徐吉信
(山東義能煤礦有限公司,山東 汶上 272500)
微山礦業(yè)集團崔莊煤礦開采3 號煤層。3上煤層厚度2.5~5.66 m,平均厚5.20 m,3下煤層厚度2.52~5.00 m,平均厚4.10 m,為Ⅱ類自燃煤層,最短自然發(fā)火期59 d。采用綜采放頂煤開采工藝,全部垮落法管理頂板,采用注漿、注氮防滅火措施。工作面推進過程中,因防滅火措施落實不到位,曾出現(xiàn)過采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的跡象。工作面初期開采,回采率低,采空區(qū)遺煤較多,隨著開采的推進,采空區(qū)逐漸連在了一起,形成了復(fù)雜的漏風(fēng)環(huán)境,自然發(fā)火風(fēng)險較大。
目前,煤炭自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報的方法很多,主要有:測溫法、磁探法、電阻率法、氣體分析法等。氣體分析法在煤礦現(xiàn)有裝備條件下就可進行,不需要增加其他裝備,在煤炭自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報中得到廣泛應(yīng)用。
礦井配備有GC-4085 型礦井自動氣相色譜儀及輔助設(shè)備,可分析氣體成份:O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2; 裝備有KJ95 型安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。
根據(jù)GC-4085 氣相色譜儀可分析氣體成分及標(biāo)志性氣體要求靈敏性高,規(guī)律性強的特點,結(jié)合崔莊煤礦實際,選取一氧化碳 (CO)、 乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2)作為主要標(biāo)志性氣體,烯烷比、鏈烷比、Graham 系數(shù) (Ico)為輔助標(biāo)志性氣體指標(biāo)。
崔莊煤礦煤樣升溫氧化過程中氣體濃度及臨界溫度如表1所示。
表1 崔莊煤礦煤樣升溫氧化過程中氣體濃度及臨界溫度
分析煤樣氧化升溫過程CO、CO2及烷烯烴氣體濃度變化規(guī)律,得出標(biāo)志性氣體及臨界溫度如下:
(1)一氧化碳:在煤溫為114.6℃時一氧化碳濃度迅速升高,煤氧復(fù)合自動加速的臨界溫度為114.6℃。
(2)乙烯:煤自熱開始出現(xiàn)乙烯的臨界溫度為130.9℃。
(3)乙炔:煤自熱開始出現(xiàn)乙炔的臨界溫度為211.4℃。
(4)烯烷比、鏈烷比:鏈烷比的第一次峰值溫度在179.1℃、 烯烷比的第一次峰值溫度在211.4℃,如表2所示。
表2 煤樣在不同溫度下氧化分解氣體的烯烷比、鏈烷比比值
(5)Graham 系 數(shù) (Ico):Ico =100Vco/ΔVo2=100Vco/(0.265VN2-Vo2)式 中:Vco、Vo2、VN2分別為采樣點氣樣中一氧化碳、氧氣和氮氣的體積濃度,%。
只要指標(biāo)呈穩(wěn)定增加趨勢,就意味著煤炭的自燃在發(fā)展[1]。
采用多種指標(biāo),進行綜合分析。利用氣體分析法進行預(yù)測預(yù)報時,因現(xiàn)場條件復(fù)雜,受風(fēng)流、煤體吸附、測點選擇等因素影響,采用任何單一指標(biāo)氣體,都難以準(zhǔn)確判斷煤氧化自熱的發(fā)展階段和狀態(tài)。CO 產(chǎn)生量較大,但其同煤溫之間的關(guān)系不明確;乙烯、乙炔氣體雖然是臨界指標(biāo)非常明顯的氣體,但其生成量少,測點距高溫點較遠時,因被煤體吸附而檢測不到;烯烷比、鏈烷比雖然較為靈敏,可分析的范圍較大,但其隨溫度變化的多值性、曲線拐點的存在,特別是在滅火時期,僅僅依靠比值的變化,有時也很難做出明確的判斷。把它們結(jié)合起來,利用各種指標(biāo)變化的不同步性,進行綜合分析,可以提高預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性,減少誤判。
1)束管抽氣與人工取樣相結(jié)合,以人工取樣為主。人工取樣工作量大,不能隨時進行連續(xù)監(jiān)測,其優(yōu)點是在取樣過程中能掌握觀測點風(fēng)流、風(fēng)量的變化,根據(jù)實際情況進行調(diào)整,所取氣樣更能反映取樣區(qū)域真實狀況[2]。
2)在條件許可的情況下盡可能靠近可疑點進行取樣,取樣點太遠,取樣結(jié)果難以反映取樣區(qū)域的真實狀況。
3)對重點區(qū)域的取樣,應(yīng)分早中晚三班進行,減少大氣壓力變化的影響[3]。
4)封閉區(qū)域在區(qū)域內(nèi)循環(huán)及大氣壓力變化影響下,會出現(xiàn)“喘息”現(xiàn)象,即在某段時間內(nèi)封閉區(qū)域所有密閉觀測孔同時進氣或同時出氣。在觀測孔出現(xiàn)同時進氣時,要堅持使用采樣泵進行采樣,使所采氣樣能夠反映封閉區(qū)內(nèi)部真實情況。
5)監(jiān)測過程中,盡量不改變通風(fēng)系統(tǒng),保證各測點在同一通風(fēng)狀態(tài)下進行觀測、取樣,這是觀測數(shù)據(jù)能夠進行對比分析的基礎(chǔ)。若觀測過程中通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生變化,所有相關(guān)測點應(yīng)重新進行觀測、取樣,重新進行對比分析[4]。
6)在封閉區(qū)高負(fù)壓側(cè)、低負(fù)壓側(cè)均應(yīng)布置測點。崔莊煤礦經(jīng)常出現(xiàn)同一封閉采空區(qū)進風(fēng)側(cè)密閉向外出風(fēng),而回風(fēng)側(cè)密閉向內(nèi)進風(fēng)的現(xiàn)象。從熱力學(xué)的角度分析認(rèn)為,哪里有溫度差,哪里就有熱量交換的存在。在采空區(qū)內(nèi)部,因高溫點的存在,造成區(qū)域熱力系統(tǒng)不平衡,熱量的交換,帶動了氣體的流動,形成了以熱量交換為動力的內(nèi)部大氣循環(huán)系統(tǒng)。在高負(fù)壓側(cè)、低負(fù)壓側(cè)同時布置測點,能夠降低因個人主觀判斷失誤而不能及時發(fā)現(xiàn)問題的概率。
7)測點的布置應(yīng)考慮熱風(fēng)壓的影響。2018年2月6日崔莊煤礦33上06 工作面停采后,進風(fēng)隅角(上隅角)附近出現(xiàn)霧氣并檢測到CO,而回風(fēng)隅角(下隅角)霧氣消失,檢測不到CO。原因在于采空區(qū)存在高溫點,工作面風(fēng)量減少后,采空區(qū)熱風(fēng)壓相對增大,在熱風(fēng)壓作用下,采空區(qū)氣體向上運動。布置測點時,要充分考慮熱風(fēng)壓的影響,特別是有高差的區(qū)域,在通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生變化后,要適時調(diào)整測點的布置[5]。
氣體分析法在預(yù)測煤自燃程度、 預(yù)測高溫點的范圍、分析高溫區(qū)域漏風(fēng)點的位置、判斷高溫區(qū)域是否存在多個不連續(xù)高溫點及驗證滅火效果等在崔莊煤礦得到了多方面應(yīng)用。
1)根據(jù)指標(biāo)氣體的臨界溫度,預(yù)測煤炭自燃程度,及時發(fā)出預(yù)報。
2)預(yù)測高溫點的范圍,進行重點治理。
根據(jù)氣體濃度梯度變化及采場通風(fēng)系統(tǒng)狀況,可大致確定自然發(fā)火高溫點的范圍。2017年7月20日,一水平軌道大巷修復(fù)時,在巷道頂板鉆孔內(nèi)檢測到CO 氣體達到100 ppm。該段巷道上部為老空區(qū),遺煤較多。為確定高溫點的位置,以第一個檢測點為中心,在一水平大巷內(nèi)每隔10 m 向巷道頂板施工鉆孔,根據(jù)各個鉆孔內(nèi)氣體濃度梯度變化情況,圈定了高溫點的范圍。
3)分析高溫區(qū)域漏風(fēng)點的位置。
23下09 工作面于2016年11月8日開始回采,11月15日開始出現(xiàn)CO 氣體,并有快速增長的趨勢,分析認(rèn)為一氧化碳?xì)怏w來源于上部采空區(qū)。找到漏風(fēng)點的位置,進行封堵,對有效控制高溫點至關(guān)重要。采用了以下方法:①在可疑地點增設(shè)控風(fēng)設(shè)施。②通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生變化后,在所有可能檢測到一氧化碳?xì)怏w的相關(guān)地點安設(shè)CO 傳感器、CH4傳感器,并接入礦井安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。③通過逐一改變原有通風(fēng)設(shè)施及新增通風(fēng)設(shè)施的狀態(tài),來改變礦井通風(fēng)系統(tǒng)。每次改變后,維持30 分鐘,并記錄維持時間。④按照記錄時間段,對照監(jiān)控系統(tǒng)CO、CH4濃度變化情況,結(jié)合系統(tǒng)變化過程,確定漏風(fēng)點的位置。
4)判斷自燃區(qū)域是否存在多個不連續(xù)高溫點。
2015年11月15日,13下05 停采工作面32#支架處(距進風(fēng)隅角50 m)頂板破碎,檢測到CO 氣體濃度為860 ppm,進風(fēng)隅角CO 氣體濃度60 ppm。對上述地點取樣分析后發(fā)現(xiàn)Graham 系數(shù)、鏈烷比數(shù)值基本一致,連續(xù)取樣分析均具有相同的變化規(guī)律,分析認(rèn)為兩個取樣點氣體來自于同一個高溫點。后經(jīng)打鉆注漿測定出水溫度,證明了判斷的準(zhǔn)確性。
5)掌握火區(qū)內(nèi)部狀況,驗證滅火效果,指導(dǎo)火區(qū)處理工作。
2015年9月17日,在13下08 采空區(qū)上順槽密閉外檢測到CO 氣體,有乙烯出現(xiàn),烯烷比為0.086 ,需立即進行處理。因該采區(qū)已近回采結(jié)束,所有采空區(qū)都連在了一起,很難判斷高溫點的具體位置。先在13下08 采空區(qū)上順槽密閉附近向采空區(qū)打鉆孔,9月20日早班開始壓注凝膠,至9月25日CO 氣體濃度開始下降如表3所示,高溫點似乎得到了控制,但指標(biāo)分析發(fā)現(xiàn),烯烷比、鏈烷比并沒有太大的變化?;谶@一點,經(jīng)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn),在13下04 下順密閉內(nèi)CO 氣體濃度達1 000 ppm 以上。分析認(rèn)為,注凝膠并沒有消除高溫點,高溫點不在該鉆孔落點附近,注凝膠只是封堵了氣體逸出的通道,迫使氣體從其他薄弱地點(13下04 下順密閉)逸出,應(yīng)重新判斷高溫點的位置,進行處理。
表3 1308 上順采空區(qū)密閉人工取樣分析
采用氣體分析法預(yù)測自然發(fā)火狀況時,要結(jié)合現(xiàn)場條件,采用正確的觀測方法,測點的布置應(yīng)能反映監(jiān)測區(qū)域的真實狀況。預(yù)測預(yù)報不僅僅是預(yù)測煤自燃發(fā)展的程度,進行提前預(yù)警,預(yù)測發(fā)火的范圍、分析漏風(fēng)點位置、在火區(qū)治理過程中驗證滅火效果等,也是預(yù)測預(yù)報的重要組成部分。