晉北煤業5-407工作面自燃指標性氣體及“三帶”劃分研究

張永剛

(霍州煤電集團 晉北煤業有限公司，山西 忻州 035100)

1 工程概況

晉北煤業公司位于忻州市靜樂縣娘子神鄉山浪村，北與忻黑線相距9 km，距靜樂縣城12 km，距太佳高速豐潤站30 km，距太原市100 km，距忻州市90 km，交通便利。礦井井田位于寧武煤田東南部邊緣處，煤層賦存比較穩定，屬低瓦斯礦井，采礦證批準開采面積8.567 2 km2，批采煤層為2～6號煤層，其中5號上、5號下、6號為可采煤層，煤種主要為1/3焦煤、肥煤。礦井備案地質儲量8 483萬t，其中5號上煤層5 176萬t，5號下煤層2 101萬t，6號煤層1 206萬t。按照初步設計要求，現礦井開采煤層為5號上煤。礦井設計生產能力120萬t/a，設計服務年限16.7 a。截止2018年底，5號上煤剩余可采儲量1 813萬t。井田地質及水文地質類型為中等，礦井實際正常涌水量為100 m3/h，最大涌水量為148 m3/h。絕對瓦斯涌出量為1.6 m3/min。煤的自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。礦井現運行的防滅火系統以注氮系統為主，噴灑阻化劑為輔，采用束管系統監控有害氣體。為保障后續工作面的安全高效生產，需設計合理有效的采空區防滅火措施，本文以5-407工作面為例，進行采空區遺煤自燃特性的研究，為采空區自然發火防治措施的制定提供可靠依據。

2 工作面煤自燃指標性氣體研究

工作面回采后，采空區內將遺留一定量的煤體，煤在采空區內發生氧化反應將產生各種碳氧、碳氫等氣體[1]，各類氣體的濃度會隨著煤的氧化程度、溫度的變化而變化，因此可根據采空區各類氣體的濃度變化判斷采空區是否發生自燃。不同煤體氧化反應產生的氣體差異性很大，為具體掌握晉北煤業5號上煤自燃產生各類氣體的濃度變化規律，在實驗室進行了5號上煤自燃標志性氣體實驗研究。實驗系統如圖1所示，實驗過程：①在5-407工作面選取適量干燥煤樣，采用塑料袋密封運送至實驗室；②取出煤樣，破碎、篩選得到合適粒徑的煤樣；③將適量煤樣放置在程序控溫箱的中心位置，檢查各個儀器的性能及系統的氣密性；④調節程序控溫箱溫度，加熱煤樣，觀察分析儀記錄結果。實驗結果如圖2所示。

圖1 煤自然發火標志氣體實驗系統示意

由圖2(a)可以看出，CO初始濃度為零，溫度達到30 ℃時，出現CO，濃度為0.58×10-6，表明煤樣開始發生氧化反應；煤樣溫度達到180 ℃時，CO濃度開始明顯增大，表明此時煤樣已進入迅速氧化階段。由圖2(b)知，CO2初始濃度為345.95×10-6，煤樣溫度達到175 ℃時，CO2濃度才開始明顯增大，煤樣初始氧化階段CO2濃度無明顯變化，根據煤體對CO2的吸附作用可知，CO2濃度的升高由兩部分引起[2-3]，一是煤體脫附產生，二是煤樣氧化反應產生，因此CO2濃度的變化并不能準確反應煤樣的氧化階段。由圖2(c)可以看出，C2H4初始濃度為零，溫度升到110 ℃時，開始出現C2H4，溫度達到180 ℃左右時，C2H4濃度開始呈指數型增長，表明煤樣進入迅速氧化階段。由圖2(d)可知，CH4、C2H6、C3H8隨溫度增大濃度變化最具規律性的為CH4，但CH4初始濃度并不是零，且煤樣內吸附一定的CH4，因此這三種氣體均不適合作為標志性氣體。

圖2 各類氣體濃度變化規律

綜上可知，晉北煤業5號上煤自然發火標志性氣體為CO和C2H4，CO濃度開始變化表明煤體開始氧化反應，C2H4濃度開始變化表明煤體進入加速氧化階段，CO或C2H4濃度開始迅速增大，表明煤體已進入開始氧化階段，可認為此時采空區發生了自然發火。

3 采空區煤自燃“三帶”現場實測研究

采空區遺煤自然發火需要具備溫度、氧氣濃度及遺煤等條件，根據各個因素的變化可將采空區劃分為散熱帶、自燃帶和窒息帶[4]，散熱帶溫度較低，不易出現自然發火，窒息帶氧氣濃度較低，不易出現自然發火，自燃帶具有良好的漏風和蓄熱條件，是采空區自然發火的重點區域。可根據氧氣濃度進行采空區自燃“三帶”的劃分，當氧氣濃度低于8%，該區域為窒息帶；氧氣濃度大于18%，該區域為散熱帶；氧氣濃度位于8%至18%之間的區域為自燃帶。為準確掌握5-407工作面采空區自燃“三帶”的具體情況，采用束管監測系統和氣相色譜儀分析測試系統相結合的方式，分析采空區內氧氣濃度的變化規律，束管監測系統管路布置如圖3所示，在5-407工作面膠帶巷和回風巷內埋管，采樣點由測試鋼管、保護套管及抽采泵組成，每條巷道各設置兩個采樣點，采樣點間距50 m。

圖3 束管監測系統布置平面

井下束管監測系統連接地面氣相色譜儀分析測試系統，當采樣點進入采空區后，記錄各采樣點氧氣的濃度及工作面日推進距離，整理得到氧氣濃度隨著采樣點深入采空區深度的變化規律如圖4所示。

圖4 氧氣濃度變化曲線

由圖4可以看出，隨著采樣點逐漸深入采空區，膠帶巷和回風巷側氧氣濃度均快速下降，膠帶巷一側采空區，初始氧氣濃度為21.6%，采樣點深入采空區57 m時，氧氣濃度降至18%，隨著工作面推進，氧氣濃度持續降低，當采樣點深入采空區156 m時，氧氣濃度降至8%，采樣點繼續深入采空區，氧氣濃度持續降低。回風巷一側氧氣濃度下降更快，深入采空區43 m以上時，氧氣濃度下降到18%以下，深入采空區142 m以上時，氧氣濃度降至8%以下。

4 采空區“三帶”劃分及工作面極限推進速度分析

4.1 “三帶”劃分

根據前面得到的采空區氧氣濃度變化規律，可得5-407工作面采空區自燃“三帶”的具體情況,見表1。

表1 5-407工作面采空區“三帶”

5-407工作面采空區氧化自燃帶范圍為：膠帶巷57～156 m，回風巷43～142 m，該區域內氧氣濃度在8%～18%之間，氧氣濃度適宜，且散熱量小，具有良好的蓄熱環境，是采空區防滅火的重點區域。

4.2 工作面的極限推進速度

采空區氧化自燃帶遺煤出現自然發火現象需要一定的時間，保證遺煤位于氧化帶的時間小于其自然發火期，將大大減小采空區火災的隱患，因此可通過加快工作面推進速度來減小遺煤位于氧化帶的時間，工作面最小推進速度計算公式[5]：

(1)

式中：Vmin為工作面極限推進速度，m/d；Lmax為采空區自燃氧化帶寬度，m；Tmin為煤層最短發火期，d。

晉北煤業5-407工作面采空區氧化帶寬度取156 m-43 m=113 m，5號上煤最短自然發火期為42 d，則計算可得工作面最小推進速度為2.7 m/d。

5 結 語

1) 晉北煤業5號上煤屬于Ⅱ類自燃煤層，為掌握采空區遺煤自燃特性，進行了工作面煤自燃指標性氣體研究，結果表明，CO和C2H4適合作為采空區自燃標志性氣體。

2) 采用束管監測系統及氣相色譜儀分析測試系統監測5-407工作面采空區氧氣濃度，并據此劃分采空區自燃“三帶”，結果表明：采空區氧化自燃帶范圍為：膠帶巷57～156 m，回風巷43～142 m。通過理論計算確定工作面推進的最小速度為2.7 m/d。研究結果為5號上煤層工作面防滅火技術設計提供可靠依據。