双马煤矿4-1煤层自然发火标志气体及临界值研究

彦 鹏，黄光利，张仰强，胡全宏

(1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 兴城 125100；2.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司双马煤矿，宁夏 灵武 750408；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037； 4.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

我国90%以上煤炭产量来自地下开采，作业环境复杂，安全生产的制约因素众多，其中煤矿瓦斯、水、火、煤尘、顶板等灾害极为严重，治理难度大[1-3]。煤自燃是威胁矿井安全生产的主要灾害之一，我国大中型煤矿中自然发火危险程度严重或较严重的煤矿占总数的70%以上，西北、东北、华东等地区由于煤自燃每年损失煤炭资源2亿t左右，新疆、宁夏、内蒙古等地区每年因煤田火灾造成的煤炭经济损失超过200亿元[4-6]。煤炭自燃直接导致大量的煤炭资源损失、危害矿山安全生产，是目前煤矿安全生产迫切需要解决的问题[7-8]。《煤矿安全规程》(2016)第二百六十一条规定：开采容易自燃和自燃煤层时，必须开展自然发火监测工作，建立自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及临界值，健全自然发火预测预报及管理制度。为了确定煤层自然发火标志气体及临界值，董绍朴等[9]运用主成分分析法，优选确定了东荣一矿煤层自然发火主要预测指标；沈俊男等[10]以氧气体积分数为主要指标、温度作为辅助指标对滕东煤矿3下107综放工作面自然发火危险性进行了判定；王海军[11]通过自然发火气体产物模拟实验装置，研究确定了灵泉煤矿煤层自然发火的标志性气体；邬灿春等[12]采用实验测试方法，研究确定了油浸煤自然发火标志气体及临界值；王永敬[13]通过程序升温实验、现场测试及统计分析的方法，优选确定了某矿井3#煤层自燃标志气体及临界值。前述研究煤层自然发火标志气体及临界值确定大多通过实验获得，而由于现场开采条件的影响和限制，仅通过实验室测试无法较好地指导现场生产实际[13-14]。双马煤矿目前主采的4-1、4-2、4-3煤层为自燃、容易自燃煤层，为了有效预防矿井采煤工作面煤层自然发火，结合双马煤矿4-1煤层煤样实验分析与现场观测数据，研究确定了4-1煤层自然发火标志性气体及临界值，并建立了相应的煤层自然发火分级预警指标及技术管理体系。

1 工程概况

1.1 矿井及煤层概况

双马煤矿先期开采区域按煤组划分为4个采区，开采顺序按照煤层自上而下依次从Ⅰ01至Ⅰ04采区。Ⅰ01采区为首采区，包括4-1、4-2、4-3煤层，首采的4-1煤层平均厚度3.80 m，4-2煤层平均厚度1.51 m，4-3煤层平均厚度1.66 m。

4-1煤层是井田的主要可采煤层之一，位于延安组段的顶部，上距3-2煤层底板平均19.62 m。煤层分布面积约60 km2，全区可采。煤层总厚度最大5.52 m，最小1.21 m，平均厚度3.80 m。4-1煤层含夹矸0～4层，夹矸厚度为0.03～0.65 m，一般厚度为0.25 m左右，岩性为炭质泥岩、泥岩、粉砂岩；4-1 煤层为结构简单煤层，煤层顶板多为粉砂岩，次为细粒砂岩及中、粗粒砂岩，厚度为0.82～14.50 m；底板岩性以粉砂岩为主，其次为细粒砂岩，厚度为0.67～15.54 m。4-1煤层自燃倾向性属于容易自燃，Ⅰ类煤层，自然发火期为38 d，煤尘爆炸指数为36.53%，具有强爆炸性。

1.2 工作面概况

Ⅰ0104105综采工作面大部分位于鸳鸯湖冯记沟背斜东翼，其上部无采掘活动，下部为未开拓煤岩系地层，该工作面东部为Ⅰ0104106工作面，西部为Ⅰ0104104综采工作面及采空区，南部为Ⅰ01采区边界泄水巷(Ⅶ段)，北部为4-1煤运输、回风、辅助运输3条大巷。Ⅰ0104105综采工作面西巷道为工作面回风巷，紧邻Ⅰ0104104综采工作面采空区，中间留设宽25 m煤柱。Ⅰ0104105综采工作面采用后退式U型通风方式，上行通风，综采工作面设计风量为1 100 m3/min，设计走向长度2 961 m，开切眼平均长度251 m，可采储量355.7万t，煤层平均厚度3.85 m，平均倾角7°。工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤方法，全部垮落法控制顶板。

2 自然发火标志气体分析及优选

2.1 气体产生规律分析

按照GB 474—2008《煤样的制备方法》，将现场采集的煤样制成实验样品。利用瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室自然发火标志气体测试系统对制成的煤样进行程序升温，测试煤样气体产物随煤温的变化实验数据，并进行气体产生规律分析。

1)CO、CO2气体产生规律

CO和CO2是出现在煤的氧化过程中并贯穿整个氧化过程最早的2种气体产物。根据4-1煤层测试煤样气体产物随煤温的变化数据，绘制得到CO和CO2体积分数随温度的变化关系，如图1所示。

图1 4-1煤层CO、CO2体积分数随温度的变化关系

由图1可知，4-1煤层测试煤样在测试温度范围内，CO在40～50 ℃内开始出现，CO2在30 ℃时即开始出现，CO、CO2体积分数随煤温的增加基本呈指数增加的趋势变化。

2)烷烯烃气体产生规律

双马煤矿4-1煤层煤样在氧化过程中，主要产生的烷烯烃气体组分为CH4、C2H6、C3H8和C2H4，其体积分数变化趋势如图2和图3所示。

图2 4-1煤层CH4体积分数随温度变化规律

图3 4-1煤层C2H6、C3H8、C2H4体积分数随温度变化规律

从图2和图3中可以得出：煤样在测试温度范围内，CH4、C2H6、C3H8和C2H4的体积分数随煤温的增加基本呈指数增加的趋势，CH4在140 ℃时才开始出现，C2H6在30 ℃时开始出现，C2H4在80 ℃时开始出现，C3H8在110 ℃时开始出现。煤样在测试温度范围内没有C2H2出现，说明其出现的温度高于测试温度范围。

2.2 煤层自然发火标志气体优选

根据标志气体优选原则，CO、C2H4和C2H2在一定程度上反映了4-1煤层自然发火的缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化的3个阶段，因此可以确定：

1)CO是4-1煤层自然发火的指标气体之一。CO的出现表明4-1煤层已开始氧化，其体积分数越高则表明煤氧化越剧烈，煤层自然发火危险性越高。具体安全管理浓度、临界值需要结合现场观测测定。

2)C2H4是4-1煤层局部进入加速氧化阶段的标志性气体。C2H4的出现表明4-1煤层局部温度已经到达80 ℃，在CO体积分数增高时应特别注意加强观测，在有CO存在的前提下，只要出现C2H4就必须采取切实有效的防灭火措施，如果延误时机则可能发展为重大火灾事故。

3)C2H2的出现标志着4-1煤层局部温度超过200 ℃。一旦检测到C2H2时，应视为煤层局部已经可能出现明火或阴燃，应谨慎采取措施。

4)C3H8可以作为判别4-1煤层自然发火进程的辅助指标气体。C3H8的出现标志着4-1煤层局部温度已经达到110 ℃。

3 现场煤层自然发火标志气体的确定

3.1 采空区氧化带范围考察

为了现场测试4-1煤层Ⅰ0104105综采工作面采空区氧化带范围，在Ⅰ0104105综采工作面回风巷内沿底板向采空区埋设束管，在工作面回风侧采空区设置1#、2#2个测点，其布置如图4所示。

图4 采空区测点布置示意图

Ⅰ0104105工作面回风侧束管两测点间距30 m，使用单芯束管每根长180 m。束管外套∅50 mm钢管作为保护套管，保护套管长150 m，保护套管长度比束管略短，取样头根据要求制作，设置三通连接在套管上。同时，采用6种不同颜色、直径8 mm的束管加以区分，束管端头设施使用过滤式结构。每根束管负责监测1个测点的气样，每个探头抬高0.5 m以上，防止采空区积水堵塞束管。同时利用铁罩(留有孔)护住探头以防被挤压损坏，具体如图5 所示。

图5 束管取样头布置示意图

束管采样头一旦进入采空区即开始取气进行测试，分析采空区氧化带内气体变化规律。正常情况下每天测取一次气体并分析气体成分，早班入井测定。如有异常，则根据具体情况而定。

3.2 采空区氧化带范围的测定

根据相关研究成果，4-1煤层Ⅰ0104105综采工作面采空区按O2体积分数φ(O2)划分采空区自燃“三带”：散热带，φ(O2)>18%；自燃带，18%≥φ(O2)≥8%；窒息带，φ(O2)<8%。通过现场实测，得到Ⅰ0104105工作面回风侧采空区内1#测点O2体积分数与工作面刮板运输机距离之间的变化关系，如图6所示。

图6 Ⅰ0104105工作面1#测点O2体积分数变化图

通过图6分析可以得出：Ⅰ0104105工作面回风侧采空区自燃带的范围为25～96 m，在这一宽度范围内O2体积分数为8%～18%。现场考虑到工作面进风侧采空区漏风强度大，综合考虑Ⅰ0104105工作面采空区自燃带的范围取25～100 m，即工作面推进超过100 m后采空区进入窒息带。在Ⅰ0104105工作面采空区整个实测过程中，Ⅰ0104105工作面采空区未出现C2H4、C3H8和C2H2气体，且采空区CO体积分数较低。说明Ⅰ0104105工作面采空区遗煤处于缓慢氧化阶段，在现场实测期间未出现工作面采空区自然发火迹象。

3.3 煤层自然发火气体现场考察分析

通过对双马煤矿4-1煤层Ⅰ0104105工作面上隅角和工作面中部CO体积分数实测分析，得到Ⅰ0104105工作面上隅角和工作面中部CO体积分数变化趋势，如图7和图8所示。

图7 Ⅰ0104105工作面上隅角CO体积分数变化趋势

图8 Ⅰ0104105工作面中部CO体积分数变化趋势

现场考察监测期间，从Ⅰ0104105工作面中部、上隅角和回风巷CO体积分数分析来看，Ⅰ0104105工作面CO来源主要是煤层工作面采空区遗煤氧化产生的。在正常回采期间、矿井正常温度条件下，Ⅰ0104105工作面上隅角CO体积分数在2×10-6～1.6×10-5内波动；Ⅰ0104105工作面中部CO体积分数一般在0～3×10-6内波动；Ⅰ0104105工作面回风巷几乎监测不到CO气体，CO体积分数偶尔会达到3×10-6；Ⅰ0104105工作面采空区CO体积分数最高为4.6×10-5。这说明在4-1煤层Ⅰ0104105综采工作面正常回采过程中，采空区遗煤低温氧化比较缓慢，没有出现高温点或者急剧氧化现象。

4 现场 CO体积分数指标预测的临界值的确定

4.1 现场 CO体积分数指标预测数学模型

为了确定现场 CO体积分数指标预测的临界值，根据采空区散热带煤体、自燃带遗煤氧化CO产生量与采空区漏风量的关系，建立回采工作面上隅角CO体积分数指标的预测数学模型[15]：

(1)

式中：φ(CO)为工作面上隅角CO体积分数，10-6；k1为采空区散热带浮煤氧化修正系数，在正常漏风条件下，一般取0.5～0.7；L1为采空区散热带的宽度，m；k2为采空区自燃带浮煤氧化修正系数，小于 1(一般取 0.1～0.3)；L2为采空区自燃带的宽度，m；L为综采工作面长度，m；H为工作面采高，m；ψ为工作面采出率，%；vCO为煤体在某一温度下的CO产生速率(根据程序升温氧化实验确定)，mL/(min·m3)；Q为工作面供风量，m3/min；η为工作面漏风率，一般取 0.06～0.10。

4.2 煤层自然发火标志气体临界值确定

双马煤矿4-1 煤层Ⅰ0104105综采工作面长度250.9 m，平均采高3.85 m，工作面采出率为93%。根据Ⅰ 0104105 综采工作面采空区氧化带范围实测数据并综合分析，Ⅰ 0104105工作面采空区散热带范围取25 m，自燃带范围取75 m。根据 Ⅰ0104105 工作面现场气体分析考察，采空区散热带浮煤氧化修正系数取0.5，采空区自燃带浮煤氧化修正系数取0.1。工作面实际通风量约为1 116 m3/min，工作面漏风率按照10%考虑，则漏风量约为112 m3/min。

将上述各项参数值代入式(1)，计算得到双马煤矿4-1煤层Ⅰ0104105综采工作面上隅角CO体积分数临界指标值，见表1。

表1 4-1煤层综采工作面上隅角CO体积分数临界指标

以此为基础，建立了双马煤矿4-1煤层自然发火分级预警响应4级指标：蓝色(Ⅰ 级)、黄色(Ⅱ 级)、橙色(Ⅲ级)、红色(Ⅳ级)，并构建了相应的治理技术管理体系，具体见表2。

表2 双马煤矿4-1煤层自然发火分级预警响应与防灭火治理技术管理体系

5 结论

1)通过实验测试和优选原则确定了双马煤矿4-1煤层自然发火标志气体分别为 CO、C2H4和C2H2，其分别为煤层自然发火的缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化 3个阶段的标志气体。

2)通过实验测试和现场观测分析，并根据CO体积分数指标预测数学模型，计算得到4-1煤层综采工作面回风隅角CO体积分数安全管理值和自燃临界值分别为60×10-6、430×10-6。

3)建立了双马煤矿4-1煤层自然发火蓝色(Ⅰ 级)、黄色(Ⅱ级)、橙色(Ⅲ级)、红色(Ⅳ级)4级分级预警响应与防灭火治理技术管理体系，为双马煤矿建立具体的应急响应体系提供了依据。