羊場灣大采高易自燃工作面CO分布規(guī)律研究*

秦汝祥，陳國棟，駱大勇,侯樹宏，田文雄

(1.煤炭安全精準開采國家地方聯(lián)合工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 安全學院，安徽 淮南 232001；3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學院，重慶 402260；4.寧夏煤業(yè)公司 羊場灣煤礦，寧夏 靈武 751410)

0 引言

煤氧化產(chǎn)生CO已成為共識[1-6]，國內(nèi)外學者從氧化過程中煤的表面活性結(jié)構(gòu)、煤的脫附作用、不同溫度階段CO產(chǎn)生速率及氧化熱效應(yīng)等方面對煤氧化產(chǎn)生CO的機理進行研究，其中煤氧復(fù)合理論被學者們所認同。研究表明煤與氧發(fā)生復(fù)合反應(yīng)，放出并積累熱量，最終引起煤的自燃。該過程主要包括煤對氧的物理吸附、化學吸附和化學反應(yīng)3個階段，它是1個緩慢地自動氧化、放熱、升溫，最后引起燃燒的過程，該過程中的主要氣體產(chǎn)物是CO和CO2[7-11]。文虎等[12]、葛玲梅等[13]通過煤的表面分子結(jié)構(gòu)模型探討和利用峰值擬合手段與紅外差減光譜，分析得出煤中的4種橋鍵(—CH2OH—,—O—CH2—,—CHR—CH2—,—CH3—)和3種側(cè)鏈(—CH2—OH,CH3—O—,—CHO)能在常溫下與氧復(fù)合產(chǎn)生CO，CO2。李增華[14]認為煤破碎產(chǎn)生的裂隙會造成煤分子的斷裂，從而產(chǎn)生存在于煤顆粒表面或煤內(nèi)部新生成的裂隙表面的自由基并與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成 CO。

我國寧夏、內(nèi)蒙和甘肅等地區(qū)開采易自燃煤層時，普遍存在工作面上隅角CO體積分數(shù)超限問題，有關(guān)學者對煤炭開采過程中CO來源進行了研究[15-16]。有學者通過試驗和構(gòu)建數(shù)學模型分析得出CO主要由采空區(qū)浮煤氧化、采煤過程煤體破碎、煤壁氧化產(chǎn)生，且工作面風量與開采參數(shù)會影響CO的產(chǎn)生量，為采空區(qū)遺煤氧化創(chuàng)造條件[17-22]。王連聰?shù)萚23]、樊九林[24]開展現(xiàn)場試驗和實驗室研究，得出煤層中含有原生CO。

采空區(qū)的自燃狀況可以通過分析CO的體積分數(shù)分布進行評判[25-27]。王家學等[28]采用模擬分析方法，得出王臺礦XV2304工作面采空區(qū)CO體積分數(shù)先隨采空區(qū)深度的增加而上升，到達峰值后又下降。吳玉國等[29]分析塔山礦8202工作面連續(xù)注氮前后采空區(qū)CO變化規(guī)律得出采用綜采放頂煤技術(shù)開采特厚、大采高、易自燃煤層時，綜采工作面回風流中常出現(xiàn)一定體積分數(shù)的CO。

當前對工作面CO體積分數(shù)超限問題的研究，學者們關(guān)注點是煤低溫氧化程度與CO產(chǎn)生量之間的關(guān)系，采取的研究方法包括實驗室實驗、現(xiàn)場考察和數(shù)值計算，關(guān)注點也主要是工作面上隅角。已有文獻中鮮見對不同時段和不同工序下工作面CO體積分數(shù)分布特征的研究。本文在試驗工作面沿走向和傾向布置測點，對不同工序和不同時段下CO體積分數(shù)進行測試；同時對試驗工作面的采空區(qū)不同位置的氣體進行取樣分析，繪制采空區(qū)CO體積分數(shù)等值線分布圖?；趯Σ煌恢玫腃O進行全天檢測，能夠更準確地探究CO的主要來源與體積分數(shù)分布。研究結(jié)果對分析工作面CO來源及準確判定大采高易自燃煤層開采過程中煤自燃狀況具有重要意義。

1 試驗工作面概況

研究地點為神華寧夏煤業(yè)羊場灣礦一分區(qū)，試驗對象為16采區(qū)160205工作面。開采煤層2號煤層為Ⅰ類易自燃煤層，最短自發(fā)火期為23 d，煤層揮發(fā)份Vdaf=27.57%，可爆，爆炸性火焰長度大于400 mm。工作面南為切眼，鄰近DF14斷層；北以16采區(qū)北翼輔運巷為界；其東間隔26.5 m區(qū)段煤柱，為相鄰淺部已采160203采空區(qū)，其西抵近DF29斷層，為該煤層深部原始未采動區(qū)域。工作面上部為平均厚度1.61 m的1號煤層。

160205工作面走向長為1 100 m，傾斜長180 m，煤層厚度7.91～8.26 m，平均厚度8.1 m；傾角14°～34°，平均傾角24°。工作面直接底為厚度12 m的粉砂質(zhì)泥巖，偽頂為0.4 m灰質(zhì)泥巖，直接頂為4.9 m粉砂質(zhì)泥巖，基本頂為22.54 m中粒砂巖和3.3 m粉砂巖。該工作面為綜放工作面。

2 試驗工作面CO分布測試與分析

2.1 試驗工作面CO分布測試方案

為準確反應(yīng)160205工作面CO體積分數(shù)分布規(guī)律，分別測試早班、中班和夜班不同時間段，沿工作面傾向和走向方向的CO體積分數(shù)，同時測試工作面機巷和風巷的CO體積分數(shù)。沿傾向布置4個測試位置：1號距離機巷3.5 m，2號距離機巷99.75 m，3號距離風巷26.25 m和4號距離風巷5.5 m。

沿工作面走向方向，從煤壁到架后采空區(qū)之間每間隔0.5 m布置1個測點，每個測點的高度距離頂板0.4 m。各個測點位置如圖1所示。

圖1 160205試驗工作面測點位置Fig.1 Locations of measuring points in 160205 test working face

2.2 測試結(jié)果及分析

測試在每班開始前進行，實測結(jié)果可以表示前1班結(jié)束時CO體積分數(shù)，能夠體現(xiàn)不同工序?qū)O涌出量的影響。測試時間為2020年8月18日至2020年9月9日，共進行4次測試，4次測試結(jié)果反應(yīng)的工作面CO體積分數(shù)分布規(guī)律相同，其中2020年9月9日測試結(jié)果見表1～3。從測試結(jié)果可以看出：

表1 工作面CO體積分數(shù)測試結(jié)果(夜班、生產(chǎn))Table 1 Test results of CO volume fraction in working face (night shift,production)

1)工作面進風巷側(cè)1號測試位置在早班、中班和夜班均未檢測出CO；2，3和4號測試位置在各個時段均檢測出CO。

表2 工作面CO體積分數(shù)測試結(jié)果(早班、生產(chǎn))Table 2 Test results of CO volume fraction in working face (morning shift,production)

表3 工作面CO體積分數(shù)測試結(jié)果(中班、檢修)Table 3 Test results of CO volume fraction in working face (noon shift,maintenance)

2)沿工作面推進方向，CO體積分數(shù)逐漸升高，沿工作面風流流動方向，CO體積分數(shù)逐漸升高，至上隅角位置體積分數(shù)達到最高且最高值所在位置距離工作面煤壁最遠。

3)生產(chǎn)班和檢修班對工作面CO涌出有一定的影響，檢修班期間工作面CO涌出量約為生產(chǎn)班的1/2。

沿工作面煤壁到架后采空區(qū)方向CO體積分數(shù)逐漸升高，這是由于頂煤氧化產(chǎn)生。往采空區(qū)方向，支架頂梁高度降低，頂煤變形空間增大，煤炭破碎程度加大，與O2接觸面加大，對空氣接觸更為充分，加劇了煤的低溫氧化過程，產(chǎn)生更多的CO。檢修班結(jié)束時，煤壁CO體積分數(shù)僅為生產(chǎn)班結(jié)束時體積分數(shù)的1/2，表明羊場灣160205工作面割煤時存在破碎煤體產(chǎn)生CO的可能。由于羊場灣160205綜放工作面采放比為1∶1.25且采空區(qū)方向為高體積分數(shù)CO區(qū)域，表明工作面開采引起的采動應(yīng)力對頂煤的破壞以及放煤作業(yè)會引起CO涌出。

3 試驗采空區(qū)CO分布測試與分析

3.1 試驗采空區(qū)CO分布測試方案

采空區(qū)留有大量遺煤，在架后漏風作用下，遺煤氧化會釋放CO。為研究架后漏風對采空區(qū)遺煤氧化的影響，通過布置測試系統(tǒng)，測試采空區(qū)CO體積分數(shù)分布。

采空區(qū)CO體積分數(shù)分布測試和采空區(qū)自燃“三帶”范圍測試同步進行，通過布置束管，對采空區(qū)不同位置的氣體進行取樣分析，試驗方案采用靜態(tài)布置束管，隨著工作面的推進，測試不同深度位置的采空區(qū)CO體積分數(shù)。測試系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 自燃“三帶”測試系統(tǒng)Fig.2 Test system for “three belt”of spontaneous combustion

3.2 測試結(jié)果及分析

圖3為采空區(qū)CO體積分數(shù)分布圖，坐標原點為工作面下隅角。圖4為采空區(qū)CO體積分數(shù)等值線。從測試結(jié)果可以看出：

圖3 采空區(qū)CO體積分數(shù)分布Fig.3 Distribution of CO volume fraction in goaf

圖4 采空區(qū)CO體積分數(shù)等值線Fig.4 Contour of CO volume fraction in goaf

1)高體積分數(shù)CO主要分布在工作面傾向100～180 m、走向0～15 m處和傾向120～180 m、走向30～100 m處的2個區(qū)域。

2)近采空區(qū)CO呈現(xiàn)出向回風側(cè)運移的趨勢。

3)進風側(cè)到回風側(cè)CO體積分數(shù)逐漸增大，上隅角處達到最大。

4)在回風巷，越靠近煤壁CO體積分數(shù)越高。

工作面開采初期未形成氧化帶前，采空區(qū)存在少量CO，采用綜采放頂煤技術(shù)開采特厚、大采高、易自燃煤層時，綜采工作面回風流中常出現(xiàn)一定體積分數(shù)的CO[29]，造成第1個高體積分數(shù)CO區(qū)域。大采高綜采過程中工作面上、下平巷留有少量頂煤，易自燃煤層采空區(qū)通常會遺留連續(xù)的松散煤堆且煤層厚度變化較大[26]。在綜采工作面推進的過程中，氧化帶范圍變大，采空區(qū)浮煤量增多，頂板冒落的巖石由近采空區(qū)的松散堆積狀態(tài)到中部采空區(qū)的冒落巖塊逐漸壓實，孔隙率降低，供氧適宜，在架后漏風作用下，遺煤與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生CO，且漏風作用減小，氧化產(chǎn)生的CO難以被稀釋，造成第2個高體積分數(shù)CO區(qū)域。羊場灣160205工作面開采的2號煤層為易自燃煤層，進入深部采空區(qū)后，漏風量更小，氧濃度低于4%，遺煤因缺氧不能發(fā)生氧化，CO未能保持氧化帶內(nèi)的高體積分數(shù)而出現(xiàn)了降低現(xiàn)象。

羊場灣2號煤層風巷側(cè)采空區(qū)深度30～100 m處的CO高體積分數(shù)區(qū)域是判定采空區(qū)遺煤自燃狀況的關(guān)鍵區(qū)域，自然發(fā)火期內(nèi)，在正?；夭善陂g，只要保持推進至窒息帶的距離即可保證采空區(qū)內(nèi)遺煤不發(fā)生自燃。

4 結(jié)論

1)采用綜采放頂煤技術(shù)開采大采高、易自燃煤層時，采空區(qū)通常會遺留連續(xù)的松散煤堆，綜放工作面的回風流中會出現(xiàn)一定體積分數(shù)的CO。

2)沿工作面推進方向，CO體積分數(shù)逐漸升高，沿工作面風流流動方向，CO體積分數(shù)逐漸升高，至上隅角位置體積分數(shù)達到最高且最高值所在位置距離工作面煤壁最遠。

3)割煤作業(yè)煤體破碎時會釋放CO，往采空區(qū)方向，支架高度降低，頂煤變形空間增大，會加劇煤的低溫氧化過程。

4)近采空區(qū)CO體積分數(shù)由進風側(cè)到回風側(cè)逐漸增大，到上隅角處達到最大。

5)針對大采高易自燃煤層的綜放開采工藝，煤自燃狀態(tài)的判定應(yīng)分為采空區(qū)和頂煤2個區(qū)域深入開展研究，從試驗工作面的研究結(jié)果看，深度30～100 m處的CO高體積分數(shù)區(qū)域是判定采空區(qū)遺煤自燃狀況的關(guān)鍵區(qū)域。