8.8 m超大采高工作面煤自燃防治經驗探討

李玉福

(神華神東煤炭集團有限責任公司 上灣煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

我國煤炭資源豐富，井工開采工作方式占比較大，因地質環境的影響，煤礦自燃事故頻發，不僅給井下生產帶來極大的安全隱患，也是對資源的一種浪費。超大采高煤層工作面防滅火形勢更加嚴峻，因此，科學規劃超大采高煤層工作面自燃監測及火災預防措施是目前亟待解決的問題。

徐小馬[1]針對某大采高綜放工作面煤自燃問題，通過煤炭氧化實驗確定了該工作面煤自燃過程中的氣體指標，結合火災束管監測完成煤自燃早期預測工作。鄧軍等[2]圍繞某綜采工作面推進慢的問題，分析了發火原因及治理難點，研究了封閉工作面水淹降溫技術，同時利用高分子膠體壓注、工作面上下端頭封堵等綜合措施，有效遏制住火區復燃及煤自燃，確保了該工作面的正常生產。陳明河[3]針對淺埋深大采高工作面采空區漏風嚴重問題，通過現場觀測和數值模擬，結合參數指標，確定工作面自燃“三帶”劃分結果，為制定有效的綜合防火措施提供了科學依據。

超大采高工作面煤自燃監測數據包括氣體濃度、溫度等，研究方法包括實驗、數值模擬、現場觀測等。現有研究大多未考慮各指標之間的關系，研究手段及數據分析方法單一。針對該問題，本文以神華神東煤炭集團有限責任公司上灣煤礦采高為8.8 m的12401工作面為例，采用現場煤自燃實驗、現場觀測、數值模擬等方法，結合現場火災防治數據，總結工作面煤自燃火災過程中氣體濃度與溫度之間的關聯關系，為超大采高工作面煤自燃火災防治提供技術支撐。

1 12401工作面概況及煤自燃監測手段

上灣煤礦煤層埋深淺且可采煤層間距小，屬于煤層群開采[4-5]。12401工作面煤層屬于I類易自燃煤層，工作面巷道采用“兩進一回”布局，兩進風巷之間的間隔為50～60 m，通過聯絡巷聯通[6]。在掘進過程中不可避免地會破壞煤體的完整性，使煤柱出現裂隙，進而形成漏風通道，聯通多個相鄰的采空區[7-8]，導致發生煤自燃的危險性增大。

12401工作面煤層最短自然發火期為35 d，工作面長度為299.2 m，推進長度為5 291 m，推進周期長，自燃危險性大，工作面煤層厚度達11 m，采用一次性采全高的開采方式，采空區的進、回風巷和開切眼、終采線區域必然遺留大量浮煤，為本煤層自然發火創造了物質基礎[9]。由于開采煤層埋深淺、煤層間距小、開采塌陷直通地表，采用負壓通風方式，該煤層存在地表漏風情況。若本煤層發生自燃，會影響下一煤層開采[10]，因此，有必要做好該工作面采空區自燃監測和分析工作。

12401工作面已經裝備了地面束管監測系統、井下束管監測系統、安全監控系統和光纖測溫系統等獨立監測系統。

(1) 地面束管監測系統。采用16芯束管監測系統，束管自監控中心進入主斜井至井下，在井下的工作面、采空區安裝束管和采樣頭，將井下監測地點的氣體通過束管抽至地面氣相色譜儀中，對氣體的成分、濃度和變化趨勢進行分析。系統監測的數據為CO，CO2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，O2，N2等氣體濃度。

(2) 井下束管監測系統。該系統可實現對CO，CO2，O2，CH4等氣體濃度的24 h實時監測，抽采距離控制在2 km以內，實時監測數據自動通過環網上傳至地面監測中心，其測點布置與地面束管測點布置互相補充[11]。

(3) 安全監控系統。選用KJ95X安全監控系統，對井下采掘工作面瓦斯、CO濃度、溫度等參數進行監控，在工作面上隅角、回風巷口向里10～15 m處各設置一臺CO傳感器和一臺CH4傳感器，在工作面回風流處設置溫度傳感器和風速傳感器，實時監測CO濃度、CH4濃度、溫度和風速。

(4) 光纖測溫系統。從開切眼處沿著兩巷道鋪設分布式測溫光纖，如圖1所示，每隔1 m布置1個測點，實時監測巷道溫度值，系統巡檢周期不大于15 s。

上灣煤礦12401工作面部署了4套與煤自燃火災相關的監測系統，但是各系統之間相互獨立，系統監測參數之間的關聯關系無法確定，導致日常煤自燃火災隱患處置過程中，各系統數據大多只起到參考作用，無法深入、具體地指導現場煤自燃火災防治工作。

圖1 12401工作面煤自燃火災測點布置

2 煤自燃實驗及現場“三帶”實測

2.1 煤自燃實驗

對12401工作面煤層煤樣進行程序升溫氧化實驗。先剝去煤樣表面氧化層，然后用破碎機對其進行破碎，并篩分出直徑為0.18～0.25 mm的50 g顆粒作為實驗煤樣。向煤樣內通入流量為50 mL/min的干空氣，在程序控溫箱控制下對煤樣進行程序升溫[12]，設置程序控溫箱的初始溫度為30 ℃。當程序控溫箱恒溫運行10 min達到初始溫度穩定狀態時，對煤樣進行程序升溫，當達到指定測試溫度時，保持溫度恒定5 min后取出氣樣進行氣體成分和濃度分析，實驗結果總結如下。

(1) CO在30 ℃時開始出現，在70～80 ℃時CO濃度迅速上升，說明此時煤已經開始迅速氧化，物理吸附越來越弱，化學吸附和化學反應占據了主導位置，CO可作為指標氣體。

(2) 煤炭低溫氧化過程中釋放的CO2和CH4濃度變化規律性不強，因此，CO2和CH4不能作為該煤層預測煤自燃的指標氣體。

(3) C2H6在60 ℃開始出現，H2在110 ℃時開始出現，C2H4在100 ℃時開始出現，這3種氣體的生成量均隨煤溫的上升呈單一遞增關系。C2H2在30～220 ℃沒有出現，說明其出現時的溫度高于220 ℃，一旦有C2H2則表明煤已經發生劇烈化學反應，因此C2H6，C2H4，C2H2，H2可作為輔助指標氣體。

2.2 現場“三帶”觀測及分析

在距離12401工作面采空區回風側位置每隔50 m埋設4個束管采樣點(測點)，監測CO，O2體積分數，如圖2所示。

(a) 1號束管采樣點

從圖2可看出，隨著測點與工作面的距離不斷增加，4個測點CO體積分數先呈遞增趨勢，達到峰值后遞減，整體呈倒“U”形。2號、3號、4號測點分別推進至距工作面75，96，125 m時，CO體積分數出現峰值，分別為185×10-6，136×10-6，140×10-6，然后開始下降，距工作面200 m左右開始穩定。各測點O2體積分數總體呈下降趨勢，2號測點的O2體積分數在距工作面203 m左右下降到10%以下，4號測點的O2體積分數在距工作面198 m時下降至9.6%，而1號、3號測點的O2體積分數較高，分別在333，327 m時下降至11.57%，12.06%。

采空區自燃“三帶”一般按O2體積分數來劃分，散熱帶內由于漏風充分，其O2體積分數偏高，常取大于18%；窒息帶的O2體積分數小于10%，氧化升溫帶的O2體積分數為10%～18%。一般距工作面0～30 m為散熱帶，30～178 m為自燃帶，大于178 m為窒息帶。上灣煤礦12401工作面現場觀測結果表明，采空區散熱帶+自燃帶長度約為200 m，采空區CO體積分數最大值為185×10-6。

3 采空區注氮數值模擬分析

3.1 采空區三維模型建立

根據上灣煤礦12401工作面實測參數，利用Ansys Workbench 中Fluent前處理軟件Design Modeler建立采空區三維模型。現場注氮口和注氮位置和現場技術人員進行了嚴格核實，符合實際情況。采空區走向長度為300 m，傾向長度為200 m[13-14]，自下而上分別設置為遺煤帶、冒落帶、斷裂帶。三維模型的基本參數見表1，松散煤體及巖體材料參數見表2，幾何模型如圖3所示。

表1 采空區三維模型基本參數

表2 松散煤體及巖體材料參數

模型解算設置中，設置組分為O2，N2及CO混合物。邊界條件：設置進風口和注氮口為速度入口，回風口為自由出流，采空區為多孔介質區域。孔隙率、黏性阻力系數、慣性阻力系數及耗氧速率采用用戶自定義函數(User-Defined Functions,UDF)編程的方式編譯至解算程序進行解算[15]。

圖3 上灣煤礦12401采空區幾何模型

3.2 采空區O2體積分數及“三帶”分布規律

注氮前后采空區O2體積分數三維分布如圖4所示，采空區“三帶”變化如圖5所示，其中X為煤層走向長度，Y為工作面長度，Z為采空區高度。由圖4和圖5可知，注氮前，O2從進風側進入工作面，由于工作面和采空區之間不可避免地存在漏風情況[15-17]，特別是在進風隅角處，有相當一部分O2進入到采空區，作為區分氧化升溫帶和窒息帶的10% O2體積分數等值線深入至采空區約80 m；而回風側O2體積分數明顯較小，在深入采空區方向，O2體積分數隨著與工作面距離的增大而逐漸減小；在垂直于采空區方向，由于O2摩爾質量大于空氣，整體而言，越靠近底板處O2體積分數越大。

(a) 注氮前

(a) 注氮前

向采空區高溫區域采用注氮措施后，采空區的漏風流場受到干擾，進而改變了采空區內流體的運移規律。注氮明顯改變了采空區內O2分布，以注氮孔為中心，O2體積分數呈現明顯的向四周增大趨勢，注氮前的窒息帶被劃分為2個部分，小部分O2因N2的擠壓作用進入采空區深部，而大部分O2向工作面方向移動，大大減小了氧化升溫帶的寬度，惰化效果顯著。

3.3 采空區CO體積分數變化

注氮前后CO體積分數變化如圖6所示。注氮前，由采空區內異常區域涌出的CO氣體分布于整個采空區，受采空區漏風風流擾動影響，明顯向回風隅角處運移，進風側CO體積分數小于回風側。采取注氮措施后，CO聚集區域被注入N2分割為2個部分：靠近采空區深部的一部分面積較小，分布在160 m

3.4 采空區溫度場變化

注氮前后溫度場變化如圖7所示。由于煤體的導熱性較差，盡管采空區中心處溫度達800 K，但溫度擴散范圍不大。采取注氮措施后，最高點溫度迅速降至305 K，有效控制了高溫火源區域的擴大。

(a) 注氮前

(a) 注氮前

對多次模擬結果進行總結，得出最佳注氮量為1 000 m3/h。若注氮量過低，則惰化效果不佳；注氮量超過1 000 m3/h后，若繼續加大注氮量，對采空區“三帶”影響不大，但增加了注氮成本。

4 高溫異常區域注氮效果分析

12401工作面于2018-03-20開始回采，回采初期推進速度較慢且工作面及“兩道兩線”(進風道、回風道、始采線及終采線)遺留浮煤較多，截至2018-05-20工作面只推進298 m。2018-05-25—06-20，溫度監測數據顯示，距離工作面當前推進位置60 m處兩巷道光纜有異常，尤其是進風側，最高溫度達到32.2 ℃，高溫異常區域O2體積分數一直維持在20%以上，CO體積分數逐漸升高到100×10-6。

根據模擬結果，進風側距離工作面50～70 m處溫度最高，與現場情況基本一致。為了及時消除火災隱患，采用地面與井下一起注氮的方式降低火災危險性。按照模擬結果，井下注氮位置選取進風側聯絡巷，在距離工作面50～100 m的77聯絡巷采用井下注氮方式。地面注氮位置選取DM-1000鉆孔處，按照采空區“三帶”分布規律模擬結果，在X=70 m，Y=100 m處進行地面注氮。地面和井下注氮流量均為1 000 m3/h。

12401工作面火情關鍵參數變化趨勢如圖8所示。5月25日開始在采空區高溫異常區域進行地面注氮后，高溫異常區域CO體積分數及溫度有逐漸下降的趨勢。6月12日再次注氮后，CO體積分數迅速下降，采空區回風側切眼位置溫度下降到26 ℃左右，CO體積分數下降到45×10-6左右。模擬結果驗證了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。

圖8 12401工作面火情關鍵參數變化趨勢

5 結論

(1) 煤自燃實驗結果表明，CO可作為預測煤炭自燃的指標氣體，CO2和CH4不能作為指標氣體，C2H6，C2H4，C2H2，H2可作為輔助指標氣體。

(2) 現場觀測結果表明，上灣煤礦12401工作面采空區散熱帶+自燃帶長度約為200 m，采空區CO體積分數最大值為185×10-6。

(3) 數值模擬分析結果表明，采取注氮措施后，氧化升溫帶的寬度大大減小，CO體積分數明顯降低，最高點溫度迅速下降，惰化效果顯著。

(4) 綜合煤自燃實驗、現場“三帶”實測及數值模擬結果，確定注氮方式和位置，使高溫異常區域CO體積分數及溫度逐漸下降，驗證了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。