五陽(yáng)煤礦3#煤層采空區(qū)煤炭自燃特性分析

郭煜峰

（潞安化工集團(tuán)有限公司五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)治 046200）

在礦井火災(zāi)中，大部分是由于采空區(qū)遺留煤炭自燃而引發(fā)的。 在煤炭回采過(guò)程中，工作面的斷面增加，需要的通風(fēng)量也會(huì)隨之增加，在通風(fēng)不足的情況下會(huì)出現(xiàn)漏風(fēng)量的增加，工作面上的遺煤進(jìn)入采空區(qū)后，引發(fā)煤自燃。 探測(cè)采空區(qū)自燃的分布范圍，有針對(duì)性地進(jìn)行滅火，防治采空區(qū)遺煤自燃，對(duì)井下安全開(kāi)采具有重要意義[1-5]。針對(duì)五陽(yáng)煤礦采空區(qū)遺煤自燃問(wèn)題，擬采用煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，為煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合判定式歸納進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)煤自燃隱患危險(xiǎn)區(qū)域劃分，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展煤自燃防控工作。

1 工程概況

選取五陽(yáng)煤礦76 采區(qū)7607 回采工作面為試驗(yàn)工作面，礦井地面標(biāo)高為+830～+926 m。 7607回采工作面平均走向長(zhǎng)度為400 m，傾向長(zhǎng)度為185 m，煤層平均傾角為13°，工業(yè)煤炭?jī)?chǔ)量達(dá)0.3687 Mt，回采率為97%，可連續(xù)開(kāi)采的煤量為0.3577 Mt。7607 回采工作面東部是76 膠帶巷，西部是7605 采空區(qū)，南部是7609 運(yùn)輸巷，井下標(biāo)高為+370～430 m。 7607 工作面目前回采的是3#煤層，煤層平均厚度為6.06 m，局部含有兩層夾矸；工作面內(nèi)原始瓦斯平均含量為13 m3/t，殘存瓦斯平均含量為2.5 m3/t。7607 膠帶巷為主要進(jìn)風(fēng)巷，軌道巷為輔助進(jìn)風(fēng)巷，高瓦斯混合氣體的抽采量為500 m3/min，瓦斯抽采濃度為3%。回采期間，工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量為45 m3/min，相對(duì)涌出量為15.6 m3/t。

2 自燃模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

采用煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置對(duì)五陽(yáng)煤礦的煤樣進(jìn)行測(cè)試，裝置如圖1 所示，主要包括絕熱氧化裝置、供氣控制裝置、溫度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[6-7]，通過(guò)模擬煤樣自然發(fā)火過(guò)程所需的氧化升溫條件，獲得煤樣的自然發(fā)火特性。

圖1 煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)條件

從7607 工作面上采集50 kg 新鮮煤樣，用破碎機(jī)對(duì)煤樣進(jìn)行破碎篩分，重新混合后得到試驗(yàn)煤樣。 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，按照預(yù)設(shè)的間隔參數(shù)進(jìn)行氣樣采集，并采用氣相色譜儀進(jìn)行分析[8-10]，記錄試驗(yàn)溫度變化條件下，各類氣體的濃度數(shù)據(jù)，煤樣試驗(yàn)條件如表1 所示。

表1 煤樣試驗(yàn)條件

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)，得到煤自然發(fā)火測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 煤自然發(fā)火試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

從圖2 中可以看出，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度為25℃時(shí)，遺煤的最短自然發(fā)火期為48 d；根據(jù)理論計(jì)算，遺煤溫度28.3℃時(shí)，氧氣消耗速率為4 732×10-11mol/(s·cm3)；當(dāng)出氣口處的氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%～7%時(shí)，出氣口的溫度小于高溫點(diǎn)的溫度，且溫差在逐漸增大。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)7607 工作面采空區(qū)的氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 要求在觀測(cè)期間，確保整個(gè)束管沒(méi)有泄漏，每天進(jìn)行1 次氣體采樣并盡快分析觀測(cè)結(jié)果。 對(duì)氣體進(jìn)行采樣之前，要先將束管內(nèi)的所有空氣排空，確保管內(nèi)的氣樣全部來(lái)自采空區(qū)。 在進(jìn)行采樣時(shí)，要詳細(xì)記錄整個(gè)工作面的回采距離、采空區(qū)冒落等具體情況。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)布設(shè)3 個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取樣管路是采用束管埋管，外部用一根直徑為50 mm 的圓形鋼管進(jìn)行保護(hù)，避免頂板周期來(lái)壓或端頭支架壓力對(duì)整個(gè)束管造成的嚴(yán)重破壞[11-13]。每個(gè)測(cè)點(diǎn)提前留設(shè)好1 個(gè)束管采樣點(diǎn)和溫度保護(hù)測(cè)試裝置，束管的取樣頭是2 寸圓形鋼管，將鋼管的上端封嚴(yán)封實(shí)，在取樣頭上鉆若干小孔，便于管內(nèi)氣體進(jìn)入，將束管單管直接伸入取樣頭，用封泥將管口封好。 隨著工作面的不斷推進(jìn)，束管埋管和測(cè)溫保護(hù)裝置的鋪設(shè)長(zhǎng)度為200 m，其中第1 個(gè)測(cè)試點(diǎn)距開(kāi)切眼的距離為150 m，每隔30 m 布設(shè)一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)束管測(cè)點(diǎn)的氣體含量，來(lái)劃分采空區(qū)的三帶范圍。 測(cè)溫保護(hù)裝置采用PT100 型熱補(bǔ)償電阻，測(cè)溫探頭和束管都使用圓形鋼管進(jìn)行保護(hù)。

3.2 測(cè)試過(guò)程

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)間為45 d，工作面推進(jìn)268 m，測(cè)試氣樣約237 個(gè)，測(cè)試溫度數(shù)據(jù)共90 組，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際測(cè)試情況將測(cè)試過(guò)程分為2 個(gè)階段。

第1 階段歷時(shí)45 d，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)的O2濃度下降比較緩慢。 其中1#測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)171 m，2#測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)141 m，3#測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)111 m，各測(cè)點(diǎn)的O2濃度均大于18%，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重。 在距離工作面171 m內(nèi)采空區(qū)處于“散熱帶”，大于171 m 采空區(qū)處于“氧化帶”，且采空區(qū)內(nèi)CO 濃度上升。 對(duì)回風(fēng)側(cè)瓦斯進(jìn)行多地點(diǎn)多方式抽采，在回風(fēng)副巷布置仰角鉆孔，回風(fēng)巷布置高位鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采，在回風(fēng)副巷布置有325 mm 的管路進(jìn)行埋管抽放。

通過(guò)第1 階段的測(cè)試，說(shuō)明工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)范圍較大。 隨著測(cè)點(diǎn)的不斷深入，CO濃度升高，說(shuō)明采空區(qū)深部的遺煤氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。進(jìn)行瓦斯抽采雖然解決了回風(fēng)隅角瓦斯超限，但在采空區(qū)180 m 處，O2濃度仍大于18%，CH4濃度小于4%，這樣造成了很大的防滅火壓力。

通過(guò)分析不同抽采方式的抽采效果，可以看出：回風(fēng)副巷埋管的抽采流量大，抽采濃度和抽采效率低。抽采位置距離3#測(cè)點(diǎn)較近，約為25～35 m，與測(cè)點(diǎn)一同向采空區(qū)深部移動(dòng)，造成測(cè)點(diǎn)周圍O2濃度超高。

為了減少采空區(qū)漏風(fēng)，降低采空區(qū)CO 濃度，及時(shí)調(diào)整回風(fēng)副巷的埋管位置，降低抽采流量，提高抽采濃度。 在停止回風(fēng)副巷瓦斯抽采后，對(duì)各測(cè)點(diǎn)的氣體成分及溫度進(jìn)行第2 階段監(jiān)測(cè)，在各測(cè)點(diǎn)O2濃度均下降到7%以內(nèi)結(jié)束試驗(yàn)，共計(jì)27 d。

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 O2濃度

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，測(cè)定氣體的體積分?jǐn)?shù)分布情況，在采空區(qū)150 m 范圍內(nèi)，間隔50 m 設(shè)置一個(gè)取樣點(diǎn)，同時(shí)觀測(cè)上下巷道，判定工作面自燃三帶的分布，采空區(qū)內(nèi)束管布置路徑和測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

圖3 束管布置路徑及測(cè)點(diǎn)位置

氧氣體積分?jǐn)?shù)按照7%～16%作為自燃帶的劃分指標(biāo)。 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，進(jìn)入采空區(qū)38 m 內(nèi)是散熱帶，進(jìn)入采空區(qū)38～105 m 是自燃帶，進(jìn)入采空區(qū)105 m 后是窒息帶。由于采空區(qū)存在漏風(fēng)，自燃帶會(huì)向運(yùn)輸巷一側(cè)延伸到120 m。

4.2 CO濃度

工作面在回采過(guò)程中，進(jìn)入采空區(qū)0～45 m內(nèi)，一氧化碳的濃度小于10×10-6。 工作面進(jìn)入采空區(qū)45 m 以后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的CO 濃度迅速上升，遺煤的氧化沒(méi)有隨進(jìn)入采空區(qū)的深度而減弱。這主要是受采空區(qū)內(nèi)空氣溫度變化的影響。 根據(jù)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體的測(cè)定分析結(jié)果，采空區(qū)出現(xiàn)CO 的溫度范圍為49～193℃，采空區(qū)溫度超過(guò)49℃時(shí)，就會(huì)釋放出大量的一氧化碳?xì)怏w。

4.3 CH4濃度

因該煤層易自燃，工作面在回采過(guò)程中，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛容^低，進(jìn)入采空區(qū)180 m 內(nèi)，瓦斯?jié)舛刃∮?%。 因此，這就很少出現(xiàn)工作面瓦斯?jié)舛瘸薜那闆r，同時(shí)也會(huì)降低采空區(qū)鉆孔抽放瓦斯效率。 在停止工作面采空區(qū)抽放瓦斯后，回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛妊杆偕仙?，但回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛葲](méi)有明顯變化，說(shuō)明采空區(qū)停止抽放瓦斯，不會(huì)對(duì)回風(fēng)隅角瓦斯造成聚集。 采空區(qū)停止抽放瓦斯后，進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)減少，采空區(qū)遺煤的氧化范圍大大縮小。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)五陽(yáng)煤礦7607 回采工作面采空區(qū)遺留煤炭自燃問(wèn)題，運(yùn)用煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置分析煤炭自燃特性，通過(guò)束管監(jiān)測(cè)氣體含量，劃分采空區(qū)的三帶范圍。 利用煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置，確定煤樣的最短自然發(fā)火期為48 d，氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%～7%時(shí)，不會(huì)引發(fā)煤炭自燃火災(zāi)。 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，判定進(jìn)入采空區(qū)38 m 內(nèi)是散熱帶、38～105 m是自燃帶、105 m 后是窒息帶。 進(jìn)入采空區(qū)0～45 m內(nèi)一氧化碳濃度小于10×10-6，進(jìn)入采空區(qū)超過(guò)45 m 后一氧化碳濃度迅速上升，進(jìn)入采空區(qū)180 m內(nèi)瓦斯?jié)舛刃∮?%。