预报煤自燃的气体指标优选试验研究.pdf

第4 2 卷第1 期 2 0 1 4年 1月 煤 炭科 学 技 术 Co a l S c i e n c e a nd Te c hn o l o g y Vo 1 ． 4 2 No ． 1 J a n ． 2 0 1 4 预报煤 自燃 的气体指标优选试验研究 邓 军 ， ， 李 贝 ， 李珍宝 ， 张 莹 ， 关欣杰 1 ． 西安科技大学 西部煤矿安全教育部工程研究中心， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 2 ． 西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 3 ． 西安科技大学 能源学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 ； 4 ． 西安科技大学 继续教育学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘要 通过煤 自燃程序升温试验对峁底煤矿预报煤 自 燃气体指标进行试验研究， 利用试验得到煤氧 化热解过程中各阶段的气体组分和浓度， 通过格氏火灾系数和链烷比等方法对试验所得数据进行处 理分析， 依据指标气体优选原则， 选取 C O浓度、 第二火灾系数 R 2 、 链烷比 c H 6 ／ C H 作为判 断峁底煤矿煤 自 燃的主要气体指标； 以C H 浓度、 c H 浓度、 C 2 H 浓度、 第一火灾系数 尺 ． 和第三火灾 系数R 以及烯烷比作为辅助气体指标； 峁底煤矿煤样的自 燃临界温度为6 0 7 0℃， 干裂温度为 1 1 0 ～ 1 3 0 c C。该方法对于快速有效判断煤炭 自 燃阶段和程度， 预测预报煤层 自 燃有一定的指导作用。 关键词 煤 自燃 ； 程序升温试验 ； 格氏火灾系数 ； 气体指标 中图分类号 T D 7 5 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 - 2 3 3 6 2 0 1 4 0 1 - 0 0 5 5 - 0 5 Ex p e r i me n t S t u d y o n Ga s I n d e x e s Op t i mi z a t i o n f o r Co a l S p o n t a n e o u s Co mbu s t i o n Pr e d i c t i o n D EN G J u n ， 。 ，L I B e i ， L I Z h e n b a o 。 ． 一，Z HANG Y i n g ， GUAN Xi n ． i i e 1 ． E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f W e s t C h i n a C o a l S a f e t y ， n o fE d u c a t i o n ， X i ’ a n U n i v e r s i t y o fS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a ； 2 ． Mi n t u ofE d uca t i o n K e y L a b o r a t o r y of We s t e r n Mi ne E x p l o r a t i o n a n d H a z a r d P r e v e n t i o n ， X i ’a n U n i v e n i ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a； 3 ． C o l l e g e ofE n e r g y， X i ’ 0 n U n iv e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 4 ， C h i n a； 4 ． C o l l e g e of C o n t i n u a t i o n E d uca t io n， X i ’a n U n w e n i t y o fS c ie n c e a n d T e c h n o l o g y， X i a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a Ab s t r a c t An e x p e ri me n t s t u d y wa s c o n d u c t e d o n t h e g a s i n d e x e s f o r c o a l s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n p r e d i c t i o n i n Ma o d i Mi n e w i t h t h e p r o g r a mme d t e mp e r a t u r e ris e e x p e ri me n t o f c o a l s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n ． W i t h t h e g a s c o mp o n e n t s a n d c o n c e n t r a t i o n o b t a i n e d a t e a c h s t a g e o f t h e c o a l o x i d a t i o n p y r o l y s i s p r o c e s s ， t h e d a t a o b t a i n e d f r o m t h e e x p e rime n t s w e r e t r e a t e d a n d a n a l y z e d w i t h t h e Gr i g n a r d fi r e d i s a s t e r c o e f f i c i e n t ， k a n e r a t i o a n d o t h e r me t h o d s ． Ae c o Mi n g t o t h e o p t i mi z a t i o n p r i n c i p l e o f g a s i n d e x e s ， t h e C O c o n c e n t r a t i o n， s e c o n d fi r e d i s a s t e r c o e f - f i c i e n t R 2 a n d a l k a n e r a t i o C 2 H6 ／ C H 4 w e r e s e l e c t e d a s t h e m a i n g a s i n d e x e s t o a d j u s t c o a l s p o n t ane o u s c o m b u s t i o n i n Ma o d i Mi n e ． W i t h t h e CH4 c o n c e n t r a t i o n， C2 H4 c o n c e n t r a t i o n， C 2 H6 c o n c e n t r a t i o n， t h e fi r s t fi r e d i s a s t e r c o e f fi c i e n t RI a n d t h e t h i r d fi r e d i s a s t e r c o e ffi c i e n t R3 a n d a l k e n e a l k a n e r a t i o a s t h e a u x i l i a r y g a s i n d e x e s ， t h e s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n c ri t i c a l t e mp e r a t u r e r a n g e o f t h e c o a l s a mp l e s f r o m Ma o d i Mi n e w a s 6 07 0℃ a n d d r y c r a c k i n g t e mp e r a t u r e wa s 1 1 01 3 0℃ we r e o b t a i n e d ． T h i s me t h o d w o u l d h a v e c e r t a i n g u i d e f u n c t i o n t o e f f e c t i v e l y a d j u s t t h e fi ri n g s t a g e a n d d e g r e e o f t h e c o a l s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o n ， a s w e l l a s t o p r e d i c t a n d f o r e c a s t t h e s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n o f t h e s e a i n ． Ke y wo r d s c o a l s p o n t a n e o u s c o mb u s t i o n； p r o g r a mme d t e mp e r a t u r e r i s e e x p e r i me n t ； G rig n a r d fi r e d i s a s t e r c o e f fi c i e n t ； g a s i n d e x e s 0 引 言 煤炭 自燃火灾一 直是我 国煤矿 的主要 灾害之 一 。据不完全统计， 煤矿 因自燃而引起的火灾 占 煤矿火灾总数 的 8 0 ％以上 ， 煤 自燃严重 威胁煤 矿 的安全生产。煤 白燃是非常复杂的物理、 化学变 收稿E t 期 2 0 1 3 - 0 8 2 0 ； 责任编辑 王晓珍D O I 1 0 ． 1 3 1 9 9 ／ j ． c n k i ． c s t ． 2 0 1 4 ． 0 1 ．0 1 4 基金项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 资助项 目 2 0 1 1 C B 4 1 1 9 0 2 ； 教育部创新团队支持计划资助项 目 I R T 0 8 5 6 ； 国家 自 然基金重点 资助项目 5 1 1 3 4 0 1 9 作者简介 邓军 1 9 7 0 一 ， 男， 四川大竹人， 博士生导师 ， 教授， 博士。T e l 1 8 7 9 2 8 7 9 4 9 4 ， E m a i l 4 9 5 4 6 9 0 9 1 4 7 q q ． c o n 引用格式 邓军， 李贝， 李珍宝， 等． 预报煤 自 燃的气体指标优选试验研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 4 ， 4 2 1 5 5 5 9 ， 7 9 ． D E N G J u n ， L I B e i ， L I Z h e n - b a o ， e t a 1 ． E x p e r i m e n t S t u d y o n G a s I n d e x e s O p t i m i z a t i o n f o r C o a l S p o n t a n e o u s C o m b u s t i o n P r e d ic t i o n[ J ] ． C o a l S c i - e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 4， 4 2 1 5 5 5 9 ， 7 9 ． 55 2 0 1 4 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 2 卷 化过程 ， 是多变的自加速的放热过程， 该过程主要 是煤氧复合作用过程 J 。煤 自燃具有发火点隐 蔽 、 难发现 、 难治理等特点 ， 危 害严 重。 目前 ， 煤 自 燃早期预报 的方法主要为标志气体分析法_ 2 J 。 研究表明， 当煤质一定时， 煤的热解生成物的种类 以及浓度与温度等有一定的规律。因此， 可以根 据各矿井实 际观测 情况 ， 通过分 析 释放在某 温度 段产生的气体浓度与热解温度之间的关系， 找出 符合一定规律的气体指标 ， 用 自燃指标气体浓度 衡量该矿煤自燃的危险程度。该方法作为早期预 测预报煤炭自燃火灾的有效途径在煤矿中得到广 泛的应用 引 。笔者对峁底煤矿 1 3 2 0 4综放工作 面煤样进行加热升温， 在不同温度下， 测试煤样的 C O、 C O 、 C H 、 C H 、 C z H 等气体的产生量等， 通 过对比分析格氏火灾系数和烷烃、 烯烃和炔烃等 气体之间的比值 ， 优化该煤样的气体指标选择， 避 免采用单一 C O气体指标， 从而提高煤自燃预报的 可靠性 ， 为掌握该矿的煤炭 自燃规律 ， 准确预报煤 层自然发火提供依据。 1 煤自燃程序升温试验设计 1 ． 1 试验流程及原理 煤 自 燃程序升温试验流程如图 1 所示 ， 在 1 个 直径为 1 0 c m、 长 2 5 e m的特制钢管中， 装入 1 0 0 0 g 煤样， 为使通气均匀， 试验时装煤钢管上下两端分别 留有约2 c m高的自由空间， 然后将其置于利用可控 硅控制温度的程序升温箱 内加热 ， 并利用空气泵从 底部送人预热空气 ， 从顶部采集不同煤温条件对应 的试验气体， 用色谱仪分析其成分， 可得该矿煤样热 解生成物 的种类 以及浓度 与温度 之间 的变化规 律 曲线。 图 1 煤 自燃程序升温试验流程 1 ． 2 试验步骤及条件 在 1 3 2 0 4 综放工作面采集到煤样后， 密封装入 编织袋备用。然后用鄂式破碎机在空气中对该煤样 进行破碎， 后用标准筛筛分出足量 0 ． 9 3 ． 0 、 3 ． 0 5 ． 0 m m两种粒径的煤样。取 2种不同粒径的试验 煤样各 1 0 0 0 g ， 分别装到不同编号的试管进行升温 5 6 测试， 煤样初始温度为 1 9 ． 2 3℃， 程序升温箱初始温 度设为3 0 c 【 ， 调节空气流量为 1 2 0 m lMm i n ， 试验试 样每升高 1 O 取一次热解气体， 用 S P 一 3 4 3 0气相 色谱仪对气样组分和浓度进行分析。峁底煤矿煤 自 燃程序升温试验条件见表 1 。 表 1 煤自燃程序升温试验条件 2 煤 自燃程序升温试验结果分析 2 ． 1 气体指标结果分析 通过峁底煤矿 2 种粒径煤样的煤自 燃程序升温 试验 ， 测得有 0 、 N 2 、 C O、 C O 2 、 C H4 、 C 2 H4 、 C 2 H6 气 体， 绘制了各气体组分浓度与温度的关系曲线， 对比 各温度条件下各气体成分变化规律。 1 C O浓度与温度 的关 系。C O浓度随温度 的 变化规律如图 2所示 。随着煤 温的升高 ， 试验过程 中C O生成浓度总体呈上升趋势， 整个试验过程 C O 浓度产生速率与温度基本成指数规律变化 ①煤温 从常温达到 6 0℃的阶段， 便检测出 C O ， 但浓度很 小， 且其随温度升高而增大的趋势不明显， 说明该煤 样在低温阶段就存在煤氧复合作用； ②煤温在 6 0 ～ 8 0℃， C O浓度随温度升高和增大的趋势 比较 明显 ， 煤氧复合作用加快， C O浓度急速增加； ③当煤温超 。 过 8 0 ～1 0 0 o C， 进入快速氧化 阶段 ， C O浓度急剧增 加， C O浓度产生速率也最大； ④1 号煤样和 2号煤 样从 1 3 0 开始， C O浓度产生速率放缓， 但总体上 仍呈上升趋势。对于该煤样 ， 若 C O浓度大量产生 并呈继续上升趋势 ， 则说 明煤炭 已发生较强 的氧化 反应， 开始进入 自燃阶段， 据此可预报煤的 自燃 状况。 25 2 0 1 5 1 0 菩s U 图2 C O浓度- 9温度关系曲线 2 C H 浓度与温度的关系。C H 浓度随温度的 邓军等 预报煤 自燃的气体指标优选试验研究 2 0 1 4年第 1 期 变化规律如图3 所示， 低于 9 0℃时， 就能检测到微 量 C H ， 这可能是煤体中赋存的原始 C H 随温度升 高脱附产生。C H 浓度产生速率不大， 可能是其氧 化程度还未达到使煤体内大分子支链断裂 ， 从而产 生大量 C H 的阶段； 高于 9 0℃， 浓度开始持续增大， 煤的化学反应开始加速 ， 在 9 0 ～1 3 0 o C， C H 的生成 浓度与温度近似呈指数增长， 主要是煤体内大分子 支链裂解释放大量的 C H 气体。当煤温超过 1 3 0 oC， C H 浓度产生速率放缓， 但其生成量仍呈增长趋 势。故可推断甲烷大量产生的阶段与煤的干裂温度 有关。 宝 ＼ 糕 求 U 图3 C H 浓度- 9温度关系曲线 3 C H 、 C H 浓度与温度 的关系。C H 、 C H 6 浓度随温度的变化规律如图 4所示， 温度小于 1 0 0 ℃时， c H 、 c H 气体含量极低， 随着煤温的升高， c H 、 c H 气体浓度开始增大。煤温超过 1 1 0 o C 时 ， C H 生成浓度呈指数上升 ， 试 验条件下检测到 的c H 体积分数始终在 5 0 x 1 0 以下， 故其浓度值 只作为参考。在 1 0 0 ～ 1 3 0℃时， c H 生成浓度增长 较快， 当煤温在 1 3 0 ～ 1 5 0 o C 时， 出现裂解的阶段性 峰值， 之后 c H 浓度产生速率随煤温增大而快速增 加。对于该煤样， 若检测到 C 2 H 出现且其浓度呈增 长趋势时， 说明煤炭自燃已经达到剧烈反应阶段， 应 加强观测， 排查可能自燃的部位 ， 采取堵漏降氧降温 等相关技术措施。 2 ． 2 格 氏火灾系数分析 英国学者格雷哈姆 提出的格 氏火灾系数 第一 火灾系数 R 、 第二火灾系数 尺 、 第三火灾系数 R 是指由煤的氧化过程中 C O 浓度的增量 A C O 、 2 5 0 2 0 0 l 5 0 l 0 0 5 0 0 2 0 40 6 0 8 0 1 O O 1 2 O 1 4 0 1 6 O 1 8 0 温度 ／ C a 第 一火 灾系数R， 宝 ＼ 温度／ ℃ b C 2 H6 浓度 图4 C 2 H 、 C 2 H6 浓度- 9温度关系曲线 C O浓度增量 A C O 和 0 浓度的减少量 一 A O 进 行计算。从而可以避免单一指标易受风流、 取气地 点等影响 J 。具体计算公式如下 R 1 A C O 2 ／ 一A O 2 1 0 0 ％ 1 R 2 A C O ／ 一A O 2 1 0 0 ％ 2 R 3 A C O ／ A C O 2 1 0 0 ％ 3 通过运用上述公式对试验所测数据进行处理分 析， 分别计算出峁底煤矿煤样的3 个火灾系数， 绘制 其与温度的关系曲线 ， 如图 5所示。由图 5 a 可 以看 出， 从试验开始时起， R 的值便一直上升， 到 5 0 ℃附 近时 ， 其值达到峰值 。5 0℃后 ， 由于煤氧复合作用 加快， 耗氧速率大于 C O 产生速率， 故 ， 值下降。 从 8 0℃开始维持在 2 5 左右， 1 6 0℃附近时其值开 始急速上升， 其原因是煤温达到自燃临界温度， 进人 自燃阶段， C O 浓度增速大于 0 浓度的减少速率。 由图5 b 看出， 值在 6 0 ～ 1 3 0 o C 保持稳定并维 持在 1 0 ％附近。从 1 3 0 o C 开始R 值增长变快， 并在 1 4 0 o C左右时超过 2 5 ％， 并达到峰值 ， 之后 随温度呈 指数型增加 ， 增 长趋势 明显。由试 验数 据可知， 当 ，值超过 1 0 ％， 煤温已经达到或超过 自燃临界温 度， 进入煤 自燃阶段； 当 R 值超过 2 5 ％时， 煤氧复 图5 煤样格氏火灾系数随温度变化曲线 温度／ ℃ c 第三火灾系数 5 7 2 0 1 4 年第1 期 煤 炭 科 学 技 术 第4 2 卷 合作用强烈， 进入干裂阶段； 当月 超过 5 0 ％时， 煤 样发生剧烈的氧化反应 ， 试验条件下相应煤温超过 1 5 0 o C， 应及时采取相应措施。 由图 5 c可以看 出， 从常温到 1 0 0℃的过程 ， 随 着煤温的上升 ， 尺 值逐渐增大 ， 但数值较小； 当煤温 超过 1 0 0 ～1 3 0℃以后 ， 煤氧复合作用加大， 煤进入 干裂阶段 ， 值大于 5 0 ％， 之后呈上升趋势 ， 分别在 1 4 0和 1 6 0℃附近 2次达到峰值， 并且 尺 值超过 1 0 0 ％， 最高达到 5 0 0 ％。1 3 0 c IC 之后 ， 尺 值 总体呈明 显上升趋势 ， 但 出现 2次较大波动 ， 规律性不 太明 显， 故以 值作为辅助指标为宜。 2 ． 3 链烷 比、 烯烷比分析 试验证 明， 链烷 比受风流及 自燃范 围的影响较 小。根据链烷 比的变化 ， 预报煤炭 自燃的发展阶段 ， 比单独根据 C O进行预报更合理 J 。煤在氧化升温 过程中释放 的 C H 、 C H 、 C H 等烷烃气体 ， 主要有 2 个来源 ①煤体中吸附的烷烃气体随着温度的升 高而释放出来； ②升温过程中煤干馏和裂解阶段大 分子支链断裂产生 。各种烷烃气体的产生及其 浓度与温度之间有一定的联系， 故分别计算了该煤 样氧化升温过程 中的乙烷与甲烷 、 乙烯和甲烷 、 乙烯 和乙烷的浓度比值 ， 并绘制 了比值随温度变化曲线 。 1 链 烷 比分 析。 c H C H 的值 由 c H 和 c H 的浓度产生速率决定， 如图 6所示， c 2 H 6 ／ C H 总体呈上升趋势。8 0 q C之后， c H 的浓度产生速率大于 C H 的浓度产生速率， 比 值上升较快， 很快超过0 ． 2 。1 0 0 ～ 1 3 0℃， 其比值增 速较平稳 ， 其值保持在 0 ． 3附近。1 3 0 o C之后开始 进入煤的加速氧化阶段， c H 的浓度产生速率再次 大于 C H 的浓度产生速率， 其比值开始快速增长， 并 呈继续上升趋势 。该煤样 的 C H ／ C H 超 过 0 ． 2 ， 则说明煤体已经发生较为强烈的煤氧复合 作用 ， 试验条件下煤温超过 自燃临界温度范围； 若比 值在 0 ． 3上下浮动 ， 试验条件下 ， 煤温已接近或超过 该煤样的干裂温度范围。 5 8 图6 C H ／ C H 随温度变化曲线 2 烯烷比分析。 C H ／ C H 总体上随温 度变化 呈 上 升趋 势 ， 如 图 7 a所 示。9 01 1 0 o C， C H C H 小于 0 ． 0 4 ， 1 号煤样在 1 3 0 o C时 ， C H C H 超过 0 ． 0 6达到峰值 ， 随后略有下 降， 1 4 0℃开始随温度升高继续上升， 说明 c H 的 浓度产生速率大于 C H 的浓度产生速率， 比值超过 0 ． 0 6 ； 2 号煤样在 1 2 0 oC时， C 2 H 4 ／ C H 达到 峰值， 1 4 0℃时达到第 2 个峰值， 煤温超过 1 1 0℃之 后 ， c H C H 大于 0 ． 0 4 ， 并呈上升趋势 。 1 0 0 8 06 0 4 02 8 0 9 0 1 0 01 1 01 2 01 3 01 4 0l 5 Ol 6 01 7 01 8 O 温度／ ℃ a 妒 C 2 H 4 CH4 温 度 ／ ℃ b rp C 2 H a ／ p C 2 H 6 图7 烯烷 比随温度 变化 曲线 C 2 H ／ c H 值随氧化反应的加深总体 呈上升趋 势， 如 图 7 b所示 ， 1号煤样 的 C H ／ C 2 H 整体增长较平稳 ， 总体上说 C H 的产生速 率稳定 大 于 c H 的 浓度 产 生 速 率 ； 2号 煤 样 的 c H ／ C 2 H 波动较大， 规律性不明显， 但其 比值在 1 2 0 ～1 3 0 o C时达到最大， 说 明该阶段产生的 c H 的浓度产生速率大于c H 的浓度产生速率， 煤 氧化分解气体 烷烃、 烯烃气体 产生机理 目前还不 太明确 ， 但其氧化过程 中烷烃 、 烯烃的析出具有较明 显的分段特征， 因此烯烷 比 C H C H 可 以用于作对 比参考。 3 煤 自燃气体指标优选 对于煤自燃的早期预测预报气体指标的选择， 应遵循以下原则 ①易于检测 现有的检测设备可及 时准确地检测出气体指标的组分和浓度； ②灵敏度 高 煤样复合作用过程中， 当煤温上升到一定值时， 气体指标一定出现， 并随煤温升高稳定增大； ③规律 性好 气体指标浓度与煤温之间有 良好的对应关系 ， 同一煤层煤样在热解试验时重复性较好 卜 。基 于上述原则， 对峁底煤矿的煤样 自燃预报气体指标 邓军等 预报煤 自燃的气体指标优选试验研究 2 0 1 4年第 1 期 做出如下选择。 1 C O浓度作为预报煤 自燃的主要气体指标之 一 ，C H 、 C H 、 C H 浓度作为辅助气体指标。因该 矿煤样热解产生的 C O浓度与煤温之间具 有较好 的 规律性， 故以 C O浓度作为衡量煤 自燃阶段和程度 的观测指标 。当煤温超过 自燃临界温度后 ， C O产生 量急速增 加 ， C O浓度 增长 速率 加快 试 验条 件下 C O体积分数超过 1 0 0 0 X 1 0 并呈继续 上升趋势 ， 则说明煤炭已发生较强 的氧化反应 ， 开始进入 自燃 阶段 ， 据此可预报煤的 自燃状况。 地质资料表明， 峁底煤矿为低瓦斯矿井， 低温阶 段检测出的微量 C H 应为煤 中瓦斯脱 附产物 ， 甲烷 的大量产生应与煤 的干裂温度有关 ， 当 C H 大量产 生并呈上升趋势时表明煤 自燃进入快速氧化反应阶 段 ； C H 、 C 2 H 在低温氧化阶段 的析出不稳定 ， 当温 度超过 1 1 0℃ ， 其浓度增大应为煤体 内大分子支链 裂解释放大量气体导致的， 试验条件下， 当 c H 体 积分数超过 5 0 X 1 0 且浓度仍呈增长趋势时， 煤 自 燃 已经到快速反应阶段 ， 可预测煤温 已超过干裂温 度 ， 应按照相关程序尽快采取堵漏降氧或者降温的 技术措施。因 C H 、 C H 、 C H 浓度变化 在一定程 度上能反应煤 自燃状态等 ， 将 C H 、 C H 、 C H 浓度 作为辅助气体指标。 2 第二火灾系数 ， 作 为预报煤 自燃 的主要气 体指标， 第一火灾系数 R ． 和第三火灾系数 尺 ， 作为辅 助气体指标。当R 值超过 1 0 ％H ， 说明该煤样已经 达到自燃临界温度， 进入煤 自燃阶段； 当 尺 值超过 2 5 ％时 ， 说 明煤氧复合作用强烈 ， 煤已经进入干裂 阶 段； 当R 超过5 0 ％并呈上升趋势时， 说明煤样已发 生剧烈 的氧化反应 ， 试验条件下煤温超过 1 5 0℃时 ， 应采取相应措施 。 尺 和 R 可辅助第二火 灾系数判断煤 自燃 阶段 以及 自燃程度。当 超过 1 0 0 ％且急速增加时 ， 说 明煤炭 已经进入剧烈反应 阶段 ； 当 R ， 大于 5 0 ％， 煤 氧复合作用加大， 煤进入干裂阶段， 煤温已达到或超 过 1 0 0℃ ； 当 超 过 1 0 0 ％， 说 明煤 已进入 干裂 阶 段 ， 煤温 已超过 1 3 0℃ ， 应及时采取相应措施 。 3 链烷比作为主要气体指标 ， 烯烷 比作 为辅助 气体指标。 C H C H 总体呈上升趋势， 规 律较明显， 适合作为该矿的判断煤 自燃的主要气体 指标。对于该煤样， 若 c H ／ C H 超过 0 ． 2 ， 则说明煤体已经发生较为强烈的煤氧复合作用， 试 验条件下煤温超过 自燃临界温度范围； 若 C H ／ C H 在 0 ． 3上下浮 动 ， 随温度而增 长的趋势 明 显 ， 表明煤炭 已进入干裂阶段 ， 试验条件下对应温度 达到或超过 1 1 0℃。 烯烷比总体上随温度变化呈上升趋势， 其氧化 过程中烷烃 、 烯烃的析出具有较明显的分段的特征 。 但是 ， 由于煤 的氧化分解气体 烷烃 、 烯烃气体 的 产生机理目前还不太明确， 且其低温氧化阶段气体 的产生不稳定 ， 不能明确反应与煤温的关系 ， 故其可 辅助判断煤 自燃氧化状态和程度 ， 因而可作为辅助 气体指标。 4 结 论 1 结合试验测试结果， 选择合适的峁底煤矿预 报煤 自然发火气 体指标 。以 C O浓度 、 第二火灾系 数 尺 、 链烷比 c H ／ c H 的值作为预测煤 自 燃的主要气体指标； 以 c H 、 c H 、 c H 浓度、 第一 火灾系数 R 和第三火灾系数 尺 以及烯烷 比作为辅 助气体指标。 2 峁底煤矿煤样 自燃 临界温度在 6 0 ～ 7 0℃ ， 干 裂温度在 1 1 0 ～1 3 0℃附近 。 3 应根据试验所 测参数 ， 结合 现场实测情况 ， 综合判断煤自燃情况， 并不断修正相关气体指标参 数， 使其与实际煤层发火情况相匹配， 有效指导煤矿 防灭火工作。 参考文献 [ 1 ] 徐精彩． 煤 自燃 危险 区域判 定理 论 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版 社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] 刘高文， 徐精彩 ， 李莉． 姚桥矿煤最短自 然发火期实验和数值 分析 [ J ] ． 辽宁工程 技术 大学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 0 2 ， 2 1 3 2 7 4 -2 7 7． [ 3 ] 邬剑明， 彭举 ， 吴玉国． 煤堆自燃过程的数值模拟[ J ] ． 煤炭科 学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 6 7 7 0 ． [ 4 ] 余明高， 贾海林， 潘荣锟． 乌达矿区煤自燃预测标志气体研究 [ J ] ． 河南理工大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 2 8 9 9 5 ． [ 5 ] 马 威． 西庞煤矿复采工作面采空区浮煤自燃规律及防治技术 研究[ D ] ． 西安 西安科技大学， 2 0 0 9 ． [ 6 ] 罗海珠 ， 钱国胤． 各煤种 自然 发火标 志气体指标 研究 [ J ] ． 煤 矿 安全 ， 2 0 0 3， 3 4 S 1 8 6 8 9 ． [ 7 ] 肖 呖， 王振平， 马砺， 等． 煤 自燃指标气体与特征温度的对 应关系研究[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 8 ， 3 6 6 4 7 5 1 ． [ 8 ] 郑兰芳， 邓军． 不同温度阶段煤 自 燃的实验研究[ J ] ． 武警学 院学报 ， 2 0 1 0， 2 6 4 1 6 1 8 ． 下转第 7 9 页 5 9 韩斌慧等 悬臂式掘进机截割减速器壳体固有动特性研究 2 0 1 4年第 1 期 响应的测试方法 ， 该方法具有操作简便 的优点。为 避免模态丢失， 保证尽可能多的模态被激出， 选择壳 体的输入端为激励点。测试中， 输入力信号及输出 响应信号均经数据采集系统进行记录， 并用模态分 析软件实时观测敲击时测点的频率 响应函数。壳体 模态试验结果见表 1 。 表 1 壳体模态试 验结果 由表 1可知 ， 有 限元分析 F E M 结果和模态试 验 E X P 结果基本一致， 说明了截割减速器壳体振 动模态有限元分析方法的可行性 。计算可得齿轮啮 合频率 4 2 2 ． 0 6 H z ， 远小 于 壳体 一 阶振 型频 率 8 3 9 ． 4 4 H z ， 因此齿轮啮合产生的激振力不会 引起截 割减速器壳体共振 。 5 结 论 1 联合 S o l i d w o r k s 和 Wo r k b e n c h进行模态分析 所得结果 ， 与试验有较好 的一致性 ， 是掌握悬臂式掘 进机截割减速器壳体固有动特性的有效方法。 2 分析结果表明， 悬臂式掘进机截割减速器壳 体主要固有频率在 8 3 9 ． 4 4 ～ 1 4 8 1 ． 7 0 H z ， 而啮合振 动频率为 4 2 2 ． 0 6 H z ， 壳体 的固有 频段完 全避开 了 共振区 ， 截割减速器壳体设计合理。 3 从各阶振型来看 ， 截割减速器壳体局部 的最 大位移均 比较大 最大变形为三 阶振型时轴向最大 压缩量 ， 为 0 ． 1 8 3 m ， 因此可通过增加厚度 ， 改变加 强筋尺寸 ， 加大齿 圈壁厚等方式提高刚度 ， 从而提高 抗 振 能 力 参考文献 [ 2 ] Aa m u 0， Er g i n H． A Ne w Me t h o d t o Ev a l u a t e Ro a d h e a d e r Op e r a - t i o n a l S t a b i l i t y [ J ] ． T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 6 2 1 1 7 2 1 7 9 ． E Mu s t a f a E y y u b o g l u， Na c i Bo l u k b a s i ． E f f e c t s o f Ci r c u mf e r e n t i a l Pi c k S p a c i n g o n Bo o m T y p e Ro a d h e a d e r Cu t t i n g He a d Pe r f o r m a n e e[ J ] ． T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ， 2 0 0 5 2 0 4 1 8 4 2 5 ． [ 3 ] 郝建生． 悬臂式重型掘进机关 键技术 探 讨[ J ] ． 煤炭 科学技 术， 2 0