雙馬煤礦4-1煤層自然發火標志氣體及臨界值研究

彥 鵬，黃光利，張仰強，胡全宏

(1.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 興城 125100；2.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司雙馬煤礦，寧夏 靈武 750408；3.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037； 4.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

我國90%以上煤炭產量來自地下開采，作業環境復雜，安全生產的制約因素眾多，其中煤礦瓦斯、水、火、煤塵、頂板等災害極為嚴重，治理難度大[1-3]。煤自燃是威脅礦井安全生產的主要災害之一，我國大中型煤礦中自然發火危險程度嚴重或較嚴重的煤礦占總數的70%以上，西北、東北、華東等地區由于煤自燃每年損失煤炭資源2億t左右，新疆、寧夏、內蒙古等地區每年因煤田火災造成的煤炭經濟損失超過200億元[4-6]。煤炭自燃直接導致大量的煤炭資源損失、危害礦山安全生產，是目前煤礦安全生產迫切需要解決的問題[7-8]。《煤礦安全規程》(2016)第二百六十一條規定：開采容易自燃和自燃煤層時，必須開展自然發火監測工作，建立自然發火監測系統，確定煤層自然發火標志氣體及臨界值，健全自然發火預測預報及管理制度。為了確定煤層自然發火標志氣體及臨界值，董紹樸等[9]運用主成分分析法，優選確定了東榮一礦煤層自然發火主要預測指標；沈俊男等[10]以氧氣體積分數為主要指標、溫度作為輔助指標對滕東煤礦3下107綜放工作面自然發火危險性進行了判定；王海軍[11]通過自然發火氣體產物模擬實驗裝置，研究確定了靈泉煤礦煤層自然發火的標志性氣體；鄔燦春等[12]采用實驗測試方法，研究確定了油浸煤自然發火標志氣體及臨界值；王永敬[13]通過程序升溫實驗、現場測試及統計分析的方法，優選確定了某礦井3#煤層自燃標志氣體及臨界值。前述研究煤層自然發火標志氣體及臨界值確定大多通過實驗獲得，而由于現場開采條件的影響和限制，僅通過實驗室測試無法較好地指導現場生產實際[13-14]。雙馬煤礦目前主采的4-1、4-2、4-3煤層為自燃、容易自燃煤層，為了有效預防礦井采煤工作面煤層自然發火，結合雙馬煤礦4-1煤層煤樣實驗分析與現場觀測數據，研究確定了4-1煤層自然發火標志性氣體及臨界值，并建立了相應的煤層自然發火分級預警指標及技術管理體系。

1 工程概況

1.1 礦井及煤層概況

雙馬煤礦先期開采區域按煤組劃分為4個采區，開采順序按照煤層自上而下依次從Ⅰ01至Ⅰ04采區。Ⅰ01采區為首采區，包括4-1、4-2、4-3煤層，首采的4-1煤層平均厚度3.80 m，4-2煤層平均厚度1.51 m，4-3煤層平均厚度1.66 m。

4-1煤層是井田的主要可采煤層之一，位于延安組段的頂部，上距3-2煤層底板平均19.62 m。煤層分布面積約60 km2，全區可采。煤層總厚度最大5.52 m，最小1.21 m，平均厚度3.80 m。4-1煤層含夾矸0～4層，夾矸厚度為0.03～0.65 m，一般厚度為0.25 m左右，巖性為炭質泥巖、泥巖、粉砂巖；4-1 煤層為結構簡單煤層，煤層頂板多為粉砂巖，次為細粒砂巖及中、粗粒砂巖，厚度為0.82～14.50 m；底板巖性以粉砂巖為主，其次為細粒砂巖，厚度為0.67～15.54 m。4-1煤層自燃傾向性屬于容易自燃，Ⅰ類煤層，自然發火期為38 d，煤塵爆炸指數為36.53%，具有強爆炸性。

1.2 工作面概況

Ⅰ0104105綜采工作面大部分位于鴛鴦湖馮記溝背斜東翼，其上部無采掘活動，下部為未開拓煤巖系地層，該工作面東部為Ⅰ0104106工作面，西部為Ⅰ0104104綜采工作面及采空區，南部為Ⅰ01采區邊界泄水巷(Ⅶ段)，北部為4-1煤運輸、回風、輔助運輸3條大巷。Ⅰ0104105綜采工作面西巷道為工作面回風巷，緊鄰Ⅰ0104104綜采工作面采空區，中間留設寬25 m煤柱。Ⅰ0104105綜采工作面采用后退式U型通風方式，上行通風，綜采工作面設計風量為1 100 m3/min，設計走向長度2 961 m，開切眼平均長度251 m，可采儲量355.7萬t，煤層平均厚度3.85 m，平均傾角7°。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤方法，全部垮落法控制頂板。

2 自然發火標志氣體分析及優選

2.1 氣體產生規律分析

按照GB 474—2008《煤樣的制備方法》，將現場采集的煤樣制成實驗樣品。利用瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室自然發火標志氣體測試系統對制成的煤樣進行程序升溫，測試煤樣氣體產物隨煤溫的變化實驗數據，并進行氣體產生規律分析。

1)CO、CO2氣體產生規律

CO和CO2是出現在煤的氧化過程中并貫穿整個氧化過程最早的2種氣體產物。根據4-1煤層測試煤樣氣體產物隨煤溫的變化數據，繪制得到CO和CO2體積分數隨溫度的變化關系，如圖1所示。

圖1 4-1煤層CO、CO2體積分數隨溫度的變化關系

由圖1可知，4-1煤層測試煤樣在測試溫度范圍內，CO在40～50 ℃內開始出現，CO2在30 ℃時即開始出現，CO、CO2體積分數隨煤溫的增加基本呈指數增加的趨勢變化。

2)烷烯烴氣體產生規律

雙馬煤礦4-1煤層煤樣在氧化過程中，主要產生的烷烯烴氣體組分為CH4、C2H6、C3H8和C2H4，其體積分數變化趨勢如圖2和圖3所示。

圖2 4-1煤層CH4體積分數隨溫度變化規律

圖3 4-1煤層C2H6、C3H8、C2H4體積分數隨溫度變化規律

從圖2和圖3中可以得出：煤樣在測試溫度范圍內，CH4、C2H6、C3H8和C2H4的體積分數隨煤溫的增加基本呈指數增加的趨勢，CH4在140 ℃時才開始出現，C2H6在30 ℃時開始出現，C2H4在80 ℃時開始出現，C3H8在110 ℃時開始出現。煤樣在測試溫度范圍內沒有C2H2出現，說明其出現的溫度高于測試溫度范圍。

2.2 煤層自然發火標志氣體優選

根據標志氣體優選原則，CO、C2H4和C2H2在一定程度上反映了4-1煤層自然發火的緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化的3個階段，因此可以確定：

1)CO是4-1煤層自然發火的指標氣體之一。CO的出現表明4-1煤層已開始氧化，其體積分數越高則表明煤氧化越劇烈，煤層自然發火危險性越高。具體安全管理濃度、臨界值需要結合現場觀測測定。

2)C2H4是4-1煤層局部進入加速氧化階段的標志性氣體。C2H4的出現表明4-1煤層局部溫度已經到達80 ℃，在CO體積分數增高時應特別注意加強觀測，在有CO存在的前提下，只要出現C2H4就必須采取切實有效的防滅火措施，如果延誤時機則可能發展為重大火災事故。

3)C2H2的出現標志著4-1煤層局部溫度超過200 ℃。一旦檢測到C2H2時，應視為煤層局部已經可能出現明火或陰燃，應謹慎采取措施。

4)C3H8可以作為判別4-1煤層自然發火進程的輔助指標氣體。C3H8的出現標志著4-1煤層局部溫度已經達到110 ℃。

3 現場煤層自然發火標志氣體的確定

3.1 采空區氧化帶范圍考察

為了現場測試4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面采空區氧化帶范圍，在Ⅰ0104105綜采工作面回風巷內沿底板向采空區埋設束管，在工作面回風側采空區設置1#、2#2個測點，其布置如圖4所示。

圖4 采空區測點布置示意圖

Ⅰ0104105工作面回風側束管兩測點間距30 m，使用單芯束管每根長180 m。束管外套?50 mm鋼管作為保護套管，保護套管長150 m，保護套管長度比束管略短，取樣頭根據要求制作，設置三通連接在套管上。同時，采用6種不同顏色、直徑8 mm的束管加以區分，束管端頭設施使用過濾式結構。每根束管負責監測1個測點的氣樣，每個探頭抬高0.5 m以上，防止采空區積水堵塞束管。同時利用鐵罩(留有孔)護住探頭以防被擠壓損壞，具體如圖5 所示。

圖5 束管取樣頭布置示意圖

束管采樣頭一旦進入采空區即開始取氣進行測試，分析采空區氧化帶內氣體變化規律。正常情況下每天測取一次氣體并分析氣體成分，早班入井測定。如有異常，則根據具體情況而定。

3.2 采空區氧化帶范圍的測定

根據相關研究成果，4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面采空區按O2體積分數φ(O2)劃分采空區自燃“三帶”：散熱帶，φ(O2)>18%；自燃帶，18%≥φ(O2)≥8%；窒息帶，φ(O2)<8%。通過現場實測，得到Ⅰ0104105工作面回風側采空區內1#測點O2體積分數與工作面刮板運輸機距離之間的變化關系，如圖6所示。

圖6 Ⅰ0104105工作面1#測點O2體積分數變化圖

通過圖6分析可以得出：Ⅰ0104105工作面回風側采空區自燃帶的范圍為25～96 m，在這一寬度范圍內O2體積分數為8%～18%?，F場考慮到工作面進風側采空區漏風強度大，綜合考慮Ⅰ0104105工作面采空區自燃帶的范圍取25～100 m，即工作面推進超過100 m后采空區進入窒息帶。在Ⅰ0104105工作面采空區整個實測過程中，Ⅰ0104105工作面采空區未出現C2H4、C3H8和C2H2氣體，且采空區CO體積分數較低。說明Ⅰ0104105工作面采空區遺煤處于緩慢氧化階段，在現場實測期間未出現工作面采空區自然發火跡象。

3.3 煤層自然發火氣體現場考察分析

通過對雙馬煤礦4-1煤層Ⅰ0104105工作面上隅角和工作面中部CO體積分數實測分析，得到Ⅰ0104105工作面上隅角和工作面中部CO體積分數變化趨勢，如圖7和圖8所示。

圖7 Ⅰ0104105工作面上隅角CO體積分數變化趨勢

圖8 Ⅰ0104105工作面中部CO體積分數變化趨勢

現場考察監測期間，從Ⅰ0104105工作面中部、上隅角和回風巷CO體積分數分析來看，Ⅰ0104105工作面CO來源主要是煤層工作面采空區遺煤氧化產生的。在正?；夭善陂g、礦井正常溫度條件下，Ⅰ0104105工作面上隅角CO體積分數在2×10-6～1.6×10-5內波動；Ⅰ0104105工作面中部CO體積分數一般在0～3×10-6內波動；Ⅰ0104105工作面回風巷幾乎監測不到CO氣體，CO體積分數偶爾會達到3×10-6；Ⅰ0104105工作面采空區CO體積分數最高為4.6×10-5。這說明在4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面正常回采過程中，采空區遺煤低溫氧化比較緩慢，沒有出現高溫點或者急劇氧化現象。

4 現場 CO體積分數指標預測的臨界值的確定

4.1 現場 CO體積分數指標預測數學模型

為了確定現場 CO體積分數指標預測的臨界值，根據采空區散熱帶煤體、自燃帶遺煤氧化CO產生量與采空區漏風量的關系，建立回采工作面上隅角CO體積分數指標的預測數學模型[15]：

(1)

式中：φ(CO)為工作面上隅角CO體積分數，10-6；k1為采空區散熱帶浮煤氧化修正系數，在正常漏風條件下，一般取0.5～0.7；L1為采空區散熱帶的寬度，m；k2為采空區自燃帶浮煤氧化修正系數，小于 1(一般取 0.1～0.3)；L2為采空區自燃帶的寬度，m；L為綜采工作面長度，m；H為工作面采高，m；ψ為工作面采出率，%；vCO為煤體在某一溫度下的CO產生速率(根據程序升溫氧化實驗確定)，mL/(min·m3)；Q為工作面供風量，m3/min；η為工作面漏風率，一般取 0.06～0.10。

4.2 煤層自然發火標志氣體臨界值確定

雙馬煤礦4-1 煤層Ⅰ0104105綜采工作面長度250.9 m，平均采高3.85 m，工作面采出率為93%。根據Ⅰ 0104105 綜采工作面采空區氧化帶范圍實測數據并綜合分析，Ⅰ 0104105工作面采空區散熱帶范圍取25 m，自燃帶范圍取75 m。根據 Ⅰ0104105 工作面現場氣體分析考察，采空區散熱帶浮煤氧化修正系數取0.5，采空區自燃帶浮煤氧化修正系數取0.1。工作面實際通風量約為1 116 m3/min，工作面漏風率按照10%考慮，則漏風量約為112 m3/min。

將上述各項參數值代入式(1)，計算得到雙馬煤礦4-1煤層Ⅰ0104105綜采工作面上隅角CO體積分數臨界指標值，見表1。

表1 4-1煤層綜采工作面上隅角CO體積分數臨界指標

以此為基礎，建立了雙馬煤礦4-1煤層自然發火分級預警響應4級指標：藍色(Ⅰ 級)、黃色(Ⅱ 級)、橙色(Ⅲ級)、紅色(Ⅳ級)，并構建了相應的治理技術管理體系，具體見表2。

表2 雙馬煤礦4-1煤層自然發火分級預警響應與防滅火治理技術管理體系

5 結論

1)通過實驗測試和優選原則確定了雙馬煤礦4-1煤層自然發火標志氣體分別為 CO、C2H4和C2H2，其分別為煤層自然發火的緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化 3個階段的標志氣體。

2)通過實驗測試和現場觀測分析，并根據CO體積分數指標預測數學模型，計算得到4-1煤層綜采工作面回風隅角CO體積分數安全管理值和自燃臨界值分別為60×10-6、430×10-6。

3)建立了雙馬煤礦4-1煤層自然發火藍色(Ⅰ 級)、黃色(Ⅱ級)、橙色(Ⅲ級)、紅色(Ⅳ級)4級分級預警響應與防滅火治理技術管理體系，為雙馬煤礦建立具體的應急響應體系提供了依據。