采空区气体分析组成及运移规律

采空区气体分析组成及运移规律研究

1前言

从流体力学和化学反应动力学出发，把数值模拟和实验研究有机的结合在一起，对采空区内瓦斯爆炸特性及影响因素进行研究。主要有以下几个方面探讨:

(1)采空区多组分气体产生及聚积规律根据采空区气体运移规律，分析采空区有源有汇的气体运移及在不同温度下的释放规律。

(2)采空区多组分气体爆炸特征及主要影响因素搞清采空区CH4、与多种可燃性气体共存条件下的多元瓦斯爆炸特征及其主要影响因素。

(3)运用FEMLAB软件对采空区多组分气体的爆炸进行模拟。

瓦斯爆炸是以CH4爆炸为主，多组分气体是指以CH4为主要成分的各种可燃性气体总和，除有CH4外还包括CO，CO2，H2和N2等气体。但由于时间有限，本文中仅考虑了CH4气体对瓦斯爆炸的影响，所以文中所指的多组分气体主要就是CH4气体。

2采空区多组分气体产生及聚积规律

2.1采空区多组分气体的来源

采空区多组分气体主要有三个来源:

(1)采空区煤层吸附瓦斯;

(2)煤氧化过程中产生的可燃性气体;

(3)煤高温热解所产生的气体。

采空区瓦斯主要来源于以下几部分，即围岩瓦斯涌出、没有开采煤层瓦斯涌出、回采煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出，如工作面周围有已采的老空区存在，也会向现采空区涌出瓦斯。这几部分瓦斯随着采场内煤层、岩层的变形或垮落而卸压，按各自的规律涌入采空区，混合在一起。而采空区遗留煤出现高温或发生自燃火灾，则附存在围岩、煤体内的瓦斯会加快释放速度。

煤氧气复合过程中，发生物理吸附、化学吸附和各级氧化反应。在此过程中，会产生CO , CO2 , C2H4 , C2H6 , C3H4等可燃性气体。

煤在不同温度下热解产物气态烃中以甲烷为主要成分，在400 0C至5000C 温度范围内随热解温度的升高，甲烷的体积分数逐渐增大，当热解终温达到

550 0C时略有下降。

当温度在500 0C-700 0C时，煤中挥发分大量析出，如C n H2n , CO和CO2等。煤在2800C以上干馏气体浓度可达5%以上，已经达到爆炸浓度极限。

2.1.1煤层吸附瓦斯来源

综放面的瓦斯来源与煤层赋存和开采条件有关系。与其它采煤方法的工作面相同，综放面的瓦斯来源概括来说，仍是由开采层、邻近层(包括围岩)瓦斯两部分组成。

综放面开采层瓦斯一般由四部分组成:

(1)采落煤炭瓦斯涌出

(2)放落煤炭瓦斯涌出

(3)工作面煤壁(包括支架上部煤壁)瓦斯涌出

(4)采空区遗煤涌出和采空区煤壁涌出

如在特厚煤层中，综放面一次开采高度小于层厚，则应考虑未采放部分煤体的瓦斯涌出，有上、下邻近层的厚煤层开采时，还应考虑邻近层(包括围岩)的瓦斯涌出。

众所周知，采空区内空气的压力一般在1个大气压左右，而邻近层煤层若未进行抽放或未受采动影响，其原始瓦斯压力可能高达十几个大气压甚至几十或近百个大气压，一旦与采空区有裂隙连通，则向采空区的瓦斯涌出是势不可挡的，使采空区的上部空间内充满高浓度瓦斯，成为“瓦斯仓库”一旦周期来压，势必造成采空区内的瓦斯大量涌入回采工作面。地面大气压的变化，也会引起采空区的瓦斯涌入综放面，由状态方程可知

PV=RT

采空区温度T在昼夜之间的变化不大，而大气压的变化可达几百甚至上千个Pa，则导致采空区内气体体积的变化，形成采空区所谓的“呼吸”现象，当为“呼”的过程时，便把采空区内的高浓度瓦斯带入工作面。

因此，采空区瓦斯主要由以下几部分产生:

(1)回采过程中采空区内部不可避免的要丢失一定的煤炭，这些煤将释放瓦斯;

(2)采空区顶板岩石裂隙中也释放一定量瓦斯;

(3)采空区底板及下部煤层的瓦斯也会通过裂隙释放到采空区之中;

(4)工作面的瓦斯也有部分进入采空区。

2.1.2煤氧复合过程产生的可燃性气体

煤自燃的发生和发展是一个极其复杂的动态变化过程，其实质就是一个缓慢地自动放热升温最后引起燃烧的过程。煤体发生自燃主要是由煤氧复合作用放出热量而引起的，煤与氧气复合是煤与氧自发产生的氧化放热反应，始于物理吸附，然后发生化学吸附和化学反应，整个过程中伴随着氧含量的减少，反应气态产物的增加，且有吸热和放热效应的发生。在煤低温氧化过程中，主要是煤分子中的非芳香结构侧链与氧发生反应，生成CO , CO和H20。随着煤温的不断升高，煤分子中的各种结构均会发生不同程度地断裂、裂解和裂化，并与氧发生反应，释放出CH4, C2H6, C3H5, C2H4, C2H2等各种气体从煤的低温氧化阶段直至着火燃烧阶段都能产生CO; 烃类气体是在煤温达到某一温度后的裂解和裂化产物。在实验条件下，当煤温达到700C -800C时出现乙烷，达到1100C一1300C时出现乙烯，达到1300C一1500C时出现丙烷、丙烯，煤温达到1500C一1700C时出现丁烯。

乙烯是煤氧化分解及热裂解的产物，乙烯的出现是煤进入加速氧化阶段的一个重要标志，乙烯浓度约在1500C一1600C左右开始猛增。烯烃气体则是煤体剧烈氧化时的产物，且煤温升高时烯烃的浓度随着增大，并且呈指数曲线状上升。

2.1.3煤的热解过程

一般来讲，煤的热解是指煤在隔绝空气或惰性气氛中持续加热升温且无催化作用的条件下发生的一系列化学和物理变化。煤的热解过程是煤气化等其他化学过程的第一步，它与煤的组成和结构有密切关系。煤的热解的机理、产物的性质及分布情况要受到煤的性质、加热速率、传热和热解气氛等特定条件的显著影响。煤在隔绝空气条件下加热时，煤的有机质随温度升高发生一系列变化，形成气态(煤气)、液态(焦油)、固态(半焦或焦炭)产物。煤的热解过程大致可分为三个阶段：第一阶段350 0C以前:在这一阶段，煤料被干燥、预热，并开始产生热分解，但煤料变化不大。煤化度低的煤，在200 0C左右开始发生脱碳酸反应而产生CO2及H20，超过3000C就开始生成焦油，但是在3500C以前焦油生成量很少，而且焦油生成量与煤的煤化程度有关，煤化程度越高，焦油生成量越少。在此阶段煤