羊場灣大采高易自燃工作面CO分布規律研究*

秦汝祥，陳國棟，駱大勇,侯樹宏，田文雄

(1.煤炭安全精準開采國家地方聯合工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學 安全學院，安徽 淮南 232001；3.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；4.寧夏煤業公司 羊場灣煤礦，寧夏 靈武 751410)

0 引言

煤氧化產生CO已成為共識[1-6]，國內外學者從氧化過程中煤的表面活性結構、煤的脫附作用、不同溫度階段CO產生速率及氧化熱效應等方面對煤氧化產生CO的機理進行研究，其中煤氧復合理論被學者們所認同。研究表明煤與氧發生復合反應，放出并積累熱量，最終引起煤的自燃。該過程主要包括煤對氧的物理吸附、化學吸附和化學反應3個階段，它是1個緩慢地自動氧化、放熱、升溫，最后引起燃燒的過程，該過程中的主要氣體產物是CO和CO2[7-11]。文虎等[12]、葛玲梅等[13]通過煤的表面分子結構模型探討和利用峰值擬合手段與紅外差減光譜，分析得出煤中的4種橋鍵(—CH2OH—,—O—CH2—,—CHR—CH2—,—CH3—)和3種側鏈(—CH2—OH,CH3—O—,—CHO)能在常溫下與氧復合產生CO，CO2。李增華[14]認為煤破碎產生的裂隙會造成煤分子的斷裂，從而產生存在于煤顆粒表面或煤內部新生成的裂隙表面的自由基并與氧氣發生反應生成 CO。

我國寧夏、內蒙和甘肅等地區開采易自燃煤層時，普遍存在工作面上隅角CO體積分數超限問題，有關學者對煤炭開采過程中CO來源進行了研究[15-16]。有學者通過試驗和構建數學模型分析得出CO主要由采空區浮煤氧化、采煤過程煤體破碎、煤壁氧化產生，且工作面風量與開采參數會影響CO的產生量，為采空區遺煤氧化創造條件[17-22]。王連聰等[23]、樊九林[24]開展現場試驗和實驗室研究，得出煤層中含有原生CO。

采空區的自燃狀況可以通過分析CO的體積分數分布進行評判[25-27]。王家學等[28]采用模擬分析方法，得出王臺礦XV2304工作面采空區CO體積分數先隨采空區深度的增加而上升，到達峰值后又下降。吳玉國等[29]分析塔山礦8202工作面連續注氮前后采空區CO變化規律得出采用綜采放頂煤技術開采特厚、大采高、易自燃煤層時，綜采工作面回風流中常出現一定體積分數的CO。

當前對工作面CO體積分數超限問題的研究，學者們關注點是煤低溫氧化程度與CO產生量之間的關系，采取的研究方法包括實驗室實驗、現場考察和數值計算，關注點也主要是工作面上隅角。已有文獻中鮮見對不同時段和不同工序下工作面CO體積分數分布特征的研究。本文在試驗工作面沿走向和傾向布置測點，對不同工序和不同時段下CO體積分數進行測試；同時對試驗工作面的采空區不同位置的氣體進行取樣分析，繪制采空區CO體積分數等值線分布圖。基于對不同位置的CO進行全天檢測，能夠更準確地探究CO的主要來源與體積分數分布。研究結果對分析工作面CO來源及準確判定大采高易自燃煤層開采過程中煤自燃狀況具有重要意義。

1 試驗工作面概況

研究地點為神華寧夏煤業羊場灣礦一分區，試驗對象為16采區160205工作面。開采煤層2號煤層為Ⅰ類易自燃煤層，最短自發火期為23 d，煤層揮發份Vdaf=27.57%，可爆，爆炸性火焰長度大于400 mm。工作面南為切眼，鄰近DF14斷層；北以16采區北翼輔運巷為界；其東間隔26.5 m區段煤柱，為相鄰淺部已采160203采空區，其西抵近DF29斷層，為該煤層深部原始未采動區域。工作面上部為平均厚度1.61 m的1號煤層。

160205工作面走向長為1 100 m，傾斜長180 m，煤層厚度7.91～8.26 m，平均厚度8.1 m；傾角14°～34°，平均傾角24°。工作面直接底為厚度12 m的粉砂質泥巖，偽頂為0.4 m灰質泥巖，直接頂為4.9 m粉砂質泥巖，基本頂為22.54 m中粒砂巖和3.3 m粉砂巖。該工作面為綜放工作面。

2 試驗工作面CO分布測試與分析

2.1 試驗工作面CO分布測試方案

為準確反應160205工作面CO體積分數分布規律，分別測試早班、中班和夜班不同時間段，沿工作面傾向和走向方向的CO體積分數，同時測試工作面機巷和風巷的CO體積分數。沿傾向布置4個測試位置：1號距離機巷3.5 m，2號距離機巷99.75 m，3號距離風巷26.25 m和4號距離風巷5.5 m。

沿工作面走向方向，從煤壁到架后采空區之間每間隔0.5 m布置1個測點，每個測點的高度距離頂板0.4 m。各個測點位置如圖1所示。

圖1 160205試驗工作面測點位置Fig.1 Locations of measuring points in 160205 test working face

2.2 測試結果及分析

測試在每班開始前進行，實測結果可以表示前1班結束時CO體積分數，能夠體現不同工序對CO涌出量的影響。測試時間為2020年8月18日至2020年9月9日，共進行4次測試，4次測試結果反應的工作面CO體積分數分布規律相同，其中2020年9月9日測試結果見表1～3。從測試結果可以看出：

表1 工作面CO體積分數測試結果(夜班、生產)Table 1 Test results of CO volume fraction in working face (night shift,production)

1)工作面進風巷側1號測試位置在早班、中班和夜班均未檢測出CO；2，3和4號測試位置在各個時段均檢測出CO。

表2 工作面CO體積分數測試結果(早班、生產)Table 2 Test results of CO volume fraction in working face (morning shift,production)

表3 工作面CO體積分數測試結果(中班、檢修)Table 3 Test results of CO volume fraction in working face (noon shift,maintenance)

2)沿工作面推進方向，CO體積分數逐漸升高，沿工作面風流流動方向，CO體積分數逐漸升高，至上隅角位置體積分數達到最高且最高值所在位置距離工作面煤壁最遠。

3)生產班和檢修班對工作面CO涌出有一定的影響，檢修班期間工作面CO涌出量約為生產班的1/2。

沿工作面煤壁到架后采空區方向CO體積分數逐漸升高，這是由于頂煤氧化產生。往采空區方向，支架頂梁高度降低，頂煤變形空間增大，煤炭破碎程度加大，與O2接觸面加大，對空氣接觸更為充分，加劇了煤的低溫氧化過程，產生更多的CO。檢修班結束時，煤壁CO體積分數僅為生產班結束時體積分數的1/2，表明羊場灣160205工作面割煤時存在破碎煤體產生CO的可能。由于羊場灣160205綜放工作面采放比為1∶1.25且采空區方向為高體積分數CO區域，表明工作面開采引起的采動應力對頂煤的破壞以及放煤作業會引起CO涌出。

3 試驗采空區CO分布測試與分析

3.1 試驗采空區CO分布測試方案

采空區留有大量遺煤，在架后漏風作用下，遺煤氧化會釋放CO。為研究架后漏風對采空區遺煤氧化的影響，通過布置測試系統，測試采空區CO體積分數分布。

采空區CO體積分數分布測試和采空區自燃“三帶”范圍測試同步進行，通過布置束管，對采空區不同位置的氣體進行取樣分析，試驗方案采用靜態布置束管，隨著工作面的推進，測試不同深度位置的采空區CO體積分數。測試系統布置如圖2所示。

圖2 自燃“三帶”測試系統Fig.2 Test system for “three belt”of spontaneous combustion

3.2 測試結果及分析

圖3為采空區CO體積分數分布圖，坐標原點為工作面下隅角。圖4為采空區CO體積分數等值線。從測試結果可以看出：

圖3 采空區CO體積分數分布Fig.3 Distribution of CO volume fraction in goaf

圖4 采空區CO體積分數等值線Fig.4 Contour of CO volume fraction in goaf

1)高體積分數CO主要分布在工作面傾向100～180 m、走向0～15 m處和傾向120～180 m、走向30～100 m處的2個區域。

2)近采空區CO呈現出向回風側運移的趨勢。

3)進風側到回風側CO體積分數逐漸增大，上隅角處達到最大。

4)在回風巷，越靠近煤壁CO體積分數越高。

工作面開采初期未形成氧化帶前，采空區存在少量CO，采用綜采放頂煤技術開采特厚、大采高、易自燃煤層時，綜采工作面回風流中常出現一定體積分數的CO[29]，造成第1個高體積分數CO區域。大采高綜采過程中工作面上、下平巷留有少量頂煤，易自燃煤層采空區通常會遺留連續的松散煤堆且煤層厚度變化較大[26]。在綜采工作面推進的過程中，氧化帶范圍變大，采空區浮煤量增多，頂板冒落的巖石由近采空區的松散堆積狀態到中部采空區的冒落巖塊逐漸壓實，孔隙率降低，供氧適宜，在架后漏風作用下，遺煤與氧氣發生反應產生CO，且漏風作用減小，氧化產生的CO難以被稀釋，造成第2個高體積分數CO區域。羊場灣160205工作面開采的2號煤層為易自燃煤層，進入深部采空區后，漏風量更小，氧濃度低于4%，遺煤因缺氧不能發生氧化，CO未能保持氧化帶內的高體積分數而出現了降低現象。

羊場灣2號煤層風巷側采空區深度30～100 m處的CO高體積分數區域是判定采空區遺煤自燃狀況的關鍵區域，自然發火期內，在正常回采期間，只要保持推進至窒息帶的距離即可保證采空區內遺煤不發生自燃。

4 結論

1)采用綜采放頂煤技術開采大采高、易自燃煤層時，采空區通常會遺留連續的松散煤堆，綜放工作面的回風流中會出現一定體積分數的CO。

2)沿工作面推進方向，CO體積分數逐漸升高，沿工作面風流流動方向，CO體積分數逐漸升高，至上隅角位置體積分數達到最高且最高值所在位置距離工作面煤壁最遠。

3)割煤作業煤體破碎時會釋放CO，往采空區方向，支架高度降低，頂煤變形空間增大，會加劇煤的低溫氧化過程。

4)近采空區CO體積分數由進風側到回風側逐漸增大，到上隅角處達到最大。

5)針對大采高易自燃煤層的綜放開采工藝，煤自燃狀態的判定應分為采空區和頂煤2個區域深入開展研究，從試驗工作面的研究結果看，深度30～100 m處的CO高體積分數區域是判定采空區遺煤自燃狀況的關鍵區域。