束管監測在易燃特厚煤層綜放工作面采空區自然發火預警的應用

侯利飛，韓鼎業，高智強

(晉能控股煤業集團塔山煤礦公司 山西大同037000)

1 概述

煤炭火災的氣體產物是煤炭燃燒過程中所釋放出來的氣體，可以分為煤氧化氣體和煤吸附氣體兩部分。煤氧化氣體主要包括一氧化碳、二氧化碳和乙烯、乙烷等碳氫化合物，煤吸附氣體主要是甲烷、二氧化碳及存量很小的乙烷、氫氣等。通過理論和實踐相結合的方式，選取其中的幾種作為礦井火災預警指標氣體，也就是我們所說的標志性氣體，總結其在氧化和燃燒過程中含量的變化規律，對于礦井采空區的防滅火工作具有相當重要的意義。

通過束管監測，指標氣體預測預報更具適用性、及時性、可靠性、準確性；特別是指標氣體的選擇和臨界值的確定，必須根據礦井的實際情況，通過對各煤種煤樣做大量氣體分析試驗，以及井下氣體數據采集分析情況，來選擇適合本礦的指標氣體，確定各種臨界值及采空區“三帶”[1]，提高火災預警的準確度。

2 束管監測系統和火災標志性氣體的選取

在煤礦火災的標志性氣體中，甲烷、乙烷、丙烷等烷烴類氣體的濃度隨燃燒過程的變化都是不規律的；乙烯、丙烯、乙炔等不飽和烴類氣體在燃燒過程中，會單調增加，會沿著一定規律先后出現，但是不飽和烴類在燃燒時出現得較晚，不具備靈敏性的特點。煤自燃時CO最先產生，而且是單調增加的，這是其他標志性氣體所不具備的寶貴特征，與烴類氣體相比，具有不可替代的地位。綜合考慮各種標志性氣體的特性，CO仍是礦井火災最重要、最有效的標志性氣體[2]。

依據上述情況，本文從塔山煤礦實際出發，選取CO、CH4、CO2、O2、C2H4、H2作為標志性氣體，重點研究這幾種氣體在現有通風、地質、采煤工藝等條件下的變化規律，為進一步的防滅火工作總結經驗。

束管監測系統在塔山煤礦安裝運行以來工作正常，能準確監測采空區煤炭的自燃發火狀態和趨勢[3]。該束管監測系統由澳大利亞新動力公司研制并生產，氣體分析系統包括：一臺富士電子非分散紅外線分析儀以分析CO、CH4、CO2、O2，一臺PEAK試驗色譜儀用來分析H2氣體。二期工程中增加了對包括：N2、He、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10等七種氣體的分析檢測。總計可以監測檢驗12種氣體。安裝運行至今，已連續成功監測了8102、8103、8104、8105、8202、8206、8208七個采空區的氣體監測，現在還繼續監測8106、8210、8101三個現采面的氣體。

3 束管監測實測數據分析與研究

以塔山煤礦8208工作面的幾個測點為例，我們對二盤區8208工作面采空區氣樣進行了采集和分析，并進行了總結。

8208工作面位于二盤區的西北部，為二盤區第一個臨空開采工作面，工作面平均走向長度2 310 m，可采走向長度2 069 m，傾斜長度230.5 m，工作面煤層厚度為8.74 m～16.57 m，平均煤厚12.52 m。由于工作面進風巷鋪設了兩路50 m間距踏步式注氮管路進行不間斷注氮，所以這里，我們共計選取了工作面回風側3個不同距離的束管埋設點進行氣體采樣分析：

（1）5208巷-0 m測點（工作面準備開采時切眼處的位置定為0 m，以后鋪設測點的距離以此類推）。

該測點采集的采空區CO、CH4、CO2、O2在工作面推進過程中的氣體含量變化曲線見圖1。

圖1 5208巷-0 m測點氣體含量變化曲線圖

從曲線可以看出：

①通過O2濃度來劃分的采空區氧化“三帶”為：散熱帶0 m～19 m（O221%～18%）；氧化帶19 m～97 m（O218%～8%）；窒息帶97 m以后（O28%以下）。

②CO含量隨工作面推進先單調增加后單調遞減，與理論分析一致，并且在氧氣濃度為15%時CO的濃度達到最大為185 ppm。

③CH4濃度由曲線看出，截止采樣點堵塞時CH4濃度單調增加，最大值為10.3%左右，看趨勢估計在窒息帶內的CH4濃度還將有所增大。

（2）5208巷-800 m測點（工作面準備開采時切眼處的位置定為0 m，以后鋪設測點的距離以此類推）

該測點采集的采空區CO、CH4、CO2、O2在工作面推進過程中的氣體含量變化曲線見圖2。

圖2 5208巷-800 m測點氣體含量變化曲線圖

從曲線可以看出：

①通過O2濃度來劃分的采空區氧化“三帶”為：散熱帶0 m～10 m（O221%～18%）；氧化帶10 m～90 m（O218%～8%）；窒息帶90 m以后（O28%以下）。

②CO含量隨工作面推進進入氧化帶后急劇上升，最大值為212 ppm，附近O2濃度為11.3%左右，然后濃度隨工作的推進緩慢下降。

③CH4濃度與5208-0 m處測點比較有所降低，最大值為6%左右。

④二氧化碳濃度比5208-0 m處測點有所升高，應該屬氧化帶煤炭氧化所致。

（3）5208巷-1 120 m測點（工作面準備開采時切眼處的位置定為0 m，以后鋪設測點的距離以此類推）

該測點采集的采空區CO、CH4、CO2、O2在工作面推進過程中的氣體含量變化曲線見圖3。

圖3 5208巷-1 120 m測點氣體含量變化曲線圖

從曲線可以看出：

①通過O2濃度來劃分的采空區氧化“三帶”為：散熱帶0 m～115 m（O221%～18%）；氧化帶115 m～145 m（O218%～8%）；窒息帶145 m以后（O28%以下）。

②CO含量與前兩個點有所不同，在進入窒息帶后才有所顯現，最大濃度也有大幅降低為48 ppm左右，附近O2濃度為3%左右。

③CH4濃度為此點最大特征之一，其濃度在散熱帶及氧化帶時上升比較平緩，在進入窒息帶后急劇上升，截止管路堵塞最大值升至54%左右，瓦斯成為此點影響氧化“三帶”的重要因素。

總結上述數據曲線可以看出，一般情況下，散熱帶分布在距工作面大約15 m以內的范圍，氧化帶分布在大約15 m～100 m的范圍之間，窒息帶為100 m之后的范圍。在現有的通風、注氮、工作面推進速度條件下，這樣一個氧化“三帶”范圍還是比較安全的。當然也有特例，例如從上述第三個測點的數據看出在工作面推進至115 m的距離時，采空區內O2濃度才降至18%以下，充分說明這段區間內采空區漏風嚴重，但是從一氧化碳的濃度較低的情況看，采空區浮煤氧化程度較低，沒有造成熱量積聚。同時，在采空區115 m至145 m的范圍內由于破碎煤層涌出的大量瓦斯出現使得氧化帶縮短到只有30 m，使得O2濃度急劇降低，阻斷了浮煤的加速氧化。

4 結語

通過束管監測技術的使用，我們可以直觀的看出采空區各指標氣體含量的變化情況，并且可以定制每天、每周、每旬、每月甚至更長時間的氣體變化趨勢，氣體預測預報更具適用性、及時性、可靠性、準確性，清楚了解把握采空區三帶的分布及其自然發火性，火災發生和發展的規律，提高火災預警的準確度，為防滅火工作提供重要依據。