瓦斯与煤自燃共存研究致灾机理

　第37卷第5期煤　　炭　　学　　报Vol.37　No.5　　2012年5月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYMay　2012　　　文章编号:0253-9993(2012)05-0843-07瓦斯与煤自燃共存研究(Ⅰ):致灾机理周福宝(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验,江苏徐州　221008)摘　要:调研了我国主要矿区229对矿井的瓦斯与煤自燃灾害现状,其中74对具有瓦斯与煤自燃共存的灾害,且随着开采深度增加,此类复合灾害的矿井数具有增多的趋势。为此,研究了瓦斯与煤自燃共存的内在关联性及致灾机理,提出裂隙场、CH4浓度场、O2浓度场和温度场4场交汇是致灾充要条件;建立了典型煤岩体裂隙场中气体运移数学模型,并结合实例定量分析了N2,O2,CH4的体积分数与运移速度关系;剖析了瓦斯与煤自燃共存灾害的案例,验证了多场交汇致灾机理。关键词:瓦斯;煤自燃;共存;灾害中图分类号:TD752．2;TD712．71　　　文献标志码:A收稿日期:2011-12-13　　责任编辑:毕永华　　基金项目:教育部新世纪优秀人才资助项目(NCET-08-0838);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2011JQP08);江苏省333人才支持计划资助项目(BRA2010134)　　作者简介:周福宝(1976—),男,江苏南京人,教授,博士生导师。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]fgasandcoalspontaneouscombustion(Ⅰ):disastermechanismZHOUFu-bao(StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou　221008,China)Abstract:Theinvestigationofgasandcoalspontaneouscombustionin229coalminesofmainminingareasinChinashowsthat74minessufferfromthecoexistenceofgasandspontaneouscombustionofcoal,thenumberofwhichhasaincreasingtrendwiththeminingdepthgrowing.Sothecoaldisastermechanismcausedbythecoexistenceofgasandspontaneouscombustionwasstudied,whichprovedthatdisastersariseonlyfromtheintersectionareaofCH4,O2andheatincracks.What’smore,themathematicalmodelofmulti-gasmigratingincrackswasbuiltupondefinitedata,es-tablishingtherelationshipbetweenmassconcentrationandvelocityofgasessuchasN2,O2andCH4.Atlast,typicaldisastercasesincoalmineswasanalyzedtoverifythepracticabilityofdisastermechanismofgasandcoalspontaneouscombustioncoexistence.Keywords:gas;spontaneouscombustionofcoal;coexistence;disaster　　矿井瓦斯爆炸和煤层自燃是煤矿主要灾害之一。在我国很多矿区,这两种灾害呈现共生的趋势,如铜川、义马、鹤岗、阳泉、鸡西、淮南、淮北等主要矿区的多对矿井开采煤层瓦斯含量高,同时自燃危险也较大。同一矿区随着采深增加,瓦斯与煤自燃灾害更趋于严重。此外,在高瓦斯矿井实施煤与瓦斯共采时,受采动裂隙场过大、抽采工艺欠合理等因素影响,也易造成煤层自燃。煤层瓦斯与自燃共生,使得灾害防控复杂化、艰巨化,类似的事故也发生多起。如2004年铜川陈家山415工作面采空区煤炭自燃引起瓦斯爆炸,166人遇难;2005年铁法大明煤矿煤自燃引发瓦斯爆炸事故造成9人死亡;2008年义马千秋矿21201采煤工作面同时出现自燃明火和瓦斯超限,工作面被迫停产34d。在瓦斯与煤层自燃的相互影响方面,国内外学者已开展了部分研究。BMedia-Struminska[1]提出了开采自燃煤层可燃气体爆炸危险性指数;SkotnicznyPrzemyslaw[2]建立了长壁工作面瓦斯浓度场和温度场的三维数学模型,提出在上隅角设置温度传感器监控自燃危险性;LimingYuan和AlexCSmith等[3]针煤　　炭　　学　　报2012年第37卷对美国瓦斯矿井火灾治理的难题,通过CFD软件模拟,对最易自燃区域进行了讨论。Dziurzynski[4]建立了基于矿井火区燃烧条件下瓦斯流动的非稳态数学模型;BBBeamish[5]针对含瓦斯、不含瓦斯、干燥高挥发分破碎煤样进行了自热实验,结果表明去除了瓦斯和水分的煤样从氧化自热到自燃的速度提高了一倍左右。周福宝等[6]研究了采用含氮气三相泡沫惰化火区、降低氧含量,防止含瓦斯气体流入上部火区引起瓦斯爆炸;李宗翔[7-8]研究了瓦斯涌出与煤层自燃关系,认为采空区瓦斯涌出强度大,自然发火期将降低,但会使自燃的燃烧阶段成长更为加快;王凯等[9]基于数值模拟研究了易自燃采空区瓦斯与火灾共治,指出实施瓦斯抽放能够减少采空区瓦斯向上隅角涌出,但是也使采空区漏风增大,加速采空区煤自燃。邓军等[10-11]研究了抽放条件下的自燃危险区域并进行了划分,发现随抽放管道进入采空区深部,中部采空区氧化升温带范围向回风侧有增大趋势,同时瓦斯抽放管道动态移动使回风侧采空区氧化升温带向采空区深部移动。虽然相关学者针对高瓦斯煤自燃问题做了大量研究工作,但瓦斯与自燃共存致灾机理及灾害的关联性尚未明确阐述。本文将在国内瓦斯与煤自燃灾害共存现状调研的基础上,开展两种灾害的内在关联性及致灾机理的研究。1　煤矿瓦斯与煤自燃灾害调研为了考察我国煤矿瓦斯与煤自燃灾害情况,向永煤、晋城、阜新、淮北、淮南、神华宁煤、峰峰、盘江等各大煤业集团发出了调研问卷,统计结果见表1。表1表明,所调研的229对大型矿井中有72．1%的矿井存在煤层自燃灾害,48．0%以上的矿井属于高瓦斯矿井,说明我国煤矿瓦斯与自燃灾害相当严重,而具有煤自然发火危险的高瓦斯矿井占32．3%,意味着我国有相当多的矿井面临瓦斯与煤自燃共存致灾的风险。目前我国煤层开采水平已进入深部,尤其是在未来10a,采深急剧增加[12]。故在我国煤矿的安全生产领域,以下问题将愈来愈急迫[13]:①煤层瓦斯含量不断增大,加上高产高效集约化生产模式的推广,尤其是放顶煤开采技术的普遍应用,矿井瓦斯涌出量和涌出强度不断加大;②地应力增大,巷道围岩应力增加,在开采扰动下,煤体破碎程度加大,与空气接触面增大,吸附氧能力提高;③地温升高,缩短了煤自然发火期。因此,未来进入深部开采后,低瓦斯矿井有向高瓦斯矿井转变的趋势,不易自燃煤层可能转变成自燃甚至容易自燃煤层。同时,高瓦斯矿井瓦斯灾害更加严重,具有煤自燃危险的矿井防灭火压力陡增。表1　国有重点煤矿瓦斯与自燃灾害不完全统计Table1　Incompletestatisticsofgasandcoalspontaneouscombustiondisasterinstate-ownedkeymines矿务集团(局)突出/高瓦斯矿井数自然发火矿井数突出/高瓦斯且煤层易自燃矿井数统计总数铁法煤业6868阜新矿业5546龙煤集团612612神华宁煤5858铜川矿业3538华亭煤业0909大同煤业2525晋城煤业3306霍州煤电1919开滦集团2525冀中能源1512438义马煤业2516永煤集团1315郑煤集团2114山东能源012012兖矿集团0808皖北煤电4224淮北矿业4747国投新集3434淮南矿业8668四川煤业98813松藻煤电6666盘江精煤6006其他1722932总计11016574229　　注:煤层自燃倾向性为Ⅰ类或Ⅱ类或者出现过自然发火灾害的矿井均统计为煤层自然发火矿井;一矿两井的按一座煤矿统计。2　裂隙尺度空间瓦斯与煤自燃共存致灾机理煤岩体内部存在大量微小孔隙、原生裂隙,受采动影响,许多次生大裂隙出现,煤岩空间形成了不同尺度范围的裂隙场;从整体看,井下巷道网络,为灾害发生及传播提供了空间,其几何特征量可看作广义的空间尺度。因此,矿井整体可抽象为不同尺度的煤岩体裂隙场的集合。同时在煤岩裂隙场中还存在以多元气体流动、热交换为基础的CH4浓度场、O2浓度场和氧化温度场,4场耦合关系如图1所示。其中,裂隙场、O2浓度场和温度场交汇区是煤自燃危险区。裂隙场、CH4浓度场、O2浓度场和温度场的交汇区(阴影区),煤自燃引发瓦斯燃烧或爆炸的危险区。在裂隙场、O2浓度场和温度场3场交汇区中,煤448第5期周福宝:瓦斯与煤自燃共存研究(Ⅰ):致灾机理图1　煤岩裂隙空间多场交汇平面示意Fig．1　Intersectionofdifferentfields自然发火条件是Sc(τ,x,y,z)=SO2(τ,x,y,z)∩ST(τ,x,y,z)∩Sl(x,y,z)(1)　　在裂隙场、CH4浓度场、O2浓度场和温度场4场交汇区中,发生瓦斯与自燃共存致灾的条件是Se(τ,x,y,z)=SO2(τ,x,y,z)∩ST(τ,x,y,z)∩Sl(x,y,z)∩SCH4(τ,x,y,z)(2)式中,Sc为自然发火区;Se为自燃与瓦斯灾害共存区;SO2为满足灾害发生的O2浓度分布区;SCH4为可燃或可爆瓦斯浓度分布区;ST为瓦斯可燃或可爆温度区;Sl为灾害发生的裂隙场。煤自燃时,需满足以下条件SlaSl(x,y,z)Slb(3)Sc(CO2C′O2,TTc)0(4)式中,C′O2为自燃临界氧浓度;Tc为自燃临界温度;la,lb为裂隙场满足自燃蓄热要求的尺度上、下限。自燃引发瓦斯灾害时,需满足以下条件:SlcSl(x,y,z)Sld(5)Se(CO2C″O2,TTS,C1CCH4C2)0(6)式中,lc,ld分别为自燃引发瓦斯灾害对应的尺度上、下限,受流体扩散、渗流介质传热等作用影响;C″O2为瓦斯燃烧(爆炸)氧浓度下限,注氮条件下取值为12．1%,在注二氧化碳条件下取值为14．3%;Ts为引燃临界温度,C1,C2为灾害发生时的瓦斯浓度上、下限。3　煤岩裂隙场中气体运移模型3．1　基本假设多场交汇致灾机理表明,煤岩裂隙场中,O2浓度场与CH4浓度场的交汇是煤自燃、瓦斯燃烧(爆炸)的关键,为此应深入研究煤岩裂隙场中O2,CH4等气体运移,以定量阐述煤岩裂隙场中O2浓度场与CH4浓度场交汇致灾机理。本文基于煤岩裂隙(如煤层裂隙、采空区裂隙)场建立了不同尺度下孔隙-裂隙煤岩介质中气体运移及浓度场分布计算模型,其基本假设如下:(1)假设外界流入煤岩裂隙场中的气体只包括O2,N2,CO2,CH4四种气体组分,且不考虑O2在煤基质和孔隙裂隙中的吸附效应;(2)假设气体在煤层中的解吸、吸附两种物理过程是同时瞬间完成的,且气体之间能够完全充分混合并充斥煤岩裂隙空间;(3)由于不考虑灾变期间煤岩裂隙场中气体运移,假设气体流动为等温过程,吸附解吸符合广义朗格缪尔等温吸附方程;(4)假设气体为理想气体,符合理想气体状态方程。3．2　物理模型图2为气体在煤岩裂隙中运移的物理模型示意,图中A,B,C,D为空气的入口,E,F,G,H为空气的出口,煤岩介质中充满瓦斯气体。ρ0,v0分别为进入煤岩裂隙场中的外界空气的初始密度和速度,单位分别为kg/m3和m/s;A0,Aτ分别为空气进入煤岩体的初始表面积和τ时间的