易自燃厚煤層工作面自然發(fā)火CO預測及防治

郭 軍，程小蛟，武 劍，樊世星，王偉峰

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054； 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 7100543； 3. 兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦安監(jiān)處，山東 菏澤，274000)

0 引言

我國礦井采空區(qū)遺煤自燃占井工開采煤自燃總數(shù)的60%，極大地威脅著煤礦的安全開采和礦工生命安全[1～3]。采空區(qū)遺煤氧化是一個熱量積聚的過程，而浮煤堆積厚度作為放熱和蓄熱的物質(zhì)條件在此過程中起著至關(guān)重要的作用[4]。在易自燃厚煤層放頂開采過程中，受地質(zhì)條件、放煤工藝、工人素質(zhì)等因素影響，采空區(qū)通常會遺留連續(xù)的松散煤堆，為熱量積聚提供物質(zhì)條件，形成遺煤氧化升溫的“正反饋”[5]，而工作面漏風又為遺煤提供充足的氧環(huán)境，促進了遺煤氧化及熱量積聚[6]。

由于采空區(qū)位置特殊，發(fā)火位置較為隱蔽，采空區(qū)發(fā)火狀況的準確判定一直以來都是世界性難題，通常采用氣體分析、溫度監(jiān)測、數(shù)值模擬的方法來預測發(fā)火情況[7-8]。例如，周西華等[9]采用數(shù)值模擬的方法，研究了工作面不同進風量時采空區(qū)氧化升溫帶的變化規(guī)律，得到了工作面供風量與氧化升溫帶寬度的擬合曲線；李品[10]采用COMSOL數(shù)值模擬的方法，研究了工作面不同推進距離下以流速和氧體積分數(shù)為劃分指標的采空區(qū)氧化帶范圍和高溫區(qū)域的變化規(guī)律，分析了高溫區(qū)域與氧化帶的疊加效應；陸偉等[11]針對采空區(qū)氣體負壓束管監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，提出了以正壓作為檢測氣體的輸送方式，研制一種正壓束管監(jiān)測系統(tǒng)，用于采空區(qū)煤自燃預測預報工作；劉承宇[12]對采空區(qū)氣體進行實地采樣分析,得出其分布規(guī)律，并用FEMLAB軟件分析了采空區(qū)漏風滲流速度場、流線、風速場和風壓場情況，得出采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域。

受采空區(qū)風流影響，工作面監(jiān)測到的溫度難以準確反映遺煤氧化程度，故現(xiàn)場常以氣體分析為主，溫度監(jiān)測為輔[13]。對于氣體分析法，在煤氧復合反應的低溫階段，常通過分析不同溫度下CO，O2，CH4，C2H2等氣體濃度變化來作為預測指標；此外，也有學者通過CO/△O2，CO2/CO，O2/N2等氣體比率作為評價采空區(qū)自然發(fā)火指標[14-15]。盡管研究的傾向性不同，但公認的CO作為最敏感、容易探測的氣體，對預測采空區(qū)發(fā)火狀況具有重要作用。

本文以某生產(chǎn)工作面為背景，通過建立回風隅角CO數(shù)學模型，預測回風隅角CO極限濃度，結(jié)合Fluent模擬及采空區(qū)束管監(jiān)測研究自燃“三帶”分布特征，采取相應的防治技術(shù)，以期準確預測采空區(qū)煤自燃程度，并消除遺煤自燃隱患。對采空區(qū)煤自燃預測預報及預防工作具有重要的指導和借鑒意義。

1 回風隅角CO濃度模型

正常開采條件下，回風隅角CO主要來源于破碎煤體的氧化。根據(jù)煤體氧化時間不同，回風隅角CO來源主要由3部分組成[16-18]，分別為：①采空區(qū)深部遺煤氧化；②推采過程中進入采空區(qū)的遺煤氧化；③支架上方煤體氧化。表達式描述如下：

(1)

式中：C1為自燃帶產(chǎn)生的CO濃度，m3/min；C2為散熱帶產(chǎn)生的CO濃度，m3/min；C3為煤層破碎過程中產(chǎn)生的CO濃度，m3/min；Qg為采空區(qū)漏風風量，m3/min。

C1，C2，C3表達式如下：

C1=αSW1(1-η)VCO(T)

(2)

C2=βSW2(1-η)VCO(T)

(3)

C3=vSδ(t)

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)，回風隅角處CO濃度表達式為：

(5)

通常情況下，煤體破碎過程中產(chǎn)生的CO量遠遠小于氧化復合反應產(chǎn)生的CO量。因此，回風隅角CO濃度表達式可簡化為：

(6)

式中：α為自燃帶的校正系數(shù)，(一般情況下，綜放面取0.2～0.4，本文α取0.3)；β為散熱帶的校正系數(shù)(一般取0.8～1，本文β取0.9)；S為回采面截面面積；W1，W2分別為自燃帶與散熱帶范圍的寬度，m；η為開采率，%；VCO(T)為溫度為T時，CO釋放速率，mol/(m3·s)；v為推進速率，m/d；δ(t)為每生產(chǎn)1 m3的煤CO產(chǎn)出量，mol/m3；μ為漏風系數(shù)，min/m3；Q為工作面供風量，m3/ min。

2 CO產(chǎn)生率與特征溫度對應關(guān)系

為獲得工作面煤樣自燃過程中CO氣體產(chǎn)生規(guī)律，從工作面取平均粒徑大于500 mm的新鮮煤樣，用塑料薄膜包封密實直接送至實驗室，破除表面氧化層，取煤芯處煤樣，經(jīng)顎式破碎機破碎處理，篩分出粒度為0～0.9 mm，3～5 mm，7～10 mm的3種煤樣，并對將上述煤粉按質(zhì)量比1∶1∶1混合成混樣。共準備上述4種實驗煤樣，每個樣品均1 kg。

實驗裝置由5部分組成：供氣裝置、升溫裝置、煤樣試管、尾氣回收裝置及氣相色譜儀[19]。為保證供氣均勻，分別在煤樣罐上下各留20 mm的自由空間，將煤樣罐置于升溫箱中，通入流量為120 mL/min的預熱空氣，進行程序升溫實驗。升溫過程中，煤溫每升高10℃，采集氣體，用氣相色譜儀進行成分分析[20]。當煤溫達到預定溫度時，停止實驗。

經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)處理，得到的煤樣CO產(chǎn)生率與溫度關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 煤樣CO產(chǎn)生率與溫度關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between CO production rate and temperature of coal samples

從圖1可知，各粒徑煤樣CO產(chǎn)生率均隨溫度的升高而增加。當煤溫升至60～75℃時，CO產(chǎn)生率有顯著的增長趨勢，存在一個CO濃度突變的溫度點，即CO的突變臨界溫度處于60～75℃之間；當溫度達到100～120℃時，CO產(chǎn)生率隨溫度變化成倍增長，且氣體產(chǎn)物中有乙烯出現(xiàn)，故CO的二次突變溫度、干裂溫度均處于100～120℃范圍內(nèi)。

采用回歸多項式擬合的方法，對各溫度下CO濃度平均值進行擬合處理，擬合方程如下：

Y=Intercept+A1X+A2X2+A3X3+A4X4+A5X5

(7)

擬合方程的參數(shù)見表1。

表1 多項式擬合方程參數(shù)Tab.1 Parameters of polynomial fitting equation

通過擬合可得到各特征溫度范圍的CO產(chǎn)生率的變化規(guī)律，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 不同溫度范圍CO產(chǎn)生率Table 2 CO production rate in different temperature ranges

3 數(shù)值模擬

3.1 工作面概況

試驗工作面的現(xiàn)場情況如下：工作面地質(zhì)構(gòu)造復雜，存在一逆向斷層，傾角35°，高度落差達24 m。煤層厚度不一，厚度最大為13 m。正常條件下，瓦斯絕對涌出量小于1.5 m3/min；遇地質(zhì)條件復雜時，存在局部瓦斯異常的狀況。具體參數(shù)如表3所示。

表3 工作面參數(shù)Table 3 Parameters of working face

3.2 幾何模型

利用Gambit進行網(wǎng)格劃分，以工作面中心為原點，工作面走向為x軸，傾向為y軸，建立一源一匯的二維模型，如圖2所示。根據(jù)相似理論[21]，此模型基本條件設(shè)置與工作面情況基本一致。

圖2 工作面二維模型Fig.2 Two dimensional model of working face

3.3 模擬結(jié)果及分析

圖3為不同配風量時風速等值線。其中，圖3(a)，3(b)為不同配風量時自燃“三帶”對比研究，分析不同配風量對自燃危險區(qū)域分布的影響。根據(jù)采空區(qū)危險區(qū)域判定條件[22]，圖3(a)中自燃帶距回采面距離L為：30 m120 m。與圖3(a)相比，圖3(b)中回采面分配風量Q=800 m3/min時，氧化升溫帶的范圍有了明顯的變化，自燃帶與回采面的距離L為：32 m

圖3 風速等值線Fig.3 Contour map of wind speed

工作面漏風主要集中于進風側(cè)，漏風量越大，氧化升溫帶范圍也越大。如圖3(a)，3(c)所示，未設(shè)置堵漏風墻時，在氧化升溫帶與窒息帶交界處，距回采面的距離L進比L回大8 m；在進風側(cè)增加堵漏風墻后，漏風量減小，氧化升溫帶范圍明顯減小，所以，可在回采面上下端設(shè)置封堵墻，改變采空區(qū)漏風情況。

4 現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測

4.1 采空區(qū)局部束管監(jiān)測

為了掌握采空區(qū)O2,CO等氣體濃度變化，在回風順槽沿采空區(qū)走向布置束管，每隔5 m預埋1個三通管，分布如圖2所示。通過空氣泵取樣進行色譜分析，12月份O2數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

圖4 采空區(qū)O2濃度分布Fig.4 Distribution of O2 concentration in goaf

由圖4可知，沿采空區(qū)走向，采空區(qū)漏風量隨L的增大而減小，O2濃度也逐漸減小。當距工作面的距離L=120 m時，O2濃度減小為10.05%；L=125 m時，O2濃度減小至9.98%，因此，采空區(qū)氧化自燃帶的深度在120～125 m之間，結(jié)果與數(shù)值模擬基本一致，所以，此試驗工作面采空區(qū)三帶范圍為：散熱帶為0～30 m，凈寬W1為30 m；氧化帶為30～120 m，凈寬W2為90 m；窒息帶深度大于120 m。

將W1，W2及表2，表3中數(shù)據(jù)代入公式(6)，獲得回風隅角CO極限濃度的預測值，如表4所示。

表4 工作面回風隅角CO濃度預測值Table 4 Prediction of CO concentration in working face

4.2 工作面氣體與溫度監(jiān)測

為了保證工作面人員安全，應加強CH4，CO及溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測，分別于回風巷、回風隅角、工作面布置測點。測點布置如圖2所示。測點A,H點主要監(jiān)測回風流和回風隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆r；A點主要監(jiān)測回風隅角CO濃度和溫度的變化情況；測點B～G主要監(jiān)測工作面CO濃度及溫度變化?；仫L隅角、回風流數(shù)據(jù)如圖5。

從圖5(a)可以得出，在2010年12月中旬以前，回風隅角CH4濃度出現(xiàn)局部積聚現(xiàn)象，正常情況下在10%以下，遇到異常情況可達56%；回風流CH4濃度主要在0.2%～ 0.5%之間；遇地質(zhì)條件復雜時，濃度曲線波峰達到0.8%。12月中旬以后，CH4濃度呈遞增趨勢，風量分配已無法滿足現(xiàn)場需求。

從圖5(b)可知，在監(jiān)測周期內(nèi)，回風隅角CO濃度均大于預測值3×10-6%，采空區(qū)氧化帶溫度已經(jīng)達到30℃以上。自2010年12月初開始，回風隅角實測CO濃度持續(xù)維持在68×10-6%～300×10-6%，未達到488×10-6%，且回風隅角溫度在局部時間段內(nèi)高達36℃以上，此時，可初步判斷采空區(qū)遺煤溫度維持在60～75℃之間，處于氧化升溫的加速階段，有明顯的發(fā)火征兆。經(jīng)束管取樣分析，氣樣中并未檢測到烯烴類氣體，即乙烯等煤分子支鏈沒有開始裂解，未到達該煤層干裂溫度100～120℃，與CO模型測算結(jié)果一致。

圖5 工作面CO，CH4濃度及溫度變化Fig.5 Change of concentration and temperature for CO and CH4 in the working face

5 煤自燃防治及效果分析

針對采空區(qū)遺煤自燃情況，依據(jù)束管監(jiān)測及自燃“三帶”模擬結(jié)果，對重點區(qū)域采取防控措施，確保工作面的正常生產(chǎn)。

1)合理配風及構(gòu)筑堵漏風墻

工作面煤層地質(zhì)構(gòu)造復雜，存在逆向斷層，煤層厚度大且不均勻，放頂過程中常出現(xiàn)局部瓦斯異?，F(xiàn)象。根據(jù)回采面瓦斯異常監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，回采面的最低配風量Q>420 m3/min。受放頂工藝影響，采空區(qū)會出現(xiàn)局部漏風，形成漏風通道網(wǎng)，會將采空區(qū)瓦斯帶出，集中于回風隅角，便于集中處理。但漏風量過大，使氧化升溫帶范圍變大。工作面供風量既要滿足回采面的基本要求，也要解決局部瓦斯異常情況。因此，為避免采空區(qū)大量漏風，在工作面上下端口靠近采空區(qū)側(cè)構(gòu)筑堵漏風墻。嚴格監(jiān)測回風流及采空區(qū)CO，CH4等氣體濃度變化，根據(jù)工作面不同時期風量需求，及時調(diào)整風量分配。

2)注惰性氣體

根據(jù)工作面推進速度慢、煤層易自燃的特點，加強對采空區(qū)遺煤區(qū)的處理。由于工作面溫度高達36℃，已不適合人工作業(yè)，故在進回風側(cè)分別打兩道密閉墻，通過鉆孔向采空區(qū)壓注CO2，惰化采空區(qū)氧化的松散煤體。

3)灌注膠體

針對密閉前工作面支架后方CO數(shù)據(jù)，如圖5(c)，測點B～G之間CO濃度呈遞增趨勢。因此，啟封后，在測點B～G之間交錯布置深孔與淺孔，進行連續(xù)性注膠處理，以支架后方見液為宜。每天取樣監(jiān)測，灌注一段時間后，經(jīng)檢測，回風隅角CO濃度持續(xù)小于3 ×10-6%，采空區(qū)遺煤溫度降低至30℃以下。

6 結(jié)論

1)實踐證明，CO作為自然發(fā)火初期的預測指標是一種行之有效的方法，對預判采空區(qū)發(fā)火情況具有重要作用?；仫L隅角CO數(shù)學模型的構(gòu)建，從理論上為本煤層建立了回風隅角CO濃度評判指標，為采空區(qū)發(fā)火狀況預測提供理論依據(jù)。

2)通過不同配風量模擬結(jié)果分析，采空區(qū)自燃“三帶”寬度隨供風量的增大而變化，供風量越大，采空區(qū)漏風量越大，氧化升溫帶的寬度也隨之增大，并向采空區(qū)深部移動。

3)經(jīng)理論分析及現(xiàn)場實踐，合理分配風量及構(gòu)筑堵漏風墻是礦井生產(chǎn)過程中預防遺煤自燃最為經(jīng)濟、簡潔、有效的防治技術(shù)。工作面配風合理與否，對預防采空區(qū)遺煤自燃具有重大意義。工作面配風合理，不僅降低了回風隅角瓦斯?jié)舛?，而且大大減少采空區(qū)的漏風量，降低了遺煤的發(fā)火幾率。

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