豹子溝礦煤層自然發(fā)火試驗及自燃“三帶”劃分

張躍軍

（山煤國際煤業(yè)分公司，山西 太原 030000 ）

1 工程概況

豹子溝煤業(yè)有限公司主采9+10+11煤層，平均厚度為5.2 m，頂板以致密的泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r為主，底板為性脆的泥巖、砂巖。礦井為低瓦斯礦井，最大絕對瓦斯涌出量為8.0 m3/min，最大相對涌出量為4.2 m3/t，回采面最大絕對瓦斯涌出量為3.8 m3/min。受沉積環(huán)境變化影響，9、10、11號3層煤層合并，即形成9+10+11號煤層，工作面采用綜合機械化放頂煤采煤法整體回采9+10+11號煤層，全部垮落法管理頂板，采放比1:1。9號煤為1.25 m的特低灰分～高灰分、高硫分、高熱值～特高熱值的焦煤和肥煤。10+11號煤為約3.95 m的低灰～高灰、高硫、低熱值～高熱值、強粘結(jié)～特強粘結(jié)性的焦煤和肥煤。9+10+11號煤自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期81 d。礦井主要通風機的工作方法采用機械抽出式，10101工作面采用單進、單回的U型通風系統(tǒng)，如圖1所示。工作面采用綜放工藝，煤炭資源集約化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，但采空區(qū)容易遺煤，遺煤的自燃問題成為影響礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[1-2]。

圖1 10101工作面布置圖

2 煤層常溫封閉耗氧試驗

煤層是否自燃滿足的條件為：粉煤或碎煤是否有自燃傾向性、采空區(qū)是否漏風存在合適的氧氣濃度、堆煤的蓄熱環(huán)境是否適合以及時間是否夠長。采空區(qū)的遺煤與氧氣接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量未能及時排出，溫度逐漸升高加速煤氧作用，該過程循環(huán)發(fā)生，最終引起煤的自燃[3-4]。本文以豹子溝礦9#、10#、11#煤層首先取樣進行常溫封閉耗氧試驗，旨在測試煤體在不同氧氣濃度下耗氧的速度，來判斷煤的自燃危險性。

本文采用中型煤樣試驗，利用如圖2所示的煤樣封閉耗氧試驗裝置進行試驗，該裝置包括恒溫箱、密封罐、氣泵、流量計、氣路管、氣體傳感器和數(shù)據(jù)采集器等。使用電化學(xué)式氣體檢測儀，即O2氣體傳感器模塊（范圍為0%～30%）和CO氣體傳感器模塊（范圍為0～1000 ppm），用計算機驅(qū)動和數(shù)據(jù)采集模塊控制整個過程。

圖2 煤樣封閉耗氧試驗裝置總體示意圖

圖3為9#、10#、11#三種煤樣的封閉耗氧試驗CO濃度與時間的關(guān)系圖，三種煤樣均在96 h內(nèi)達到了氣體濃度穩(wěn)定。從圖中可知，10#煤層生成CO濃度最慢，9#生成CO濃度最快，兩者CO穩(wěn)定的值分別為50 ppm、80 ppm。圖4為9#、10#、11#三種煤樣氧氣濃度隨時間的負指數(shù)的變化關(guān)系，與CO生成相對應(yīng)。其中各煤樣的氧濃度衰減率λc、體積耗氧速度常數(shù)γ0、氧氣初始體積分數(shù)C0、封閉罐中煤氧化穩(wěn)定氧濃度值Cb見表1。由決定耗氧能力的參數(shù)Cb、λc的值可知，10#煤層耗氧能力最大，其次是9#煤層，耗氧能力最弱是11#煤層。得出最終的結(jié)論為10#煤層自燃傾向性最大。

圖3 三種煤樣的CO濃度隨時間變化對比

圖4 煤樣耗氧試驗數(shù)據(jù)對比

表1 不同煤樣的各種參數(shù)值

3 煤自然發(fā)火指標體系分析

3.1 標志性氣體優(yōu)選

CO作為預(yù)測煤層自然發(fā)火指標氣體已得到廣泛應(yīng)用，但由于受到現(xiàn)場環(huán)境、風流大小、檢測儀器等影響，CO產(chǎn)生量與煤溫之間的變化關(guān)系不明確，時常時有時無不穩(wěn)定，故需要派生氣體指標進行分析[5]。試驗結(jié)果表明，在三種煤的吸附氣體中，沒有C2H4氣體組分，當9#、10#、11#煤層溫度分別為225 ℃、220 ℃、220 ℃時，產(chǎn)生C2H4氣體，與CO氣體產(chǎn)生的初始溫度相比，均有一個明顯的時間差和溫度差。C2H4出現(xiàn)后煤氧進入加速氧化階段，當溫度達到268 ℃左右時，出現(xiàn)C3H6氣體，此時煤溫迅速升高，氣體濃度表現(xiàn)為突起的陡峰，為煤劇烈燃燒的表征。C2H4和C3H6氣體濃度的變化對煤層自燃特征具有很重要的意義。另外隨著煤溫的升高，9#、10#、11#煤產(chǎn)生了C2H2氣體，初始溫度分別為323 ℃、419 ℃、317 ℃，與C3H6相比又有一個明顯的溫度差，C2H2氣體的產(chǎn)生標志煤進入燃燒階段。故C2H4、C3H6、C2H2可作為煤層自燃的標志性氣體。

3.2 煤自然發(fā)火臨界氧氣濃度

煤自然發(fā)火臨界氧氣濃度是指使煤發(fā)生自燃和維持自燃的最低濃度值，它是采空區(qū)遺煤自燃治理的重要依據(jù)。通過給煤層煤樣在不同氧氣濃度下（本次試驗氧氣濃度分別為20.9%、10.0%和7.0%）氣體產(chǎn)物、氧化熱力學(xué)特征以及氧化動力學(xué)特性，可確定有效抑制各煤樣自燃的最大氧氣濃度。9#、10#、11#煤樣試驗表明：氧氣濃度與煤氧化產(chǎn)物濃度呈正關(guān)系，氧氣濃度降低，同一溫度主要氣體產(chǎn)物絕對濃度有降低趨勢。當氧氣濃度20.9%、煤樣溫度225 ℃時，C2H4氣體產(chǎn)生，CO、C2H4氣體迅速增加，濃度升高；氧氣濃度降低至10.0%時，CO、C2H4氣體增加速度有所減緩，但不能阻止；當濃度降低至7.0%時，CO、C2H4氣體急劇減少，說明濃度為7.0%時有更大的抑制作用，另外濃度為7.0%時，煤氧化產(chǎn)物中未出現(xiàn)C2H2氣體。

總之，當氧氣濃度為20.9%、10.0%、7.0%時，煤樣的氧化表現(xiàn)分別為明顯激烈氧化階段、較弱的氧化階段、氧化階段不明顯，綜合氣體生成濃度規(guī)律，確定豹子溝煤礦煤樣自然發(fā)火臨界氧氣濃度為7.0%。

4 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

4.1 “三帶”劃分的數(shù)值模擬

采空區(qū)自燃“三帶”一般劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶?！叭龓А钡臏蚀_劃分對采空區(qū)自然發(fā)火防治有重要作用。利用COMSOL模擬軟件可模擬工作面不同供風量時自燃“三帶”的劃分情況。以豹子溝礦10101工作面為研究背景，建立工作面長150 m×寬6 m、采空區(qū)長260 m×寬150 m的模型，如圖5，模擬了工作面風量分別為16 m3/s、21 m3/s、26 m3/s時采空區(qū)自燃“三帶”情況，模擬結(jié)果如圖6。

圖5 模型網(wǎng)絡(luò)劃分

圖6 工作面不同風量采空區(qū)自燃“三帶”情況

模擬結(jié)果可知，工作面不同風量時，氧化帶起始位置即漏風速度0.004 m/s的等值線的位置接近，說明風量對其影響不大，但風量對氧氣濃度7%等值線影響較大，隨著風量的增大向深部轉(zhuǎn)移。利用MIN-MAX方法優(yōu)化，可確定10101工作面“三帶”范圍：0～27 m為散熱帶，27～74 m為氧化自燃帶，大于74 m為窒息帶。

4.2 現(xiàn)場監(jiān)測

10101工作面采用束管監(jiān)測技術(shù)對采空區(qū)進行自燃“三帶”監(jiān)測?，F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：采空區(qū)進風側(cè)至工作面距離27 m內(nèi)，氧氣濃度大于18%，距離27～72 m時氧氣濃度在7%～18%之間，當距離大于72 m時，氧氣濃度小于7%；采空區(qū)回風側(cè)至工作面距離17 m內(nèi)，氧氣濃度大于18%，距離17～67 m時氧氣濃度在7%～18%之間，當距離大于67 m時，氧氣濃度小于7%。現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近。

5 結(jié)論

通過豹子溝各煤層煤樣試驗可知C2H4、C3H6、C2H2可作為煤層自燃的標志性氣體，同時得出了自然發(fā)火臨界氧氣濃度為7.0%，各煤層耗氧能力10#>9#>11#。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測標志性氣體變化規(guī)律，得出該礦的自燃“三帶”為0～27 m為散熱帶、27～74 m為氧化自燃帶、大于74 m為窒息帶。