木瓜煤礦9號煤層采空區遺煤自燃監控技術應用研究

陳汝豪

(山西焦煤霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司 木瓜煤礦，山西 方山 033100)

1 工程概況

呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦開采的9號煤層為復雜結構煤層，煤層傾角4～8°，煤層厚度1.5～3.4 m，平均2.65 m，煤層中部含夾矸2～3層，煤巖類型為半亮型焦煤，9號煤層標高927～988 m，地面標高1 225～1 335 m，蓋山厚度227～424 m。木瓜煤礦屬于合并重組礦井，整合后的礦井設計資源儲量為6685萬t，礦井設計可采儲量為4 171萬t，生產能力為120萬t/a，預計生產年限為24.83 a。木瓜煤礦采用斜井開拓方式，結合礦井現有井下開拓系統，設計采用一個水平開拓全井田，水平標高為+940 m。采用綜合機械化采煤工藝，工作面長110 m，回采工作面采煤機截深選擇0.6 m。根據木瓜煤礦自燃火災風險評價報告，9號、10號煤層自燃傾向性等級為II類，均屬自燃煤層，存在礦井自然發火危險性。為防止9號煤層開采過程中采空區遺煤自燃，本文采用程序升溫氧化實驗，確定9號煤層采空區自然發火的標志性氣體，建立采空區遺煤自燃監測預報體系，為礦井安全生產保駕護航。

2 煤層自燃標志性氣體實驗測試及優選

當煤層具有自燃傾向時，回采工作面后方采空區遺留的煤炭，由于與空氣接觸，很容易發生煤層自燃現象。煤的自燃是一個漸進過程[1]，當易燃煤體與空氣(氧氣)接觸以后，煤體表面將發生一系列的化學反應(氧化反應)，伴隨著大量的熱量和氣體產生，產生的熱量，會伴隨著空氣的流通向周圍散失，當熱量產生的速度大于其散失的速度時，熱量就會逐漸積聚，最終導致自然堆積的煤體燃燒起來。在溫度逐漸變化的過程中，不同溫度狀態下，化學反應產生的氣體成分差異較大，因此可根據空氣中特定氣體的出現來進行煤炭自然發火的預測預報，這些氣體通常稱為標志氣體。標志性氣體分析法在全國多個礦區得到了廣泛應用，相關的理論和工藝已相當完善，因此設計采用該方法進行木瓜煤礦9號煤層回采過程中的自燃預報。但由于不同礦井和煤質等條件下的煤體自燃的標志性氣體差異非常大，為更加準確地對木瓜煤礦9號煤層采空區進行監測，現采用程序升溫氧化實驗，對不同溫度條件下各種氣體的產生情況進行分析，最終確定其標志氣體。

2.1 實驗方法和裝置

采用“煤自燃特性綜合測試系統”對木瓜煤礦9號煤層煤樣進行相關實驗，研究確定其標志氣體，實驗系統的組成如圖1所示。主要儀器為煤樣加熱裝置、溫度控制裝置和氣體成分采集和分析裝置[2]。實驗過程：從井下取回適量的9號煤煤樣，篩選出60～80目的顆粒50 g，將煤樣放置在銅質煤樣罐內，然后連接好氣路，并檢查氣路的密封性，開始測試時向煤樣罐里通入適量的干燥空氣，通過程序逐漸提高煤樣罐內的溫度，升溫梯次為1 ℃/min，溫度由0 ℃逐漸升至280 ℃，溫度每升高10 ℃進行一次氣體取樣，進行氣體成分和濃度分析。

2.2 實驗數據分析

2.2.1 CO、CO2氣體產生規律

圖2為9號煤煤樣CO濃度隨煤溫的變化趨勢，由圖2可以看出，煤樣在70 ℃到280 ℃的氧化過程中有規律地出現CO氣體，溫度大約在70 ℃時CO的濃度開始發生變化，在70～150 ℃時，CO的濃度呈緩慢平穩增長的趨勢，說明此時煤體表面氧化速度逐漸增加；當溫度超過150 ℃時，CO的產生量快速增長，煤樣進入激烈氧化反應的階段，此時即可認為煤體已經進入了自燃的階段。因此可以將CO的濃度變化作為煤層自燃發火的判斷依據，當產生CO而濃度較低時，說明煤層已經開始氧化反應，當CO濃度迅速增大時，即表示煤層將自燃。

圖1 煤自燃特性綜合測試系統原理結構

圖2 9號煤煤樣CO變化趨勢

圖3為9號煤煤樣CO2濃度隨煤溫的變化趨勢，由圖3可以看出，當溫度為30 ℃時，開始產生CO2，當溫度為100 ℃時，CO2濃度開始變化，隨著溫度升高，其濃度逐漸增大。煤炭資源開采過程中，空氣中CO2來源較廣泛，如煤層裂隙內原本吸附的CO2、以及現場施工人員產生的，并且其性質較活潑，易溶于水，因此，CO2不宜作為本煤層的自然發火標志氣體。

圖3 9號煤煤樣CO2變化趨勢

2.2.2 烷烴氣體產生規律

圖4為9號煤煤樣烷烴氣體濃度隨煤溫的變化趨勢，由圖可以看出，C2H6氣體開始出現的溫度為150 ℃，C3H8氣體開始出現的溫度為160 ℃，C2H2、C2H4氣體開始出現的溫度為180 ℃；不同氣體開始產生的濃度不同，C2H6、C3H8開始出現后，濃度隨著溫度變化呈規律性增長，而C2H2、C2H4開始產生后，其濃度劇烈的增長，因此可將C2H2、C2H4作為木瓜煤礦9號煤層的自然發火標志氣體，C2H6、C3H8作為本煤層自然發火標志氣體的輔助指標。

2.3 9號煤指標氣體選擇

1) 9號煤層回采期間，對采空區各種氣體的濃度進行監測，溫度在30～150 ℃時將CO作為標志性氣體，當檢測的CO濃度上升速度迅速增大，即表明采空區煤體溫度已經上升到70 ℃以上，當監測到C2H4時，即說明溫度已經上升到180 ℃以上，表明煤層的自然發火進入了加速氧化階段，當檢測到C2H2時，說明煤已發生了劇烈的化學反應。

2) C2H6、C3H8產生規律能夠反映煤自燃特性，可以作為本煤層自然發火標志氣體的輔助指標。

3 煤自燃監測系統應用

3.1 系統組成

木瓜煤礦9號煤層自燃監測系統主要分為井上和井下兩個部分，井上設施負責對井下采集樣本的分析和處理，井下設施進行井下空氣的采集[3-4]，主要采集工作面后方采空區和采煤工作面的氣體濃度，具體布置情況如圖5所示，將空氣成分采集裝置(束管)布置在工作面回風巷，在采空區內共布置三個采樣點，采樣點間距約為50 m，即采空區的監測深度為150 m；在采煤工作面與回風巷拐點處布置一個采樣點，對工作面的氣體成分進行監測；停采線對應的回風巷內布置一個采樣點，監測整個工作面的氣體組成。

當回采工作面回采完畢后，在停采線對應的進風巷和回風巷內設置一個采樣點，監測采空區內氣體含量的變化，進行長期的監測預報工作。測點布置如圖6所示。

圖4 9號煤煤樣烷烴氣體產生規律

圖5 工作面采空區“三帶”觀測測點布置

圖6 工作面封閉后測點布置

3.2 監測系統管理措施

1) 加強檢查和監測力度，通過與地面主機聯網進行監測監控，工作面回采初期和回采至距離停采線較近時，加強管理，發現問題及時處理，將火災消滅在萌芽狀態。

2) 加強日常對采空區CO、烷烴氣體和溫度的監測，每月至少對采空區氣體進行一次抽樣化驗，發現自燃及時采取針對性的滅火措施，回采工作面初期和末采階段采用灌漿法進行采空區封閉措施，工作面架間噴灑阻燃劑進行防火。

3) 如井下有火區，則在火區的回風巷內和火區防火墻設火區觀測站，由監測系統傳感器采樣監測。一旦發現回風流內CO氣體和溫度升高，則應引起重視，若連續檢測到CO，且濃度及溫度升高，則視為發火預兆，必須采取滅火措施，啟動滅火預案。

4 結 語

通過程序升溫氧化實驗，確定了木瓜煤礦9號煤層采空區發火標志氣體為CO、C2H4、C2H2，并將C2H6、C3H8作為本煤層自然發火標志氣體的輔助指標，建立了采空區遺煤自燃監測預報體系，根據監測結果采用灌漿、噴灑阻燃劑等治理措施，對木瓜煤礦9號煤層工作面自然發火進行防治，取得了良好的應用效果。