雙馬煤礦4-1煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值研究

彥 鵬，黃光利，張仰強(qiáng)，胡全宏

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 興城 125100；2.國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司雙馬煤礦，寧夏 靈武 750408；3.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037； 4.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國(guó)90%以上煤炭產(chǎn)量來(lái)自地下開(kāi)采，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，安全生產(chǎn)的制約因素眾多，其中煤礦瓦斯、水、火、煤塵、頂板等災(zāi)害極為嚴(yán)重，治理難度大[1-3]。煤自燃是威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，我國(guó)大中型煤礦中自然發(fā)火危險(xiǎn)程度嚴(yán)重或較嚴(yán)重的煤礦占總數(shù)的70%以上，西北、東北、華東等地區(qū)由于煤自燃每年損失煤炭資源2億t左右，新疆、寧夏、內(nèi)蒙古等地區(qū)每年因煤田火災(zāi)造成的煤炭經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)200億元[4-6]。煤炭自燃直接導(dǎo)致大量的煤炭資源損失、危害礦山安全生產(chǎn)，是目前煤礦安全生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題[7-8]?！睹旱V安全規(guī)程》(2016)第二百六十一條規(guī)定：開(kāi)采容易自燃和自燃煤層時(shí)，必須開(kāi)展自然發(fā)火監(jiān)測(cè)工作，建立自然發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，健全自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及管理制度。為了確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，董紹樸等[9]運(yùn)用主成分分析法，優(yōu)選確定了東榮一礦煤層自然發(fā)火主要預(yù)測(cè)指標(biāo)；沈俊男等[10]以氧氣體積分?jǐn)?shù)為主要指標(biāo)、溫度作為輔助指標(biāo)對(duì)滕東煤礦3下107綜放工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行了判定；王海軍[11]通過(guò)自然發(fā)火氣體產(chǎn)物模擬實(shí)驗(yàn)裝置，研究確定了靈泉煤礦煤層自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體；鄔燦春等[12]采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法，研究確定了油浸煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值；王永敬[13]通過(guò)程序升溫實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及統(tǒng)計(jì)分析的方法，優(yōu)選確定了某礦井3#煤層自燃標(biāo)志氣體及臨界值。前述研究煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值確定大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，而由于現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采條件的影響和限制，僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試無(wú)法較好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際[13-14]。雙馬煤礦目前主采的4-1、4-2、4-3煤層為自燃、容易自燃煤層，為了有效預(yù)防礦井采煤工作面煤層自然發(fā)火，結(jié)合雙馬煤礦4-1煤層煤樣實(shí)驗(yàn)分析與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究確定了4-1煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體及臨界值，并建立了相應(yīng)的煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警指標(biāo)及技術(shù)管理體系。

1 工程概況

1.1 礦井及煤層概況

雙馬煤礦先期開(kāi)采區(qū)域按煤組劃分為4個(gè)采區(qū)，開(kāi)采順序按照煤層自上而下依次從Ⅰ01至Ⅰ04采區(qū)。Ⅰ01采區(qū)為首采區(qū)，包括4-1、4-2、4-3煤層，首采的4-1煤層平均厚度3.80 m，4-2煤層平均厚度1.51 m，4-3煤層平均厚度1.66 m。

4-1煤層是井田的主要可采煤層之一，位于延安組段的頂部，上距3-2煤層底板平均19.62 m。煤層分布面積約60 km2，全區(qū)可采。煤層總厚度最大5.52 m，最小1.21 m，平均厚度3.80 m。4-1煤層含夾矸0～4層，夾矸厚度為0.03～0.65 m，一般厚度為0.25 m左右，巖性為炭質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖；4-1 煤層為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單煤層，煤層頂板多為粉砂巖，次為細(xì)粒砂巖及中、粗粒砂巖，厚度為0.82～14.50 m；底板巖性以粉砂巖為主，其次為細(xì)粒砂巖，厚度為0.67～15.54 m。4-1煤層自燃傾向性屬于容易自燃，Ⅰ類(lèi)煤層，自然發(fā)火期為38 d，煤塵爆炸指數(shù)為36.53%，具有強(qiáng)爆炸性。

1.2 工作面概況

Ⅰ0104105綜采工作面大部分位于鴛鴦湖馮記溝背斜東翼，其上部無(wú)采掘活動(dòng)，下部為未開(kāi)拓煤巖系地層，該工作面東部為Ⅰ0104106工作面，西部為Ⅰ0104104綜采工作面及采空區(qū)，南部為Ⅰ01采區(qū)邊界泄水巷(Ⅶ段)，北部為4-1煤運(yùn)輸、回風(fēng)、輔助運(yùn)輸3條大巷。Ⅰ0104105綜采工作面西巷道為工作面回風(fēng)巷，緊鄰Ⅰ0104104綜采工作面采空區(qū)，中間留設(shè)寬25 m煤柱。Ⅰ0104105綜采工作面采用后退式U型通風(fēng)方式，上行通風(fēng)，綜采工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 100 m3/min，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 961 m，開(kāi)切眼平均長(zhǎng)度251 m，可采儲(chǔ)量355.7萬(wàn)t，煤層平均厚度3.85 m，平均傾角7°。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法控制頂板。

2 自然發(fā)火標(biāo)志氣體分析及優(yōu)選

2.1 氣體產(chǎn)生規(guī)律分析

按照GB 474—2008《煤樣的制備方法》，將現(xiàn)場(chǎng)采集的煤樣制成實(shí)驗(yàn)樣品。利用瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自然發(fā)火標(biāo)志氣體測(cè)試系統(tǒng)對(duì)制成的煤樣進(jìn)行程序升溫，測(cè)試煤樣氣體產(chǎn)物隨煤溫的變化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行氣體產(chǎn)生規(guī)律分析。

1)CO、CO2氣體產(chǎn)生規(guī)律

CO和CO2是出現(xiàn)在煤的氧化過(guò)程中并貫穿整個(gè)氧化過(guò)程最早的2種氣體產(chǎn)物。根據(jù)4-1煤層測(cè)試煤樣氣體產(chǎn)物隨煤溫的變化數(shù)據(jù)，繪制得到CO和CO2體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化關(guān)系，如圖1所示。

圖1 4-1煤層CO、CO2體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化關(guān)系

由圖1可知，4-1煤層測(cè)試煤樣在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，CO在40～50 ℃內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)，CO2在30 ℃時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)，CO、CO2體積分?jǐn)?shù)隨煤溫的增加基本呈指數(shù)增加的趨勢(shì)變化。

2)烷烯烴氣體產(chǎn)生規(guī)律

雙馬煤礦4-1煤層煤樣在氧化過(guò)程中，主要產(chǎn)生的烷烯烴氣體組分為CH4、C2H6、C3H8和C2H4，其體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)如圖2和圖3所示。

圖2 4-1煤層CH4體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化規(guī)律

圖3 4-1煤層C2H6、C3H8、C2H4體積分?jǐn)?shù)隨溫度變化規(guī)律

從圖2和圖3中可以得出：煤樣在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，CH4、C2H6、C3H8和C2H4的體積分?jǐn)?shù)隨煤溫的增加基本呈指數(shù)增加的趨勢(shì)，CH4在140 ℃時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)，C2H6在30 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，C2H4在80 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，C3H8在110 ℃時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)。煤樣在測(cè)試溫度范圍內(nèi)沒(méi)有C2H2出現(xiàn)，說(shuō)明其出現(xiàn)的溫度高于測(cè)試溫度范圍。

2.2 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選

根據(jù)標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，CO、C2H4和C2H2在一定程度上反映了4-1煤層自然發(fā)火的緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化的3個(gè)階段，因此可以確定：

1)CO是4-1煤層自然發(fā)火的指標(biāo)氣體之一。CO的出現(xiàn)表明4-1煤層已開(kāi)始氧化，其體積分?jǐn)?shù)越高則表明煤氧化越劇烈，煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)性越高。具體安全管理濃度、臨界值需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)測(cè)定。

2)C2H4是4-1煤層局部進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志性氣體。C2H4的出現(xiàn)表明4-1煤層局部溫度已經(jīng)到達(dá)80 ℃，在CO體積分?jǐn)?shù)增高時(shí)應(yīng)特別注意加強(qiáng)觀測(cè)，在有CO存在的前提下，只要出現(xiàn)C2H4就必須采取切實(shí)有效的防滅火措施，如果延誤時(shí)機(jī)則可能發(fā)展為重大火災(zāi)事故。

3)C2H2的出現(xiàn)標(biāo)志著4-1煤層局部溫度超過(guò)200 ℃。一旦檢測(cè)到C2H2時(shí)，應(yīng)視為煤層局部已經(jīng)可能出現(xiàn)明火或陰燃，應(yīng)謹(jǐn)慎采取措施。

4)C3H8可以作為判別4-1煤層自然發(fā)火進(jìn)程的輔助指標(biāo)氣體。C3H8的出現(xiàn)標(biāo)志著4-1煤層局部溫度已經(jīng)達(dá)到110 ℃。

3 現(xiàn)場(chǎng)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體的確定

3.1 采空區(qū)氧化帶范圍考察

為了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面采空區(qū)氧化帶范圍，在Ⅰ0104105綜采工作面回風(fēng)巷內(nèi)沿底板向采空區(qū)埋設(shè)束管，在工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)設(shè)置1#、2#2個(gè)測(cè)點(diǎn)，其布置如圖4所示。

圖4 采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

Ⅰ0104105工作面回風(fēng)側(cè)束管兩測(cè)點(diǎn)間距30 m，使用單芯束管每根長(zhǎng)180 m。束管外套?50 mm鋼管作為保護(hù)套管，保護(hù)套管長(zhǎng)150 m，保護(hù)套管長(zhǎng)度比束管略短，取樣頭根據(jù)要求制作，設(shè)置三通連接在套管上。同時(shí)，采用6種不同顏色、直徑8 mm的束管加以區(qū)分，束管端頭設(shè)施使用過(guò)濾式結(jié)構(gòu)。每根束管負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣樣，每個(gè)探頭抬高0.5 m以上，防止采空區(qū)積水堵塞束管。同時(shí)利用鐵罩(留有孔)護(hù)住探頭以防被擠壓損壞，具體如圖5 所示。

圖5 束管取樣頭布置示意圖

束管采樣頭一旦進(jìn)入采空區(qū)即開(kāi)始取氣進(jìn)行測(cè)試，分析采空區(qū)氧化帶內(nèi)氣體變化規(guī)律。正常情況下每天測(cè)取一次氣體并分析氣體成分，早班入井測(cè)定。如有異常，則根據(jù)具體情況而定。

3.2 采空區(qū)氧化帶范圍的測(cè)定

根據(jù)相關(guān)研究成果，4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面采空區(qū)按O2體積分?jǐn)?shù)φ(O2)劃分采空區(qū)自燃“三帶”：散熱帶，φ(O2)>18%；自燃帶，18%≥φ(O2)≥8%；窒息帶，φ(O2)<8%。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到Ⅰ0104105工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)1#測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)與工作面刮板運(yùn)輸機(jī)距離之間的變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 Ⅰ0104105工作面1#測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)變化圖

通過(guò)圖6分析可以得出：Ⅰ0104105工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶的范圍為25～96 m，在這一寬度范圍內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)為8%～18%?，F(xiàn)場(chǎng)考慮到工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度大，綜合考慮Ⅰ0104105工作面采空區(qū)自燃帶的范圍取25～100 m，即工作面推進(jìn)超過(guò)100 m后采空區(qū)進(jìn)入窒息帶。在Ⅰ0104105工作面采空區(qū)整個(gè)實(shí)測(cè)過(guò)程中，Ⅰ0104105工作面采空區(qū)未出現(xiàn)C2H4、C3H8和C2H2氣體，且采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)較低。說(shuō)明Ⅰ0104105工作面采空區(qū)遺煤處于緩慢氧化階段，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)期間未出現(xiàn)工作面采空區(qū)自然發(fā)火跡象。

3.3 煤層自然發(fā)火氣體現(xiàn)場(chǎng)考察分析

通過(guò)對(duì)雙馬煤礦4-1煤層Ⅰ0104105工作面上隅角和工作面中部CO體積分?jǐn)?shù)實(shí)測(cè)分析，得到Ⅰ0104105工作面上隅角和工作面中部CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)，如圖7和圖8所示。

圖7 Ⅰ0104105工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)

圖8 Ⅰ0104105工作面中部CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)

現(xiàn)場(chǎng)考察監(jiān)測(cè)期間，從Ⅰ0104105工作面中部、上隅角和回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)分析來(lái)看，Ⅰ0104105工作面CO來(lái)源主要是煤層工作面采空區(qū)遺煤氧化產(chǎn)生的。在正?；夭善陂g、礦井正常溫度條件下，Ⅰ0104105工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)在2×10-6～1.6×10-5內(nèi)波動(dòng)；Ⅰ0104105工作面中部CO體積分?jǐn)?shù)一般在0～3×10-6內(nèi)波動(dòng)；Ⅰ0104105工作面回風(fēng)巷幾乎監(jiān)測(cè)不到CO氣體，CO體積分?jǐn)?shù)偶爾會(huì)達(dá)到3×10-6；Ⅰ0104105工作面采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)最高為4.6×10-5。這說(shuō)明在4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面正?；夭蛇^(guò)程中，采空區(qū)遺煤低溫氧化比較緩慢，沒(méi)有出現(xiàn)高溫點(diǎn)或者急劇氧化現(xiàn)象。

4 現(xiàn)場(chǎng) CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)的臨界值的確定

4.1 現(xiàn)場(chǎng) CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型

為了確定現(xiàn)場(chǎng) CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)的臨界值，根據(jù)采空區(qū)散熱帶煤體、自燃帶遺煤氧化CO產(chǎn)生量與采空區(qū)漏風(fēng)量的關(guān)系，建立回采工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型[15]：

(1)

式中：φ(CO)為工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)，10-6；k1為采空區(qū)散熱帶浮煤氧化修正系數(shù)，在正常漏風(fēng)條件下，一般取0.5～0.7；L1為采空區(qū)散熱帶的寬度，m；k2為采空區(qū)自燃帶浮煤氧化修正系數(shù)，小于 1(一般取 0.1～0.3)；L2為采空區(qū)自燃帶的寬度，m；L為綜采工作面長(zhǎng)度，m；H為工作面采高，m；ψ為工作面采出率，%；vCO為煤體在某一溫度下的CO產(chǎn)生速率(根據(jù)程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)確定)，mL/(min·m3)；Q為工作面供風(fēng)量，m3/min；η為工作面漏風(fēng)率，一般取 0.06～0.10。

4.2 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體臨界值確定

雙馬煤礦4-1 煤層Ⅰ0104105綜采工作面長(zhǎng)度250.9 m，平均采高3.85 m，工作面采出率為93%。根據(jù)Ⅰ 0104105 綜采工作面采空區(qū)氧化帶范圍實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并綜合分析，Ⅰ 0104105工作面采空區(qū)散熱帶范圍取25 m，自燃帶范圍取75 m。根據(jù) Ⅰ0104105 工作面現(xiàn)場(chǎng)氣體分析考察，采空區(qū)散熱帶浮煤氧化修正系數(shù)取0.5，采空區(qū)自燃帶浮煤氧化修正系數(shù)取0.1。工作面實(shí)際通風(fēng)量約為1 116 m3/min，工作面漏風(fēng)率按照10%考慮，則漏風(fēng)量約為112 m3/min。

將上述各項(xiàng)參數(shù)值代入式(1)，計(jì)算得到雙馬煤礦4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)臨界指標(biāo)值，見(jiàn)表1。

表1 4-1煤層綜采工作面上隅角CO體積分?jǐn)?shù)臨界指標(biāo)

以此為基礎(chǔ)，建立了雙馬煤礦4-1煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警響應(yīng)4級(jí)指標(biāo)：藍(lán)色(Ⅰ 級(jí))、黃色(Ⅱ 級(jí))、橙色(Ⅲ級(jí))、紅色(Ⅳ級(jí))，并構(gòu)建了相應(yīng)的治理技術(shù)管理體系，具體見(jiàn)表2。

表2 雙馬煤礦4-1煤層自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警響應(yīng)與防滅火治理技術(shù)管理體系

5 結(jié)論

1)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和優(yōu)選原則確定了雙馬煤礦4-1煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體分別為 CO、C2H4和C2H2，其分別為煤層自然發(fā)火的緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化 3個(gè)階段的標(biāo)志氣體。

2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析，并根據(jù)CO體積分?jǐn)?shù)指標(biāo)預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得到4-1煤層綜采工作面回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)安全管理值和自燃臨界值分別為60×10-6、430×10-6。

3)建立了雙馬煤礦4-1煤層自然發(fā)火藍(lán)色(Ⅰ 級(jí))、黃色(Ⅱ級(jí))、橙色(Ⅲ級(jí))、紅色(Ⅳ級(jí))4級(jí)分級(jí)預(yù)警響應(yīng)與防滅火治理技術(shù)管理體系，為雙馬煤礦建立具體的應(yīng)急響應(yīng)體系提供了依據(jù)。