束管監(jiān)測(cè)在易燃特厚煤層綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)警的應(yīng)用

侯利飛，韓鼎業(yè)，高智強(qiáng)

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦公司 山西大同037000)

1 概述

煤炭火災(zāi)的氣體產(chǎn)物是煤炭燃燒過程中所釋放出來的氣體，可以分為煤氧化氣體和煤吸附氣體兩部分。煤氧化氣體主要包括一氧化碳、二氧化碳和乙烯、乙烷等碳?xì)浠衔?，煤吸附氣體主要是甲烷、二氧化碳及存量很小的乙烷、氫氣等。通過理論和實(shí)踐相結(jié)合的方式，選取其中的幾種作為礦井火災(zāi)預(yù)警指標(biāo)氣體，也就是我們所說的標(biāo)志性氣體，總結(jié)其在氧化和燃燒過程中含量的變化規(guī)律，對(duì)于礦井采空區(qū)的防滅火工作具有相當(dāng)重要的意義。

通過束管監(jiān)測(cè)，指標(biāo)氣體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)更具適用性、及時(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性；特別是指標(biāo)氣體的選擇和臨界值的確定，必須根據(jù)礦井的實(shí)際情況，通過對(duì)各煤種煤樣做大量氣體分析試驗(yàn)，以及井下氣體數(shù)據(jù)采集分析情況，來選擇適合本礦的指標(biāo)氣體，確定各種臨界值及采空區(qū)“三帶”[1]，提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確度。

2 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)標(biāo)志性氣體的選取

在煤礦火災(zāi)的標(biāo)志性氣體中，甲烷、乙烷、丙烷等烷烴類氣體的濃度隨燃燒過程的變化都是不規(guī)律的；乙烯、丙烯、乙炔等不飽和烴類氣體在燃燒過程中，會(huì)單調(diào)增加，會(huì)沿著一定規(guī)律先后出現(xiàn)，但是不飽和烴類在燃燒時(shí)出現(xiàn)得較晚，不具備靈敏性的特點(diǎn)。煤自燃時(shí)CO最先產(chǎn)生，而且是單調(diào)增加的，這是其他標(biāo)志性氣體所不具備的寶貴特征，與烴類氣體相比，具有不可替代的地位。綜合考慮各種標(biāo)志性氣體的特性，CO仍是礦井火災(zāi)最重要、最有效的標(biāo)志性氣體[2]。

依據(jù)上述情況，本文從塔山煤礦實(shí)際出發(fā)，選取CO、CH4、CO2、O2、C2H4、H2作為標(biāo)志性氣體，重點(diǎn)研究這幾種氣體在現(xiàn)有通風(fēng)、地質(zhì)、采煤工藝等條件下的變化規(guī)律，為進(jìn)一步的防滅火工作總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在塔山煤礦安裝運(yùn)行以來工作正常，能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)采空區(qū)煤炭的自燃發(fā)火狀態(tài)和趨勢(shì)[3]。該束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由澳大利亞新動(dòng)力公司研制并生產(chǎn)，氣體分析系統(tǒng)包括：一臺(tái)富士電子非分散紅外線分析儀以分析CO、CH4、CO2、O2，一臺(tái)PEAK試驗(yàn)色譜儀用來分析H2氣體。二期工程中增加了對(duì)包括：N2、He、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10等七種氣體的分析檢測(cè)。總計(jì)可以監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)12種氣體。安裝運(yùn)行至今，已連續(xù)成功監(jiān)測(cè)了8102、8103、8104、8105、8202、8206、8208七個(gè)采空區(qū)的氣體監(jiān)測(cè)，現(xiàn)在還繼續(xù)監(jiān)測(cè)8106、8210、8101三個(gè)現(xiàn)采面的氣體。

3 束管監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析與研究

以塔山煤礦8208工作面的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)為例，我們對(duì)二盤區(qū)8208工作面采空區(qū)氣樣進(jìn)行了采集和分析，并進(jìn)行了總結(jié)。

8208工作面位于二盤區(qū)的西北部，為二盤區(qū)第一個(gè)臨空開采工作面，工作面平均走向長(zhǎng)度2 310 m，可采走向長(zhǎng)度2 069 m，傾斜長(zhǎng)度230.5 m，工作面煤層厚度為8.74 m～16.57 m，平均煤厚12.52 m。由于工作面進(jìn)風(fēng)巷鋪設(shè)了兩路50 m間距踏步式注氮管路進(jìn)行不間斷注氮，所以這里，我們共計(jì)選取了工作面回風(fēng)側(cè)3個(gè)不同距離的束管埋設(shè)點(diǎn)進(jìn)行氣體采樣分析：

（1）5208巷-0 m測(cè)點(diǎn)（工作面準(zhǔn)備開采時(shí)切眼處的位置定為0 m，以后鋪設(shè)測(cè)點(diǎn)的距離以此類推）。

該測(cè)點(diǎn)采集的采空區(qū)CO、CH4、CO2、O2在工作面推進(jìn)過程中的氣體含量變化曲線見圖1。

圖1 5208巷-0 m測(cè)點(diǎn)氣體含量變化曲線圖

從曲線可以看出：

①通過O2濃度來劃分的采空區(qū)氧化“三帶”為：散熱帶0 m～19 m（O221%～18%）；氧化帶19 m～97 m（O218%～8%）；窒息帶97 m以后（O28%以下）。

②CO含量隨工作面推進(jìn)先單調(diào)增加后單調(diào)遞減，與理論分析一致，并且在氧氣濃度為15%時(shí)CO的濃度達(dá)到最大為185 ppm。

③CH4濃度由曲線看出，截止采樣點(diǎn)堵塞時(shí)CH4濃度單調(diào)增加，最大值為10.3%左右，看趨勢(shì)估計(jì)在窒息帶內(nèi)的CH4濃度還將有所增大。

（2）5208巷-800 m測(cè)點(diǎn)（工作面準(zhǔn)備開采時(shí)切眼處的位置定為0 m，以后鋪設(shè)測(cè)點(diǎn)的距離以此類推）

該測(cè)點(diǎn)采集的采空區(qū)CO、CH4、CO2、O2在工作面推進(jìn)過程中的氣體含量變化曲線見圖2。

圖2 5208巷-800 m測(cè)點(diǎn)氣體含量變化曲線圖

從曲線可以看出：

①通過O2濃度來劃分的采空區(qū)氧化“三帶”為：散熱帶0 m～10 m（O221%～18%）；氧化帶10 m～90 m（O218%～8%）；窒息帶90 m以后（O28%以下）。

②CO含量隨工作面推進(jìn)進(jìn)入氧化帶后急劇上升，最大值為212 ppm，附近O2濃度為11.3%左右，然后濃度隨工作的推進(jìn)緩慢下降。

③CH4濃度與5208-0 m處測(cè)點(diǎn)比較有所降低，最大值為6%左右。

④二氧化碳濃度比5208-0 m處測(cè)點(diǎn)有所升高，應(yīng)該屬氧化帶煤炭氧化所致。

（3）5208巷-1 120 m測(cè)點(diǎn)（工作面準(zhǔn)備開采時(shí)切眼處的位置定為0 m，以后鋪設(shè)測(cè)點(diǎn)的距離以此類推）

該測(cè)點(diǎn)采集的采空區(qū)CO、CH4、CO2、O2在工作面推進(jìn)過程中的氣體含量變化曲線見圖3。

圖3 5208巷-1 120 m測(cè)點(diǎn)氣體含量變化曲線圖

從曲線可以看出：

①通過O2濃度來劃分的采空區(qū)氧化“三帶”為：散熱帶0 m～115 m（O221%～18%）；氧化帶115 m～145 m（O218%～8%）；窒息帶145 m以后（O28%以下）。

②CO含量與前兩個(gè)點(diǎn)有所不同，在進(jìn)入窒息帶后才有所顯現(xiàn)，最大濃度也有大幅降低為48 ppm左右，附近O2濃度為3%左右。

③CH4濃度為此點(diǎn)最大特征之一，其濃度在散熱帶及氧化帶時(shí)上升比較平緩，在進(jìn)入窒息帶后急劇上升，截止管路堵塞最大值升至54%左右，瓦斯成為此點(diǎn)影響氧化“三帶”的重要因素。

總結(jié)上述數(shù)據(jù)曲線可以看出，一般情況下，散熱帶分布在距工作面大約15 m以內(nèi)的范圍，氧化帶分布在大約15 m～100 m的范圍之間，窒息帶為100 m之后的范圍。在現(xiàn)有的通風(fēng)、注氮、工作面推進(jìn)速度條件下，這樣一個(gè)氧化“三帶”范圍還是比較安全的。當(dāng)然也有特例，例如從上述第三個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)看出在工作面推進(jìn)至115 m的距離時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2濃度才降至18%以下，充分說明這段區(qū)間內(nèi)采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，但是從一氧化碳的濃度較低的情況看，采空區(qū)浮煤氧化程度較低，沒有造成熱量積聚。同時(shí)，在采空區(qū)115 m至145 m的范圍內(nèi)由于破碎煤層涌出的大量瓦斯出現(xiàn)使得氧化帶縮短到只有30 m，使得O2濃度急劇降低，阻斷了浮煤的加速氧化。

4 結(jié)語

通過束管監(jiān)測(cè)技術(shù)的使用，我們可以直觀的看出采空區(qū)各指標(biāo)氣體含量的變化情況，并且可以定制每天、每周、每旬、每月甚至更長(zhǎng)時(shí)間的氣體變化趨勢(shì)，氣體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)更具適用性、及時(shí)性、可靠性、準(zhǔn)確性，清楚了解把握采空區(qū)三帶的分布及其自然發(fā)火性，火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確度，為防滅火工作提供重要依據(jù)。