是注入 N2钻孔内 CO 浓度的 4． 59 倍， 最高 6． 2 倍。这一现象说明注 空气钻孔中 CO 的主要来源不是煤层原始伴生的 CO， 而是注空气钻孔中的空气与钻孔孔壁及钻屑发 生氧化反应产生的 CO。 据此推测， 老公营子煤矿和风水沟煤矿在正常 采煤期间回风隅角 CO 异常超限的首要原因是煤体 开采破碎过程中由于与空气接触发生低温快速氧化 而产生的 CO， 其次才是煤层中原始伴生的 CO。 3煤层钻孔中煤芯及煤屑 CO 产生情况分析 试验的主要目的是研究钻孔中选取的煤芯及煤 屑中的 CO 的产生情况， 并分析煤破碎前后 CO 的变 化规律。煤层钻孔中煤芯及煤屑 CO 产生量的大小 如图 3。 从图 3 可看出， 煤芯中 CO 产生量较低， 煤屑中 CO 产生量相对较高。其中风水沟煤矿 6煤层选取 的煤屑中 CO 的产生量分别是煤芯中 CO 产生量的 图 3风水沟和老公营子煤矿煤芯及煤屑中 CO 产生量 7．8 倍; 老公营子煤矿 4煤层选取的煤屑中 CO 的 产生量是煤芯中 CO 产生量的 9． 7 倍。这说明煤体 破碎前后及破碎程度对 CO 产生量影响较大， 煤的 粒度越小， 比表面积越大， 产生的 CO 越多; 反之， 煤 的粒度越大， 比表面积越小， 产生的 CO 越少。 4结论 1 通过矿井回风隅角 CO 变化规律试验研究 知， 风水沟煤矿和老公营子煤矿正常采煤期间回风 隅角的 CO 浓度值比停采检修期间的 CO 浓度值分 别增加了 154． 7 和 144． 9， 呈现正常采煤时 CO 浓度上升、 停采检修时 CO 浓度降低的现象。这说 明增加的这部分 CO 是在正常采煤期间产生的， 即 CO 产生量的增加与煤炭开采的过程是密不可分的。 2 风水沟煤矿和老公营子煤矿主采煤层中原 始伴生 CO。煤炭正常开采期间， 伴随着煤体的破 碎， 这些煤层中原始伴生的 CO 就会被释放出来， 使 工作面、 回风隅角等地点在采煤期间出现 CO 异常 超限的现象。因此， 煤层中原始伴生 CO 是老公营 子煤矿和风水沟煤矿正常采煤期间出现回风隅角 CO 异常超限的重要原因之一。 3 煤体破碎前后及破碎程度对 CO 的产生量影 响较大， 煤的粒度越小， 比表面积越大， 产生的 CO 越多; 反之， 煤的粒度越大， 比表面积越小， 产生的 CO 越少。 4 风水沟煤矿和老公营子煤矿主采煤层正常 采煤期间回风隅角 CO 的主要来源是煤体被采落破 碎过程中由于与空气接触发生低温快速氧化而产生 的 CO， 其次才是煤层中原始伴生的 CO。 参考文献 ［ 1］ 贾海林， 余明高， 徐永亮． 矿井 CO 气体成因类型及机 下转第 50 页 54 试验研究 2014 －12 与实际相一致的评价结论， 这说明冲击地压模糊层 次指标在煤矿冲击地压危险性预测预报方面具有准 确、 可靠的特性。 4结论 1 引入一种新的冲击地压危险性评价方法 － 模糊层次指标评价法， 该方法通过构建冲击地压模 糊层次综合评价模型， 实现冲击地压危险性综合评 价， 是一种冲击地压早期预测的方法。 2 模糊层次指标评价法将定性问题及对此问 题的判断用数量的形式表示出来， 进行模糊运算， 解 决了冲击地压危险性难以量化的难题。 3 将冲击地压模糊层次综合评价模型应用于 工程实例， 结果表明， 基于模糊数学和层次分析法相 结合的模糊层次分析法具有结果准确、 可靠、 直观、 可操作性强等优点， 模型具有良好的现场应用价值。 4 冲击地压模糊层次综合评价模型能够实现 矿井工作面、 巷道乃至整个矿井冲击地压危险性的 定量评价， 在冲击地压预评价方面具有良好的推广 应用前景。 参考文献 ［ 1］ 蓝航， 齐庆新， 潘俊峰， 等． 我国煤矿冲击地压特点及 防治技术分析［ J］ ． 煤炭科学技术， 2011， 39 1 11． ［ 2］ 刘贞刚． 煤岩体破裂的微地震响应特征研究［D］ ． 青 岛 山东科技大学， 2010． ［ 3］谭云亮， 吴士良， 尹增德， 等． 矿山压力与岩层控制 ［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社， 2008 249 －274． ［ 4］ 窦林名， 赵从国， 杨思光， 等． 煤矿开采冲击地压灾害 防治［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2006 93 －97． ［ 5］ 姜福兴． 采场覆岩空间结构观点及其应用研究［ J］ ． 采 矿与安全工程学报， 2006， 23 1 30 －33． ［ 6］ 金佩剑， 王恩元， 刘晓斐， 等． 冲击地压危险性综合评 价的突变级数法研究［J］ ． 采矿与安全工程学报， 2013， 30 2 256 －261． ［ 7］ 顾士坦， 王春秋， 顾士彬， 等． 矿井冲击地压信息识别 与预报方法的研究进展［ J］ ． 山东科技大学学报 自然 科学版， 2011， 30 2 9 －13． ［ 8］ 徐厚学． 江合煤矿煤岩层冲击地压危险性与防治技术 研究［ D］ ． 重庆 重庆大学， 2010． ［ 9］ 王超． 基于未确知测度理论的冲击地压危险性综合评 价模型及应用研究［ D］ ． 徐州 中国矿业大学， 2011． ［ 10］ GB/T 25217． 2 － 2010 冲击地压测定、 监测与防治方 法 第 2 部分 煤的冲击倾向性分类及指数的测定方 法［ S］ ． 作者简介 付建华 1987 － ， 男， 河南焦作人， 硕士， 毕 业于山东科技大学， 研究方向为矿井灾害防治。 收稿日期2013 －12 －19; 责任编辑 王福厚 檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷 上接第 45 页 理辨识分析［ J］ ． 煤炭学报， 2013 10 1812 －1818． ［ 2］ 梁运涛． 煤炭自然发火预测预报的气体指标法［ J］ ． 煤 炭科学技术， 2008 6 5 －8． ［ 3］ 张德鹏， 王志刚， 孙勇， 等． 我国煤矿 CO 超限研究现状 及趋势［ J］ ． 煤矿安全， 2013 4 183 －185． ［ 4］ 朱令起， 王月红， 郭立稳． 东欢坨煤矿煤层赋存 CO 影 响因素分析［ J］ ． 煤矿安全， 2005 8 53 －55． ［ 5］ 王连聪， 陈洋． 大柳塔矿周边小窑火区危害评价及治 理方案［ J］ ． 煤矿安全， 2013 8 135 －136． ［ 6］ 胡楠． 红庙矿煤层自然发火特性及 CO 涌出规律研究 ［ D］ ． 阜新 辽宁工程技术大学， 2012． ［ 7］ 宋万新， 杨胜强， 蒋春林， 等． 含瓦斯风流条件下煤自 燃产物 CO 生成规律的实验研究［J］ ． 煤炭学报， 2012 8 1320 －1325． ［ 8］ 邬剑明， 郭惠宇， 宋金旺， 等． 解吸法测定塔山矿煤层 原生 CO 含量的试验研究［J］ ． 煤炭科学技术， 2010 6 54 －56． 作者简介 王连聪 1984 － ， 男， 河北南宫人， 助理研究 员， 硕士， 2011 年毕业于煤炭科学研究总院， 从事矿井通风 防灭火及瓦斯爆炸研究工作。 收稿日期2014 －03 －27; 责任编辑 王福厚 05 第 45 卷第 12 期试验研究