易自燃厚煤層工作面自然發火CO預測及防治

郭 軍，程小蛟，武 劍，樊世星，王偉峰

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054； 2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 7100543； 3. 兗煤菏澤能化有限公司 趙樓煤礦安監處，山東 菏澤，274000)

0 引言

我國礦井采空區遺煤自燃占井工開采煤自燃總數的60%，極大地威脅著煤礦的安全開采和礦工生命安全[1～3]。采空區遺煤氧化是一個熱量積聚的過程，而浮煤堆積厚度作為放熱和蓄熱的物質條件在此過程中起著至關重要的作用[4]。在易自燃厚煤層放頂開采過程中，受地質條件、放煤工藝、工人素質等因素影響，采空區通常會遺留連續的松散煤堆，為熱量積聚提供物質條件，形成遺煤氧化升溫的“正反饋”[5]，而工作面漏風又為遺煤提供充足的氧環境，促進了遺煤氧化及熱量積聚[6]。

由于采空區位置特殊，發火位置較為隱蔽，采空區發火狀況的準確判定一直以來都是世界性難題，通常采用氣體分析、溫度監測、數值模擬的方法來預測發火情況[7-8]。例如，周西華等[9]采用數值模擬的方法，研究了工作面不同進風量時采空區氧化升溫帶的變化規律，得到了工作面供風量與氧化升溫帶寬度的擬合曲線；李品[10]采用COMSOL數值模擬的方法，研究了工作面不同推進距離下以流速和氧體積分數為劃分指標的采空區氧化帶范圍和高溫區域的變化規律，分析了高溫區域與氧化帶的疊加效應；陸偉等[11]針對采空區氣體負壓束管監測系統存在的問題，提出了以正壓作為檢測氣體的輸送方式，研制一種正壓束管監測系統，用于采空區煤自燃預測預報工作；劉承宇[12]對采空區氣體進行實地采樣分析,得出其分布規律，并用FEMLAB軟件分析了采空區漏風滲流速度場、流線、風速場和風壓場情況，得出采空區自然發火危險區域。

受采空區風流影響，工作面監測到的溫度難以準確反映遺煤氧化程度，故現場常以氣體分析為主，溫度監測為輔[13]。對于氣體分析法，在煤氧復合反應的低溫階段，常通過分析不同溫度下CO，O2，CH4，C2H2等氣體濃度變化來作為預測指標；此外，也有學者通過CO/△O2，CO2/CO，O2/N2等氣體比率作為評價采空區自然發火指標[14-15]。盡管研究的傾向性不同，但公認的CO作為最敏感、容易探測的氣體，對預測采空區發火狀況具有重要作用。

本文以某生產工作面為背景，通過建立回風隅角CO數學模型，預測回風隅角CO極限濃度，結合Fluent模擬及采空區束管監測研究自燃“三帶”分布特征，采取相應的防治技術，以期準確預測采空區煤自燃程度，并消除遺煤自燃隱患。對采空區煤自燃預測預報及預防工作具有重要的指導和借鑒意義。

1 回風隅角CO濃度模型

正常開采條件下，回風隅角CO主要來源于破碎煤體的氧化。根據煤體氧化時間不同，回風隅角CO來源主要由3部分組成[16-18]，分別為：①采空區深部遺煤氧化；②推采過程中進入采空區的遺煤氧化；③支架上方煤體氧化。表達式描述如下：

(1)

式中：C1為自燃帶產生的CO濃度，m3/min；C2為散熱帶產生的CO濃度，m3/min；C3為煤層破碎過程中產生的CO濃度，m3/min；Qg為采空區漏風風量，m3/min。

C1，C2，C3表達式如下：

C1=αSW1(1-η)VCO(T)

(2)

C2=βSW2(1-η)VCO(T)

(3)

C3=vSδ(t)

(4)

聯立式(1)～(4)，回風隅角處CO濃度表達式為：

(5)

通常情況下，煤體破碎過程中產生的CO量遠遠小于氧化復合反應產生的CO量。因此，回風隅角CO濃度表達式可簡化為：

(6)

式中：α為自燃帶的校正系數，(一般情況下，綜放面取0.2～0.4，本文α取0.3)；β為散熱帶的校正系數(一般取0.8～1，本文β取0.9)；S為回采面截面面積；W1，W2分別為自燃帶與散熱帶范圍的寬度，m；η為開采率，%；VCO(T)為溫度為T時，CO釋放速率，mol/(m3·s)；v為推進速率，m/d；δ(t)為每生產1 m3的煤CO產出量，mol/m3；μ為漏風系數，min/m3；Q為工作面供風量，m3/ min。

2 CO產生率與特征溫度對應關系

為獲得工作面煤樣自燃過程中CO氣體產生規律，從工作面取平均粒徑大于500 mm的新鮮煤樣，用塑料薄膜包封密實直接送至實驗室，破除表面氧化層，取煤芯處煤樣，經顎式破碎機破碎處理，篩分出粒度為0～0.9 mm，3～5 mm，7～10 mm的3種煤樣，并對將上述煤粉按質量比1∶1∶1混合成混樣。共準備上述4種實驗煤樣，每個樣品均1 kg。

實驗裝置由5部分組成：供氣裝置、升溫裝置、煤樣試管、尾氣回收裝置及氣相色譜儀[19]。為保證供氣均勻，分別在煤樣罐上下各留20 mm的自由空間，將煤樣罐置于升溫箱中，通入流量為120 mL/min的預熱空氣，進行程序升溫實驗。升溫過程中，煤溫每升高10℃，采集氣體，用氣相色譜儀進行成分分析[20]。當煤溫達到預定溫度時，停止實驗。

經過試驗數據處理，得到的煤樣CO產生率與溫度關系曲線如圖1所示。

圖1 煤樣CO產生率與溫度關系曲線Fig.1 Relationship between CO production rate and temperature of coal samples

從圖1可知，各粒徑煤樣CO產生率均隨溫度的升高而增加。當煤溫升至60～75℃時，CO產生率有顯著的增長趨勢，存在一個CO濃度突變的溫度點，即CO的突變臨界溫度處于60～75℃之間；當溫度達到100～120℃時，CO產生率隨溫度變化成倍增長，且氣體產物中有乙烯出現，故CO的二次突變溫度、干裂溫度均處于100～120℃范圍內。

采用回歸多項式擬合的方法，對各溫度下CO濃度平均值進行擬合處理，擬合方程如下：

Y=Intercept+A1X+A2X2+A3X3+A4X4+A5X5

(7)

擬合方程的參數見表1。

表1 多項式擬合方程參數Tab.1 Parameters of polynomial fitting equation

通過擬合可得到各特征溫度范圍的CO產生率的變化規律，具體數據見表2。

表2 不同溫度范圍CO產生率Table 2 CO production rate in different temperature ranges

3 數值模擬

3.1 工作面概況

試驗工作面的現場情況如下：工作面地質構造復雜，存在一逆向斷層，傾角35°，高度落差達24 m。煤層厚度不一，厚度最大為13 m。正常條件下，瓦斯絕對涌出量小于1.5 m3/min；遇地質條件復雜時，存在局部瓦斯異常的狀況。具體參數如表3所示。

表3 工作面參數Table 3 Parameters of working face

3.2 幾何模型

利用Gambit進行網格劃分，以工作面中心為原點，工作面走向為x軸，傾向為y軸，建立一源一匯的二維模型，如圖2所示。根據相似理論[21]，此模型基本條件設置與工作面情況基本一致。

圖2 工作面二維模型Fig.2 Two dimensional model of working face

3.3 模擬結果及分析

圖3為不同配風量時風速等值線。其中，圖3(a)，3(b)為不同配風量時自燃“三帶”對比研究，分析不同配風量對自燃危險區域分布的影響。根據采空區危險區域判定條件[22]，圖3(a)中自燃帶距回采面距離L為：30 m120 m。與圖3(a)相比，圖3(b)中回采面分配風量Q=800 m3/min時，氧化升溫帶的范圍有了明顯的變化，自燃帶與回采面的距離L為：32 m

圖3 風速等值線Fig.3 Contour map of wind speed

工作面漏風主要集中于進風側，漏風量越大，氧化升溫帶范圍也越大。如圖3(a)，3(c)所示，未設置堵漏風墻時，在氧化升溫帶與窒息帶交界處，距回采面的距離L進比L回大8 m；在進風側增加堵漏風墻后，漏風量減小，氧化升溫帶范圍明顯減小，所以，可在回采面上下端設置封堵墻，改變采空區漏風情況。

4 現場數據監測

4.1 采空區局部束管監測

為了掌握采空區O2,CO等氣體濃度變化，在回風順槽沿采空區走向布置束管，每隔5 m預埋1個三通管，分布如圖2所示。通過空氣泵取樣進行色譜分析，12月份O2數據分析如圖4所示。

圖4 采空區O2濃度分布Fig.4 Distribution of O2 concentration in goaf

由圖4可知，沿采空區走向，采空區漏風量隨L的增大而減小，O2濃度也逐漸減小。當距工作面的距離L=120 m時，O2濃度減小為10.05%；L=125 m時，O2濃度減小至9.98%，因此，采空區氧化自燃帶的深度在120～125 m之間，結果與數值模擬基本一致，所以，此試驗工作面采空區三帶范圍為：散熱帶為0～30 m，凈寬W1為30 m；氧化帶為30～120 m，凈寬W2為90 m；窒息帶深度大于120 m。

將W1，W2及表2，表3中數據代入公式(6)，獲得回風隅角CO極限濃度的預測值，如表4所示。

表4 工作面回風隅角CO濃度預測值Table 4 Prediction of CO concentration in working face

4.2 工作面氣體與溫度監測

為了保證工作面人員安全，應加強CH4，CO及溫度數據監測，分別于回風巷、回風隅角、工作面布置測點。測點布置如圖2所示。測點A,H點主要監測回風流和回風隅角瓦斯濃度變化情況；A點主要監測回風隅角CO濃度和溫度的變化情況；測點B～G主要監測工作面CO濃度及溫度變化。回風隅角、回風流數據如圖5。

從圖5(a)可以得出，在2010年12月中旬以前，回風隅角CH4濃度出現局部積聚現象，正常情況下在10%以下，遇到異常情況可達56%；回風流CH4濃度主要在0.2%～ 0.5%之間；遇地質條件復雜時，濃度曲線波峰達到0.8%。12月中旬以后，CH4濃度呈遞增趨勢，風量分配已無法滿足現場需求。

從圖5(b)可知，在監測周期內，回風隅角CO濃度均大于預測值3×10-6%，采空區氧化帶溫度已經達到30℃以上。自2010年12月初開始，回風隅角實測CO濃度持續維持在68×10-6%～300×10-6%，未達到488×10-6%，且回風隅角溫度在局部時間段內高達36℃以上，此時，可初步判斷采空區遺煤溫度維持在60～75℃之間，處于氧化升溫的加速階段，有明顯的發火征兆。經束管取樣分析，氣樣中并未檢測到烯烴類氣體，即乙烯等煤分子支鏈沒有開始裂解，未到達該煤層干裂溫度100～120℃，與CO模型測算結果一致。

圖5 工作面CO，CH4濃度及溫度變化Fig.5 Change of concentration and temperature for CO and CH4 in the working face

5 煤自燃防治及效果分析

針對采空區遺煤自燃情況，依據束管監測及自燃“三帶”模擬結果，對重點區域采取防控措施，確保工作面的正常生產。

1)合理配風及構筑堵漏風墻

工作面煤層地質構造復雜，存在逆向斷層，煤層厚度大且不均勻，放頂過程中常出現局部瓦斯異常現象。根據回采面瓦斯異常監測數據分析，回采面的最低配風量Q>420 m3/min。受放頂工藝影響，采空區會出現局部漏風，形成漏風通道網，會將采空區瓦斯帶出，集中于回風隅角，便于集中處理。但漏風量過大，使氧化升溫帶范圍變大。工作面供風量既要滿足回采面的基本要求，也要解決局部瓦斯異常情況。因此，為避免采空區大量漏風，在工作面上下端口靠近采空區側構筑堵漏風墻。嚴格監測回風流及采空區CO，CH4等氣體濃度變化，根據工作面不同時期風量需求，及時調整風量分配。

2)注惰性氣體

根據工作面推進速度慢、煤層易自燃的特點，加強對采空區遺煤區的處理。由于工作面溫度高達36℃，已不適合人工作業，故在進回風側分別打兩道密閉墻，通過鉆孔向采空區壓注CO2，惰化采空區氧化的松散煤體。

3)灌注膠體

針對密閉前工作面支架后方CO數據，如圖5(c)，測點B～G之間CO濃度呈遞增趨勢。因此，啟封后，在測點B～G之間交錯布置深孔與淺孔，進行連續性注膠處理，以支架后方見液為宜。每天取樣監測，灌注一段時間后，經檢測，回風隅角CO濃度持續小于3 ×10-6%，采空區遺煤溫度降低至30℃以下。

6 結論

1)實踐證明，CO作為自然發火初期的預測指標是一種行之有效的方法，對預判采空區發火情況具有重要作用。回風隅角CO數學模型的構建，從理論上為本煤層建立了回風隅角CO濃度評判指標，為采空區發火狀況預測提供理論依據。

2)通過不同配風量模擬結果分析，采空區自燃“三帶”寬度隨供風量的增大而變化，供風量越大，采空區漏風量越大，氧化升溫帶的寬度也隨之增大，并向采空區深部移動。

3)經理論分析及現場實踐，合理分配風量及構筑堵漏風墻是礦井生產過程中預防遺煤自燃最為經濟、簡潔、有效的防治技術。工作面配風合理與否，對預防采空區遺煤自燃具有重大意義。工作面配風合理，不僅降低了回風隅角瓦斯濃度，而且大大減少采空區的漏風量，降低了遺煤的發火幾率。

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