易自燃厚煤层工作面自然发火CO预测及防治

郭 军，程小蛟，武 剑，樊世星，王伟峰

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054； 2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 7100543； 3. 兖煤菏泽能化有限公司 赵楼煤矿安监处，山东 菏泽，274000)

0 引言

我国矿井采空区遗煤自燃占井工开采煤自燃总数的60%，极大地威胁着煤矿的安全开采和矿工生命安全[1～3]。采空区遗煤氧化是一个热量积聚的过程，而浮煤堆积厚度作为放热和蓄热的物质条件在此过程中起着至关重要的作用[4]。在易自燃厚煤层放顶开采过程中，受地质条件、放煤工艺、工人素质等因素影响，采空区通常会遗留连续的松散煤堆，为热量积聚提供物质条件，形成遗煤氧化升温的“正反馈”[5]，而工作面漏风又为遗煤提供充足的氧环境，促进了遗煤氧化及热量积聚[6]。

由于采空区位置特殊，发火位置较为隐蔽，采空区发火状况的准确判定一直以来都是世界性难题，通常采用气体分析、温度监测、数值模拟的方法来预测发火情况[7-8]。例如，周西华等[9]采用数值模拟的方法，研究了工作面不同进风量时采空区氧化升温带的变化规律，得到了工作面供风量与氧化升温带宽度的拟合曲线；李品[10]采用COMSOL数值模拟的方法，研究了工作面不同推进距离下以流速和氧体积分数为划分指标的采空区氧化带范围和高温区域的变化规律，分析了高温区域与氧化带的叠加效应；陆伟等[11]针对采空区气体负压束管监测系统存在的问题，提出了以正压作为检测气体的输送方式，研制一种正压束管监测系统，用于采空区煤自燃预测预报工作；刘承宇[12]对采空区气体进行实地采样分析,得出其分布规律，并用FEMLAB软件分析了采空区漏风渗流速度场、流线、风速场和风压场情况，得出采空区自然发火危险区域。

受采空区风流影响，工作面监测到的温度难以准确反映遗煤氧化程度，故现场常以气体分析为主，温度监测为辅[13]。对于气体分析法，在煤氧复合反应的低温阶段，常通过分析不同温度下CO，O2，CH4，C2H2等气体浓度变化来作为预测指标；此外，也有学者通过CO/△O2，CO2/CO，O2/N2等气体比率作为评价采空区自然发火指标[14-15]。尽管研究的倾向性不同，但公认的CO作为最敏感、容易探测的气体，对预测采空区发火状况具有重要作用。

本文以某生产工作面为背景，通过建立回风隅角CO数学模型，预测回风隅角CO极限浓度，结合Fluent模拟及采空区束管监测研究自燃“三带”分布特征，采取相应的防治技术，以期准确预测采空区煤自燃程度，并消除遗煤自燃隐患。对采空区煤自燃预测预报及预防工作具有重要的指导和借鉴意义。

1 回风隅角CO浓度模型

正常开采条件下，回风隅角CO主要来源于破碎煤体的氧化。根据煤体氧化时间不同，回风隅角CO来源主要由3部分组成[16-18]，分别为：①采空区深部遗煤氧化；②推采过程中进入采空区的遗煤氧化；③支架上方煤体氧化。表达式描述如下：

(1)

式中：C1为自燃带产生的CO浓度，m3/min；C2为散热带产生的CO浓度，m3/min；C3为煤层破碎过程中产生的CO浓度，m3/min；Qg为采空区漏风风量，m3/min。

C1，C2，C3表达式如下：

C1=αSW1(1-η)VCO(T)

(2)

C2=βSW2(1-η)VCO(T)

(3)

C3=vSδ(t)

(4)

联立式(1)～(4)，回风隅角处CO浓度表达式为：

(5)

通常情况下，煤体破碎过程中产生的CO量远远小于氧化复合反应产生的CO量。因此，回风隅角CO浓度表达式可简化为：

(6)

式中：α为自燃带的校正系数，(一般情况下，综放面取0.2～0.4，本文α取0.3)；β为散热带的校正系数(一般取0.8～1，本文β取0.9)；S为回采面截面面积；W1，W2分别为自燃带与散热带范围的宽度，m；η为开采率，%；VCO(T)为温度为T时，CO释放速率，mol/(m3·s)；v为推进速率，m/d；δ(t)为每生产1 m3的煤CO产出量，mol/m3；μ为漏风系数，min/m3；Q为工作面供风量，m3/ min。

2 CO产生率与特征温度对应关系

为获得工作面煤样自燃过程中CO气体产生规律，从工作面取平均粒径大于500 mm的新鲜煤样，用塑料薄膜包封密实直接送至实验室，破除表面氧化层，取煤芯处煤样，经颚式破碎机破碎处理，筛分出粒度为0～0.9 mm，3～5 mm，7～10 mm的3种煤样，并对将上述煤粉按质量比1∶1∶1混合成混样。共准备上述4种实验煤样，每个样品均1 kg。

实验装置由5部分组成：供气装置、升温装置、煤样试管、尾气回收装置及气相色谱仪[19]。为保证供气均匀，分别在煤样罐上下各留20 mm的自由空间，将煤样罐置于升温箱中，通入流量为120 mL/min的预热空气，进行程序升温实验。升温过程中，煤温每升高10℃，采集气体，用气相色谱仪进行成分分析[20]。当煤温达到预定温度时，停止实验。

经过试验数据处理，得到的煤样CO产生率与温度关系曲线如图1所示。

图1 煤样CO产生率与温度关系曲线Fig.1 Relationship between CO production rate and temperature of coal samples

从图1可知，各粒径煤样CO产生率均随温度的升高而增加。当煤温升至60～75℃时，CO产生率有显著的增长趋势，存在一个CO浓度突变的温度点，即CO的突变临界温度处于60～75℃之间；当温度达到100～120℃时，CO产生率随温度变化成倍增长，且气体产物中有乙烯出现，故CO的二次突变温度、干裂温度均处于100～120℃范围内。

采用回归多项式拟合的方法，对各温度下CO浓度平均值进行拟合处理，拟合方程如下：

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

(7)

拟合方程的参数见表1。

表1 多项式拟合方程参数Tab.1 Parameters of polynomial fitting equation

通过拟合可得到各特征温度范围的CO产生率的变化规律，具体数据见表2。

表2 不同温度范围CO产生率Table 2 CO production rate in different temperature ranges

3 数值模拟

3.1 工作面概况

试验工作面的现场情况如下：工作面地质构造复杂，存在一逆向断层，倾角35°，高度落差达24 m。煤层厚度不一，厚度最大为13 m。正常条件下，瓦斯绝对涌出量小于1.5 m3/min；遇地质条件复杂时，存在局部瓦斯异常的状况。具体参数如表3所示。

表3 工作面参数Table 3 Parameters of working face

3.2 几何模型

利用Gambit进行网格划分，以工作面中心为原点，工作面走向为x轴，倾向为y轴，建立一源一汇的二维模型，如图2所示。根据相似理论[21]，此模型基本条件设置与工作面情况基本一致。

图2 工作面二维模型Fig.2 Two dimensional model of working face

3.3 模拟结果及分析

图3为不同配风量时风速等值线。其中，图3(a)，3(b)为不同配风量时自燃“三带”对比研究，分析不同配风量对自燃危险区域分布的影响。根据采空区危险区域判定条件[22]，图3(a)中自燃带距回采面距离L为：30 m120 m。与图3(a)相比，图3(b)中回采面分配风量Q=800 m3/min时，氧化升温带的范围有了明显的变化，自燃带与回采面的距离L为：32 m

图3 风速等值线Fig.3 Contour map of wind speed

工作面漏风主要集中于进风侧，漏风量越大，氧化升温带范围也越大。如图3(a)，3(c)所示，未设置堵漏风墙时，在氧化升温带与窒息带交界处，距回采面的距离L进比L回大8 m；在进风侧增加堵漏风墙后，漏风量减小，氧化升温带范围明显减小，所以，可在回采面上下端设置封堵墙，改变采空区漏风情况。

4 现场数据监测

4.1 采空区局部束管监测

为了掌握采空区O2,CO等气体浓度变化，在回风顺槽沿采空区走向布置束管，每隔5 m预埋1个三通管，分布如图2所示。通过空气泵取样进行色谱分析，12月份O2数据分析如图4所示。

图4 采空区O2浓度分布Fig.4 Distribution of O2 concentration in goaf

由图4可知，沿采空区走向，采空区漏风量随L的增大而减小，O2浓度也逐渐减小。当距工作面的距离L=120 m时，O2浓度减小为10.05%；L=125 m时，O2浓度减小至9.98%，因此，采空区氧化自燃带的深度在120～125 m之间，结果与数值模拟基本一致，所以，此试验工作面采空区三带范围为：散热带为0～30 m，净宽W1为30 m；氧化带为30～120 m，净宽W2为90 m；窒息带深度大于120 m。

将W1，W2及表2，表3中数据代入公式(6)，获得回风隅角CO极限浓度的预测值，如表4所示。

表4 工作面回风隅角CO浓度预测值Table 4 Prediction of CO concentration in working face

4.2 工作面气体与温度监测

为了保证工作面人员安全，应加强CH4，CO及温度数据监测，分别于回风巷、回风隅角、工作面布置测点。测点布置如图2所示。测点A,H点主要监测回风流和回风隅角瓦斯浓度变化情况；A点主要监测回风隅角CO浓度和温度的变化情况；测点B～G主要监测工作面CO浓度及温度变化。回风隅角、回风流数据如图5。

从图5(a)可以得出，在2010年12月中旬以前，回风隅角CH4浓度出现局部积聚现象，正常情况下在10%以下，遇到异常情况可达56%；回风流CH4浓度主要在0.2%～ 0.5%之间；遇地质条件复杂时，浓度曲线波峰达到0.8%。12月中旬以后，CH4浓度呈递增趋势，风量分配已无法满足现场需求。

从图5(b)可知，在监测周期内，回风隅角CO浓度均大于预测值3×10-6%，采空区氧化带温度已经达到30℃以上。自2010年12月初开始，回风隅角实测CO浓度持续维持在68×10-6%～300×10-6%，未达到488×10-6%，且回风隅角温度在局部时间段内高达36℃以上，此时，可初步判断采空区遗煤温度维持在60～75℃之间，处于氧化升温的加速阶段，有明显的发火征兆。经束管取样分析，气样中并未检测到烯烃类气体，即乙烯等煤分子支链没有开始裂解，未到达该煤层干裂温度100～120℃，与CO模型测算结果一致。

图5 工作面CO，CH4浓度及温度变化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

针对采空区遗煤自燃情况，依据束管监测及自燃“三带”模拟结果，对重点区域采取防控措施，确保工作面的正常生产。

1)合理配风及构筑堵漏风墙

工作面煤层地质构造复杂，存在逆向断层，煤层厚度大且不均匀，放顶过程中常出现局部瓦斯异常现象。根据回采面瓦斯异常监测数据分析，回采面的最低配风量Q>420 m3/min。受放顶工艺影响，采空区会出现局部漏风，形成漏风通道网，会将采空区瓦斯带出，集中于回风隅角，便于集中处理。但漏风量过大，使氧化升温带范围变大。工作面供风量既要满足回采面的基本要求，也要解决局部瓦斯异常情况。因此，为避免采空区大量漏风，在工作面上下端口靠近采空区侧构筑堵漏风墙。严格监测回风流及采空区CO，CH4等气体浓度变化，根据工作面不同时期风量需求，及时调整风量分配。

2)注惰性气体

根据工作面推进速度慢、煤层易自燃的特点，加强对采空区遗煤区的处理。由于工作面温度高达36℃，已不适合人工作业，故在进回风侧分别打两道密闭墙，通过钻孔向采空区压注CO2，惰化采空区氧化的松散煤体。

3)灌注胶体

针对密闭前工作面支架后方CO数据，如图5(c)，测点B～G之间CO浓度呈递增趋势。因此，启封后，在测点B～G之间交错布置深孔与浅孔，进行连续性注胶处理，以支架后方见液为宜。每天取样监测，灌注一段时间后，经检测，回风隅角CO浓度持续小于3 ×10-6%，采空区遗煤温度降低至30℃以下。

6 结论

1)实践证明，CO作为自然发火初期的预测指标是一种行之有效的方法，对预判采空区发火情况具有重要作用。回风隅角CO数学模型的构建，从理论上为本煤层建立了回风隅角CO浓度评判指标，为采空区发火状况预测提供理论依据。

2)通过不同配风量模拟结果分析，采空区自燃“三带”宽度随供风量的增大而变化，供风量越大，采空区漏风量越大，氧化升温带的宽度也随之增大，并向采空区深部移动。

3)经理论分析及现场实践，合理分配风量及构筑堵漏风墙是矿井生产过程中预防遗煤自燃最为经济、简洁、有效的防治技术。工作面配风合理与否，对预防采空区遗煤自燃具有重大意义。工作面配风合理，不仅降低了回风隅角瓦斯浓度，而且大大减少采空区的漏风量，降低了遗煤的发火几率。

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