寸草塔煤礦22 煤層自然發(fā)火標志氣體及自燃預警值研究

王文清，邢真強，郭佳策

（1.國家能源投資集團神東煤炭集團 寸草塔煤礦，內蒙古 鄂爾多斯017209；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

自燃火災是礦井火災的主要體現形勢，其中采空區(qū)自燃火災占礦井自燃火災總數的60%。我國存在自然發(fā)火危險性的礦井約占礦井總數的3/4，煤炭自然發(fā)火產生的有毒有害氣體嚴重威脅著礦井工作人員的生命健康，同時由于火災引發(fā)的煤塵、瓦斯爆炸等次生災害后果更為嚴重[1-2]。

CO 由于其具有易檢測性、規(guī)律性、靈敏性等特性，通常用于煤炭自燃火災的早期預警工作?！兑?guī)程》規(guī)定，工作面回風隅角CO 體積分數24×10-6是職業(yè)健康指標，不是自然發(fā)火臨界指標。由于煤層賦存條件、煤種、開采工藝方法、開采技術裝備的不同，在很大程度上影響著標志氣體CO 臨界值的確定。因此，標志氣體CO 的臨界值應該在實驗室測試，現場統計分析的基礎上綜合確定[3]。

神東礦區(qū)是我國13 個億噸礦區(qū)之一，煤層多為淺埋藏、（易）自燃煤層賦存，主要開采的煤種為低階長焰煤和不黏煤，煤種變質程度較低，煤層最短自然發(fā)火期僅為18 d，受采空區(qū)復雜漏風影響，遺煤低溫氧化條件下CO 產生量較大，通風負壓及大氣壓力雙重作用影響下，造成該區(qū)域生產工作面回風隅角CO 體積分數不同程度“超限”，給自然發(fā)火監(jiān)測預警工作帶來干擾，同時給現場制定科學有效的防滅火措施，以及回風隅角CO 管控措施帶來了困惑，嚴重影響礦井安全生產。

寸草塔煤礦作為國家能源投資集團神東煤炭集團主力礦井之一，礦井主采22 煤，屬不黏煤，吸氧量為0.72 cm3/g，為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期47 d，采空區(qū)遺煤存在低溫易氧化的特點。

1 22 煤層自然發(fā)火預報指標體系

1.1 煤樣程序升溫氧化實驗

煤樣采集是標志性氣體優(yōu)選成功與否的基礎。按照煤樣采集標準采集寸草塔煤礦22 煤層煤樣，煤樣采集地點為22301 工作面，按照煤樣制備標準制備實驗樣品。

自然發(fā)火標志氣體測試裝置主要由樣品儲存裝置、程序控溫裝置、氣體定量供給裝置、數據自動采集裝置組成，可在一定程度上實現煤層自燃絕熱氧化條件，精準采集分析煤樣自燃熱解氣體產物[4-8]。自然發(fā)火標志氣體測試裝置如圖1。

圖1 自然發(fā)火標志氣體測試裝置Fig.1 Test device for natural ignition mark gas

1.2 標志氣體分析及優(yōu)選

采集22 煤層煤樣氧化自燃熱解的氣體產物，進行氣體成分和體積分數分析。煤樣在氧化升溫過程中，CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、H2等氣體出現的溫度區(qū)間為30～220 ℃，并且氣體的產生量隨煤溫的升高呈現一定的規(guī)律。其中，CO 的出現溫度為30 ℃，且其產生量貫穿于整個氧化反應過程中，其產生量在60 ℃以前較小，但在60～70 ℃時，CO、CO2氣體產生量規(guī)律呈現指數上升，說明煤樣已經開始加速氧化，煤樣反應機理由物理吸附向化學吸附以及化學反應進程轉變，CH4的出現溫度為30 ℃，CH4產生量規(guī)律呈現先增加后減小，H2的出現溫度為120 ℃，氣體產生量呈現單一遞增趨勢，C2H6的出現溫度為60℃，C2H4的出現溫度為100 ℃，C2H6、C2H4產生量規(guī)律呈現指數上升，C2H6、C2H4、H2的出現，說明了煤樣與O2發(fā)生了較強的化學反應，C2H2的出現溫度為220 ℃，說明此時的煤樣已經與O2化學反應已經轉向激烈狀態(tài)。

通過對22 煤層煤樣氧化熱解的氣體變化規(guī)律總結分析，結合自然發(fā)火標志氣體指標優(yōu)選標準，選取寸草塔煤礦22 煤層自然發(fā)火標志氣體為CO、C2H4、H2、C2H2，其中，CO 的出現說明采空區(qū)遺煤已經處于低溫氧化狀態(tài)，應當加強氣體監(jiān)測工作，并做到定點、定時、定人；如果檢測到CO 體積分數持續(xù)穩(wěn)定上升，說明遺煤已經進入快速氧化狀態(tài)，應當加強自燃預測預報工作，并采取有效火災預防措施；如果在檢測到CO 的基礎上，氣樣中含有C2H4、H2，說明遺煤已經進入加速氧化狀態(tài)，必須立即實施行之有效的防滅火措施；如果氣樣中檢測到C2H2，表明遺煤已經進入激烈氧化狀態(tài)，采空區(qū)很可能已經出現明火，防滅火措施需謹慎得當，防止次生災害的發(fā)生。

1.3 CO 產生速率

1.3.1 實驗煤樣CO 產生速率

在煤樣程序升溫氧化實驗過程中，假設風流僅沿樣品儲存裝置的軸向流動，可認為樣品儲存裝置軸向dx 位置樣品的CO 產生速率為：

式中：S 為樣品儲存裝置的橫截面積，cm2；vCO代表CO 的產生速率，mL/（min·m3）；q 為實驗通氣量，mL/min；c 為煤氧化過程中的CO 產生量，10-6。

將式（1）進行積分可得：

式中：C1、C2分別為樣品儲存裝置進口和出口氣體中的CO 產生量，10-6；L 為樣品儲存裝置的裝煤高度，cm。

整理式（1）、式（2）可得如下關系式：

計算出22 煤層煤樣在不同溫度下CO 的產生速率，煤樣CO 產生速率與溫度關系曲線如圖2。

圖2 煤樣CO 產生速率與溫度關系曲線Fig.2 Relation curve between CO production rate and temperature of coal sample

從圖2 可知，22 煤層實驗煤樣溫度區(qū)間在30～220 ℃的前提下，區(qū)間各溫度點對應的CO 產生速率為0.55～11 800 mL/（min·m3）。

1.3.2 自燃臨界態(tài)CO 產生速率

研究表明，煤自燃按時間順序分為：低溫緩慢自熱階段、快速氧化階段，二者之間轉折點所對應的溫度稱之為臨界溫度，由CO 生成率可以發(fā)現，當煤溫超過臨界溫度值以后，反應速率加快，溫度急劇升高，CO 產生量急劇加大。因此，找出煤樣處于自燃臨界溫度時CO 的產生速率，并結合其它參數得出煤層自燃預警濃度，并采取針對的防滅火措施具有重大意義[9-11]。

寸草塔煤礦22 煤層煤樣溫度超過60～70 ℃后，煤樣CO 產生速率急劇增加，因此，推斷22 煤層煤樣的臨界溫度為60～70 ℃。

經計算，煤樣自燃臨界溫度為60 ℃，CO 臨界體積分數為8×10-6，CO 產生速率為4.6 mL/（min·m3）。

2 工作面回風隅角CO 安全及自燃預警值模型構建

研究表明，在工作面正?；夭蓷l件下，工作回風隅角CO 來源主要為采空區(qū)遺留低溫氧化所產生。因此，建立工作面正?；夭蓵r，回風隅角CO 體積分數［CO］預測數學模型如下：

式中：k1為采空區(qū)氧化升溫帶內遺煤氧化修正系數，小于1（綜采工作面為0.15～0.35）；l1為采空區(qū)氧化升溫帶的寬度，m；k2為采空區(qū)散熱帶遺煤氧化修正系數，在正常漏風條件下，一般取0.5～0.7；l2為采空區(qū)散熱帶的寬度，m；φ 為煤炭回采率，%；νCO為煤體在常溫（臨界溫度）狀態(tài)下的CO 產生速率，mL/（min·m3）；L 為工作面傾向長度，m；H 為煤層厚度，m；Q 為工作面供風量m3/min；η 為漏風系數,一般取0.06～0.1。

3 采空區(qū)自燃“三帶”現場觀測分析

3.1 工作面概況

寸草塔礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市伊金霍洛旗境內，位于毛烏素沙漠北緣，井田西部為侵蝕性丘陵地貌，井田東部由于受毛烏素沙漠影響，地表多為流動性或半固定波狀沙丘覆蓋，灣兔溝自西北向東南縱貫全井田。

22301 綜采工作面為22 煤三盤區(qū)首采工作面，工作面走向長度3 914.2 m，傾向長度300.5 m，煤層平均厚度2.6 m，回采高度2 m，日推進度9.947 5 m，遺煤厚度200～400 mm，工作面風量設計配風量978.3 m3/min，采用“U”型全負壓抽出式通風方式。

3.2 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律測試方案

在22301 工作面兩巷道靠外幫預埋3 芯束管，束管敷設長度300 m，束管外套DN50 無縫焊管加以保護，束管進氣端外套三通保護支管保護，支管抬高2 m，采用錨桿配合沖孔鐵板將支管固定于煤壁上。將束管出氣端與礦井紅外束管監(jiān)測系統相連接，實時在線分析采空區(qū)氣體濃度，同時，記錄采空區(qū)各束管采樣點與工作面的位置關系。

3.3 采空區(qū)氣體變化分析

隨工作面推進，采空區(qū)CO 和O2體積分數變化規(guī)律如圖3。以O2體積分數18%和7%為劃分指標，22 煤層采空區(qū)散熱帶及氧化升溫帶總寬度為125 m，工作面正常推采過程中，回風隅角CO 體積分數在（70～90）×10-6波動變化；采空區(qū)內CO 體積分數在（40～200）×10-6波動變化，其中高體積分數CO 于工作面后部60～70 m 范圍內采空區(qū)積存，工作面后部150 m 范圍內采空區(qū)CO 體積分數穩(wěn)定至40×10-6。

4 回風隅角CO 體積分數預測及CO 超限的控制技術

4.1 工作面推采條件下回風隅角CO 體積分數預測

結合式（4），經計算得到的22301 工作面正常推采時工作面回風隅角CO 體積分數預測值見表1。

圖3 22301 工作面采空區(qū)氣體變化曲線Fig.3 Change curves of gas in goaf of 22301 working face

表1 22301 工作面正常推采條件下回風隅角CO 體積分數預測值Table 1 Prediction value of CO concentration in corner of return air under normal pushover mining condition of 22301 working face

由表1 可以看出，基于22301 工作面回風隅角CO 安全及自燃預警體積分數預測模型，計算得出22301 工作面回風隅角CO 安全體積分數預測值為81×10-6，現場實測值為（70～90）×10-6，誤差在合理區(qū)間內。因此可以認為22301 工作面正?；夭蓷l件下，回風隅角CO 安全指標體積分數為81×10-6。推斷得出，若回風隅角CO 測值達到325×10-6，表明22 煤采空區(qū)遺煤已經達到臨界溫度，處于加速氧化狀態(tài)，且溫度會急速上升，短時間內可超過臨界溫度，將發(fā)生氧化自燃，應立即采取相關防滅火措施。

4.2 工作面回風隅角CO 超限的控制技術措施

結合22301 工作面賦存條件、通風方式、開采工藝等特點，提出的回風隅角CO 超限管控技術措施如下[12-14]：

1）降風減壓。在滿足工作面安全生產的前提下，減小工作面的配風量，降低向采空區(qū)漏入的風量，從而減少采空區(qū)遺煤的氧氣的供給條件，進一步降低采空區(qū)遺煤的氧化進程。

2）井上下封堵漏風。加強地表漏風通道查找，采用大型機械回填和人工回填相結合的方式開展地表回填工作，確?；靥罟ぷ鞑坏脺蠊ぷ髅?50 m。加強工作面兩巷道漏風通道封堵工作，采用高分子泡沫墻對工作面采空區(qū)兩線側進行封堵，高分子泡沫墻體厚度不小于1.5 m，高分子泡沫墻封堵距離一般為300 m。

3）改變工作面區(qū)域流場負壓點，改變采空區(qū)流場。減少工作面進風側通風設施，增加工作面回風側通風設施，進行回風側增阻調節(jié)，減少漏風通道兩端的壓差，進而減少采空區(qū)氣體向工作面回風隅角運移積聚。采空區(qū)回風側預埋氣體抽放管路，采用瓦斯移動式抽放泵抽放采空區(qū)氣體，進一步改變采空區(qū)負壓流場，進一步減少采空區(qū)CO 體積分數。

5 結 語

1）寸草塔煤礦22 煤層煤自燃預測預報標志氣體體系為CO、H2、C2H4、C2H2。

2）劃分了22 煤采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，其中散熱帶寬度為22～35 m，氧化帶寬帶為92～125 m。

3）22 煤工作面正常回采時回風隅角CO 安全體積分數為81×10-6，自燃預警體積分數為325×10-6。

4）提出了包括降風減壓、封堵漏風、改變采空區(qū)漏風流場等防控CO 超限措施。