晉北煤業(yè)5-407工作面自燃指標(biāo)性氣體及“三帶”劃分研究

張永剛

(霍州煤電集團(tuán) 晉北煤業(yè)有限公司，山西 忻州 035100)

1 工程概況

晉北煤業(yè)公司位于忻州市靜樂縣娘子神鄉(xiāng)山浪村，北與忻黑線相距9 km，距靜樂縣城12 km，距太佳高速豐潤站30 km，距太原市100 km，距忻州市90 km，交通便利。礦井井田位于寧武煤田東南部邊緣處，煤層賦存比較穩(wěn)定，屬低瓦斯礦井，采礦證批準(zhǔn)開采面積8.567 2 km2，批采煤層為2～6號煤層，其中5號上、5號下、6號為可采煤層，煤種主要為1/3焦煤、肥煤。礦井備案地質(zhì)儲(chǔ)量8 483萬t，其中5號上煤層5 176萬t，5號下煤層2 101萬t，6號煤層1 206萬t。按照初步設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)礦井開采煤層為5號上煤。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限16.7 a。截止2018年底，5號上煤剩余可采儲(chǔ)量1 813萬t。井田地質(zhì)及水文地質(zhì)類型為中等，礦井實(shí)際正常涌水量為100 m3/h，最大涌水量為148 m3/h。絕對瓦斯涌出量為1.6 m3/min。煤的自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。礦井現(xiàn)運(yùn)行的防滅火系統(tǒng)以注氮系統(tǒng)為主，噴灑阻化劑為輔，采用束管系統(tǒng)監(jiān)控有害氣體。為保障后續(xù)工作面的安全高效生產(chǎn)，需設(shè)計(jì)合理有效的采空區(qū)防滅火措施，本文以5-407工作面為例，進(jìn)行采空區(qū)遺煤自燃特性的研究，為采空區(qū)自然發(fā)火防治措施的制定提供可靠依據(jù)。

2 工作面煤自燃指標(biāo)性氣體研究

工作面回采后，采空區(qū)內(nèi)將遺留一定量的煤體，煤在采空區(qū)內(nèi)發(fā)生氧化反應(yīng)將產(chǎn)生各種碳氧、碳?xì)涞葰怏w[1]，各類氣體的濃度會(huì)隨著煤的氧化程度、溫度的變化而變化，因此可根據(jù)采空區(qū)各類氣體的濃度變化判斷采空區(qū)是否發(fā)生自燃。不同煤體氧化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體差異性很大，為具體掌握晉北煤業(yè)5號上煤自燃產(chǎn)生各類氣體的濃度變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了5號上煤自燃標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)過程：①在5-407工作面選取適量干燥煤樣，采用塑料袋密封運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室；②取出煤樣，破碎、篩選得到合適粒徑的煤樣；③將適量煤樣放置在程序控溫箱的中心位置，檢查各個(gè)儀器的性能及系統(tǒng)的氣密性；④調(diào)節(jié)程序控溫箱溫度，加熱煤樣，觀察分析儀記錄結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

由圖2(a)可以看出，CO初始濃度為零，溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，出現(xiàn)CO，濃度為0.58×10-6，表明煤樣開始發(fā)生氧化反應(yīng)；煤樣溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，CO濃度開始明顯增大，表明此時(shí)煤樣已進(jìn)入迅速氧化階段。由圖2(b)知，CO2初始濃度為345.95×10-6，煤樣溫度達(dá)到175 ℃時(shí)，CO2濃度才開始明顯增大，煤樣初始氧化階段CO2濃度無明顯變化，根據(jù)煤體對CO2的吸附作用可知，CO2濃度的升高由兩部分引起[2-3]，一是煤體脫附產(chǎn)生，二是煤樣氧化反應(yīng)產(chǎn)生，因此CO2濃度的變化并不能準(zhǔn)確反應(yīng)煤樣的氧化階段。由圖2(c)可以看出，C2H4初始濃度為零，溫度升到110 ℃時(shí)，開始出現(xiàn)C2H4，溫度達(dá)到180 ℃左右時(shí)，C2H4濃度開始呈指數(shù)型增長，表明煤樣進(jìn)入迅速氧化階段。由圖2(d)可知，CH4、C2H6、C3H8隨溫度增大濃度變化最具規(guī)律性的為CH4，但CH4初始濃度并不是零，且煤樣內(nèi)吸附一定的CH4，因此這三種氣體均不適合作為標(biāo)志性氣體。

圖2 各類氣體濃度變化規(guī)律

綜上可知，晉北煤業(yè)5號上煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體為CO和C2H4，CO濃度開始變化表明煤體開始氧化反應(yīng)，C2H4濃度開始變化表明煤體進(jìn)入加速氧化階段，CO或C2H4濃度開始迅速增大，表明煤體已進(jìn)入開始氧化階段，可認(rèn)為此時(shí)采空區(qū)發(fā)生了自然發(fā)火。

3 采空區(qū)煤自燃“三帶”現(xiàn)場實(shí)測研究

采空區(qū)遺煤自然發(fā)火需要具備溫度、氧氣濃度及遺煤等條件，根據(jù)各個(gè)因素的變化可將采空區(qū)劃分為散熱帶、自燃帶和窒息帶[4]，散熱帶溫度較低，不易出現(xiàn)自然發(fā)火，窒息帶氧氣濃度較低，不易出現(xiàn)自然發(fā)火，自燃帶具有良好的漏風(fēng)和蓄熱條件，是采空區(qū)自然發(fā)火的重點(diǎn)區(qū)域。可根據(jù)氧氣濃度進(jìn)行采空區(qū)自燃“三帶”的劃分，當(dāng)氧氣濃度低于8%，該區(qū)域?yàn)橹舷В谎鯕鉂舛却笥?8%，該區(qū)域?yàn)樯釒В谎鯕鉂舛任挥?%至18%之間的區(qū)域?yàn)樽匀紟А闇?zhǔn)確掌握5-407工作面采空區(qū)自燃“三帶”的具體情況，采用束管監(jiān)測系統(tǒng)和氣相色譜儀分析測試系統(tǒng)相結(jié)合的方式，分析采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的變化規(guī)律，束管監(jiān)測系統(tǒng)管路布置如圖3所示，在5-407工作面膠帶巷和回風(fēng)巷內(nèi)埋管，采樣點(diǎn)由測試鋼管、保護(hù)套管及抽采泵組成，每條巷道各設(shè)置兩個(gè)采樣點(diǎn)，采樣點(diǎn)間距50 m。

圖3 束管監(jiān)測系統(tǒng)布置平面

井下束管監(jiān)測系統(tǒng)連接地面氣相色譜儀分析測試系統(tǒng)，當(dāng)采樣點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后，記錄各采樣點(diǎn)氧氣的濃度及工作面日推進(jìn)距離，整理得到氧氣濃度隨著采樣點(diǎn)深入采空區(qū)深度的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 氧氣濃度變化曲線

由圖4可以看出，隨著采樣點(diǎn)逐漸深入采空區(qū)，膠帶巷和回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度均快速下降，膠帶巷一側(cè)采空區(qū)，初始氧氣濃度為21.6%，采樣點(diǎn)深入采空區(qū)57 m時(shí)，氧氣濃度降至18%，隨著工作面推進(jìn)，氧氣濃度持續(xù)降低，當(dāng)采樣點(diǎn)深入采空區(qū)156 m時(shí)，氧氣濃度降至8%，采樣點(diǎn)繼續(xù)深入采空區(qū)，氧氣濃度持續(xù)降低。回風(fēng)巷一側(cè)氧氣濃度下降更快，深入采空區(qū)43 m以上時(shí)，氧氣濃度下降到18%以下，深入采空區(qū)142 m以上時(shí)，氧氣濃度降至8%以下。

4 采空區(qū)“三帶”劃分及工作面極限推進(jìn)速度分析

4.1 “三帶”劃分

根據(jù)前面得到的采空區(qū)氧氣濃度變化規(guī)律，可得5-407工作面采空區(qū)自燃“三帶”的具體情況,見表1。

表1 5-407工作面采空區(qū)“三帶”

5-407工作面采空區(qū)氧化自燃帶范圍為：膠帶巷57～156 m，回風(fēng)巷43～142 m，該區(qū)域內(nèi)氧氣濃度在8%～18%之間，氧氣濃度適宜，且散熱量小，具有良好的蓄熱環(huán)境，是采空區(qū)防滅火的重點(diǎn)區(qū)域。

4.2 工作面的極限推進(jìn)速度

采空區(qū)氧化自燃帶遺煤出現(xiàn)自然發(fā)火現(xiàn)象需要一定的時(shí)間，保證遺煤位于氧化帶的時(shí)間小于其自然發(fā)火期，將大大減小采空區(qū)火災(zāi)的隱患，因此可通過加快工作面推進(jìn)速度來減小遺煤位于氧化帶的時(shí)間，工作面最小推進(jìn)速度計(jì)算公式[5]：

(1)

式中：Vmin為工作面極限推進(jìn)速度，m/d；Lmax為采空區(qū)自燃氧化帶寬度，m；Tmin為煤層最短發(fā)火期，d。

晉北煤業(yè)5-407工作面采空區(qū)氧化帶寬度取156 m-43 m=113 m，5號上煤最短自然發(fā)火期為42 d，則計(jì)算可得工作面最小推進(jìn)速度為2.7 m/d。

5 結(jié) 語

1) 晉北煤業(yè)5號上煤屬于Ⅱ類自燃煤層，為掌握采空區(qū)遺煤自燃特性，進(jìn)行了工作面煤自燃指標(biāo)性氣體研究，結(jié)果表明，CO和C2H4適合作為采空區(qū)自燃標(biāo)志性氣體。

2) 采用束管監(jiān)測系統(tǒng)及氣相色譜儀分析測試系統(tǒng)監(jiān)測5-407工作面采空區(qū)氧氣濃度，并據(jù)此劃分采空區(qū)自燃“三帶”，結(jié)果表明：采空區(qū)氧化自燃帶范圍為：膠帶巷57～156 m，回風(fēng)巷43～142 m。通過理論計(jì)算確定工作面推進(jìn)的最小速度為2.7 m/d。研究結(jié)果為5號上煤層工作面防滅火技術(shù)設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。