寸草塔煤礦22 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及自燃預(yù)警值研究

王文清，邢真強(qiáng)，郭佳策

（1.國家能源投資集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 寸草塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

自燃火災(zāi)是礦井火災(zāi)的主要體現(xiàn)形勢，其中采空區(qū)自燃火災(zāi)占礦井自燃火災(zāi)總數(shù)的60%。我國存在自然發(fā)火危險(xiǎn)性的礦井約占礦井總數(shù)的3/4，煤炭自然發(fā)火產(chǎn)生的有毒有害氣體嚴(yán)重威脅著礦井工作人員的生命健康，同時(shí)由于火災(zāi)引發(fā)的煤塵、瓦斯爆炸等次生災(zāi)害后果更為嚴(yán)重[1-2]。

CO 由于其具有易檢測性、規(guī)律性、靈敏性等特性，通常用于煤炭自燃火災(zāi)的早期預(yù)警工作?！兑?guī)程》規(guī)定，工作面回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)24×10-6是職業(yè)健康指標(biāo)，不是自然發(fā)火臨界指標(biāo)。由于煤層賦存條件、煤種、開采工藝方法、開采技術(shù)裝備的不同，在很大程度上影響著標(biāo)志氣體CO 臨界值的確定。因此，標(biāo)志氣體CO 的臨界值應(yīng)該在實(shí)驗(yàn)室測試，現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上綜合確定[3]。

神東礦區(qū)是我國13 個(gè)億噸礦區(qū)之一，煤層多為淺埋藏、（易）自燃煤層賦存，主要開采的煤種為低階長焰煤和不黏煤，煤種變質(zhì)程度較低，煤層最短自然發(fā)火期僅為18 d，受采空區(qū)復(fù)雜漏風(fēng)影響，遺煤低溫氧化條件下CO 產(chǎn)生量較大，通風(fēng)負(fù)壓及大氣壓力雙重作用影響下，造成該區(qū)域生產(chǎn)工作面回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)不同程度“超限”，給自然發(fā)火監(jiān)測預(yù)警工作帶來干擾，同時(shí)給現(xiàn)場制定科學(xué)有效的防滅火措施，以及回風(fēng)隅角CO 管控措施帶來了困惑，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。

寸草塔煤礦作為國家能源投資集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)主力礦井之一，礦井主采22 煤，屬不黏煤，吸氧量為0.72 cm3/g，為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期47 d，采空區(qū)遺煤存在低溫易氧化的特點(diǎn)。

1 22 煤層自然發(fā)火預(yù)報(bào)指標(biāo)體系

1.1 煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)

煤樣采集是標(biāo)志性氣體優(yōu)選成功與否的基礎(chǔ)。按照煤樣采集標(biāo)準(zhǔn)采集寸草塔煤礦22 煤層煤樣，煤樣采集地點(diǎn)為22301 工作面，按照煤樣制備標(biāo)準(zhǔn)制備實(shí)驗(yàn)樣品。

自然發(fā)火標(biāo)志氣體測試裝置主要由樣品儲(chǔ)存裝置、程序控溫裝置、氣體定量供給裝置、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集裝置組成，可在一定程度上實(shí)現(xiàn)煤層自燃絕熱氧化條件，精準(zhǔn)采集分析煤樣自燃熱解氣體產(chǎn)物[4-8]。自然發(fā)火標(biāo)志氣體測試裝置如圖1。

圖1 自然發(fā)火標(biāo)志氣體測試裝置Fig.1 Test device for natural ignition mark gas

1.2 標(biāo)志氣體分析及優(yōu)選

采集22 煤層煤樣氧化自燃熱解的氣體產(chǎn)物，進(jìn)行氣體成分和體積分?jǐn)?shù)分析。煤樣在氧化升溫過程中，CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、H2等氣體出現(xiàn)的溫度區(qū)間為30～220 ℃，并且氣體的產(chǎn)生量隨煤溫的升高呈現(xiàn)一定的規(guī)律。其中，CO 的出現(xiàn)溫度為30 ℃，且其產(chǎn)生量貫穿于整個(gè)氧化反應(yīng)過程中，其產(chǎn)生量在60 ℃以前較小，但在60～70 ℃時(shí)，CO、CO2氣體產(chǎn)生量規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)上升，說明煤樣已經(jīng)開始加速氧化，煤樣反應(yīng)機(jī)理由物理吸附向化學(xué)吸附以及化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程轉(zhuǎn)變，CH4的出現(xiàn)溫度為30 ℃，CH4產(chǎn)生量規(guī)律呈現(xiàn)先增加后減小，H2的出現(xiàn)溫度為120 ℃，氣體產(chǎn)生量呈現(xiàn)單一遞增趨勢，C2H6的出現(xiàn)溫度為60℃，C2H4的出現(xiàn)溫度為100 ℃，C2H6、C2H4產(chǎn)生量規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)上升，C2H6、C2H4、H2的出現(xiàn)，說明了煤樣與O2發(fā)生了較強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，C2H2的出現(xiàn)溫度為220 ℃，說明此時(shí)的煤樣已經(jīng)與O2化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)轉(zhuǎn)向激烈狀態(tài)。

通過對(duì)22 煤層煤樣氧化熱解的氣體變化規(guī)律總結(jié)分析，結(jié)合自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)，選取寸草塔煤礦22 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體為CO、C2H4、H2、C2H2，其中，CO 的出現(xiàn)說明采空區(qū)遺煤已經(jīng)處于低溫氧化狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)氣體監(jiān)測工作，并做到定點(diǎn)、定時(shí)、定人；如果檢測到CO 體積分?jǐn)?shù)持續(xù)穩(wěn)定上升，說明遺煤已經(jīng)進(jìn)入快速氧化狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)自燃預(yù)測預(yù)報(bào)工作，并采取有效火災(zāi)預(yù)防措施；如果在檢測到CO 的基礎(chǔ)上，氣樣中含有C2H4、H2，說明遺煤已經(jīng)進(jìn)入加速氧化狀態(tài)，必須立即實(shí)施行之有效的防滅火措施；如果氣樣中檢測到C2H2，表明遺煤已經(jīng)進(jìn)入激烈氧化狀態(tài)，采空區(qū)很可能已經(jīng)出現(xiàn)明火，防滅火措施需謹(jǐn)慎得當(dāng)，防止次生災(zāi)害的發(fā)生。

1.3 CO 產(chǎn)生速率

1.3.1 實(shí)驗(yàn)煤樣CO 產(chǎn)生速率

在煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)過程中，假設(shè)風(fēng)流僅沿樣品儲(chǔ)存裝置的軸向流動(dòng)，可認(rèn)為樣品儲(chǔ)存裝置軸向dx 位置樣品的CO 產(chǎn)生速率為：

式中：S 為樣品儲(chǔ)存裝置的橫截面積，cm2；vCO代表CO 的產(chǎn)生速率，mL/（min·m3）；q 為實(shí)驗(yàn)通氣量，mL/min；c 為煤氧化過程中的CO 產(chǎn)生量，10-6。

將式（1）進(jìn)行積分可得：

式中：C1、C2分別為樣品儲(chǔ)存裝置進(jìn)口和出口氣體中的CO 產(chǎn)生量，10-6；L 為樣品儲(chǔ)存裝置的裝煤高度，cm。

整理式（1）、式（2）可得如下關(guān)系式：

計(jì)算出22 煤層煤樣在不同溫度下CO 的產(chǎn)生速率，煤樣CO 產(chǎn)生速率與溫度關(guān)系曲線如圖2。

圖2 煤樣CO 產(chǎn)生速率與溫度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between CO production rate and temperature of coal sample

從圖2 可知，22 煤層實(shí)驗(yàn)煤樣溫度區(qū)間在30～220 ℃的前提下，區(qū)間各溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CO 產(chǎn)生速率為0.55～11 800 mL/（min·m3）。

1.3.2 自燃臨界態(tài)CO 產(chǎn)生速率

研究表明，煤自燃按時(shí)間順序分為：低溫緩慢自熱階段、快速氧化階段，二者之間轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度稱之為臨界溫度，由CO 生成率可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤溫超過臨界溫度值以后，反應(yīng)速率加快，溫度急劇升高，CO 產(chǎn)生量急劇加大。因此，找出煤樣處于自燃臨界溫度時(shí)CO 的產(chǎn)生速率，并結(jié)合其它參數(shù)得出煤層自燃預(yù)警濃度，并采取針對(duì)的防滅火措施具有重大意義[9-11]。

寸草塔煤礦22 煤層煤樣溫度超過60～70 ℃后，煤樣CO 產(chǎn)生速率急劇增加，因此，推斷22 煤層煤樣的臨界溫度為60～70 ℃。

經(jīng)計(jì)算，煤樣自燃臨界溫度為60 ℃，CO 臨界體積分?jǐn)?shù)為8×10-6，CO 產(chǎn)生速率為4.6 mL/（min·m3）。

2 工作面回風(fēng)隅角CO 安全及自燃預(yù)警值模型構(gòu)建

研究表明，在工作面正?；夭蓷l件下，工作回風(fēng)隅角CO 來源主要為采空區(qū)遺留低溫氧化所產(chǎn)生。因此，建立工作面正?；夭蓵r(shí)，回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)［CO］預(yù)測數(shù)學(xué)模型如下：

式中：k1為采空區(qū)氧化升溫帶內(nèi)遺煤氧化修正系數(shù)，小于1（綜采工作面為0.15～0.35）；l1為采空區(qū)氧化升溫帶的寬度，m；k2為采空區(qū)散熱帶遺煤氧化修正系數(shù)，在正常漏風(fēng)條件下，一般取0.5～0.7；l2為采空區(qū)散熱帶的寬度，m；φ 為煤炭回采率，%；νCO為煤體在常溫（臨界溫度）狀態(tài)下的CO 產(chǎn)生速率，mL/（min·m3）；L 為工作面傾向長度，m；H 為煤層厚度，m；Q 為工作面供風(fēng)量m3/min；η 為漏風(fēng)系數(shù),一般取0.06～0.1。

3 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測分析

3.1 工作面概況

寸草塔礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內(nèi)，位于毛烏素沙漠北緣，井田西部為侵蝕性丘陵地貌，井田東部由于受毛烏素沙漠影響，地表多為流動(dòng)性或半固定波狀沙丘覆蓋，灣兔溝自西北向東南縱貫全井田。

22301 綜采工作面為22 煤三盤區(qū)首采工作面，工作面走向長度3 914.2 m，傾向長度300.5 m，煤層平均厚度2.6 m，回采高度2 m，日推進(jìn)度9.947 5 m，遺煤厚度200～400 mm，工作面風(fēng)量設(shè)計(jì)配風(fēng)量978.3 m3/min，采用“U”型全負(fù)壓抽出式通風(fēng)方式。

3.2 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律測試方案

在22301 工作面兩巷道靠外幫預(yù)埋3 芯束管，束管敷設(shè)長度300 m，束管外套DN50 無縫焊管加以保護(hù)，束管進(jìn)氣端外套三通保護(hù)支管保護(hù)，支管抬高2 m，采用錨桿配合沖孔鐵板將支管固定于煤壁上。將束管出氣端與礦井紅外束管監(jiān)測系統(tǒng)相連接，實(shí)時(shí)在線分析采空區(qū)氣體濃度，同時(shí)，記錄采空區(qū)各束管采樣點(diǎn)與工作面的位置關(guān)系。

3.3 采空區(qū)氣體變化分析

隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)CO 和O2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律如圖3。以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)18%和7%為劃分指標(biāo)，22 煤層采空區(qū)散熱帶及氧化升溫帶總寬度為125 m，工作面正常推采過程中，回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)在（70～90）×10-6波動(dòng)變化；采空區(qū)內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)在（40～200）×10-6波動(dòng)變化，其中高體積分?jǐn)?shù)CO 于工作面后部60～70 m 范圍內(nèi)采空區(qū)積存，工作面后部150 m 范圍內(nèi)采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定至40×10-6。

4 回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)預(yù)測及CO 超限的控制技術(shù)

4.1 工作面推采條件下回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)預(yù)測

結(jié)合式（4），經(jīng)計(jì)算得到的22301 工作面正常推采時(shí)工作面回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)預(yù)測值見表1。

圖3 22301 工作面采空區(qū)氣體變化曲線Fig.3 Change curves of gas in goaf of 22301 working face

表1 22301 工作面正常推采條件下回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)預(yù)測值Table 1 Prediction value of CO concentration in corner of return air under normal pushover mining condition of 22301 working face

由表1 可以看出，基于22301 工作面回風(fēng)隅角CO 安全及自燃預(yù)警體積分?jǐn)?shù)預(yù)測模型，計(jì)算得出22301 工作面回風(fēng)隅角CO 安全體積分?jǐn)?shù)預(yù)測值為81×10-6，現(xiàn)場實(shí)測值為（70～90）×10-6，誤差在合理區(qū)間內(nèi)。因此可以認(rèn)為22301 工作面正?；夭蓷l件下，回風(fēng)隅角CO 安全指標(biāo)體積分?jǐn)?shù)為81×10-6。推斷得出，若回風(fēng)隅角CO 測值達(dá)到325×10-6，表明22 煤采空區(qū)遺煤已經(jīng)達(dá)到臨界溫度，處于加速氧化狀態(tài)，且溫度會(huì)急速上升，短時(shí)間內(nèi)可超過臨界溫度，將發(fā)生氧化自燃，應(yīng)立即采取相關(guān)防滅火措施。

4.2 工作面回風(fēng)隅角CO 超限的控制技術(shù)措施

結(jié)合22301 工作面賦存條件、通風(fēng)方式、開采工藝等特點(diǎn)，提出的回風(fēng)隅角CO 超限管控技術(shù)措施如下[12-14]：

1）降風(fēng)減壓。在滿足工作面安全生產(chǎn)的前提下，減小工作面的配風(fēng)量，降低向采空區(qū)漏入的風(fēng)量，從而減少采空區(qū)遺煤的氧氣的供給條件，進(jìn)一步降低采空區(qū)遺煤的氧化進(jìn)程。

2）井上下封堵漏風(fēng)。加強(qiáng)地表漏風(fēng)通道查找，采用大型機(jī)械回填和人工回填相結(jié)合的方式開展地表回填工作，確?；靥罟ぷ鞑坏脺蠊ぷ髅?50 m。加強(qiáng)工作面兩巷道漏風(fēng)通道封堵工作，采用高分子泡沫墻對(duì)工作面采空區(qū)兩線側(cè)進(jìn)行封堵，高分子泡沫墻體厚度不小于1.5 m，高分子泡沫墻封堵距離一般為300 m。

3）改變工作面區(qū)域流場負(fù)壓點(diǎn)，改變采空區(qū)流場。減少工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)通風(fēng)設(shè)施，增加工作面回風(fēng)側(cè)通風(fēng)設(shè)施，進(jìn)行回風(fēng)側(cè)增阻調(diào)節(jié)，減少漏風(fēng)通道兩端的壓差，進(jìn)而減少采空區(qū)氣體向工作面回風(fēng)隅角運(yùn)移積聚。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)預(yù)埋氣體抽放管路，采用瓦斯移動(dòng)式抽放泵抽放采空區(qū)氣體，進(jìn)一步改變采空區(qū)負(fù)壓流場，進(jìn)一步減少采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)。

5 結(jié) 語

1）寸草塔煤礦22 煤層煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體體系為CO、H2、C2H4、C2H2。

2）劃分了22 煤采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，其中散熱帶寬度為22～35 m，氧化帶寬帶為92～125 m。

3）22 煤工作面正?；夭蓵r(shí)回風(fēng)隅角CO 安全體積分?jǐn)?shù)為81×10-6，自燃預(yù)警體積分?jǐn)?shù)為325×10-6。

4）提出了包括降風(fēng)減壓、封堵漏風(fēng)、改變采空區(qū)漏風(fēng)流場等防控CO 超限措施。