晋北煤业5-407工作面自燃指标性气体及“三带”划分研究

张永刚

(霍州煤电集团 晋北煤业有限公司，山西 忻州 035100)

1 工程概况

晋北煤业公司位于忻州市静乐县娘子神乡山浪村，北与忻黑线相距9 km，距静乐县城12 km，距太佳高速丰润站30 km，距太原市100 km，距忻州市90 km，交通便利。矿井井田位于宁武煤田东南部边缘处，煤层赋存比较稳定，属低瓦斯矿井，采矿证批准开采面积8.567 2 km2，批采煤层为2～6号煤层，其中5号上、5号下、6号为可采煤层，煤种主要为1/3焦煤、肥煤。矿井备案地质储量8 483万t，其中5号上煤层5 176万t，5号下煤层2 101万t，6号煤层1 206万t。按照初步设计要求，现矿井开采煤层为5号上煤。矿井设计生产能力120万t/a，设计服务年限16.7 a。截止2018年底，5号上煤剩余可采储量1 813万t。井田地质及水文地质类型为中等，矿井实际正常涌水量为100 m3/h，最大涌水量为148 m3/h。绝对瓦斯涌出量为1.6 m3/min。煤的自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层，煤尘具有爆炸性。矿井现运行的防灭火系统以注氮系统为主，喷洒阻化剂为辅，采用束管系统监控有害气体。为保障后续工作面的安全高效生产，需设计合理有效的采空区防灭火措施，本文以5-407工作面为例，进行采空区遗煤自燃特性的研究，为采空区自然发火防治措施的制定提供可靠依据。

2 工作面煤自燃指标性气体研究

工作面回采后，采空区内将遗留一定量的煤体，煤在采空区内发生氧化反应将产生各种碳氧、碳氢等气体[1]，各类气体的浓度会随着煤的氧化程度、温度的变化而变化，因此可根据采空区各类气体的浓度变化判断采空区是否发生自燃。不同煤体氧化反应产生的气体差异性很大，为具体掌握晋北煤业5号上煤自燃产生各类气体的浓度变化规律，在实验室进行了5号上煤自燃标志性气体实验研究。实验系统如图1所示，实验过程：①在5-407工作面选取适量干燥煤样，采用塑料袋密封运送至实验室；②取出煤样，破碎、筛选得到合适粒径的煤样；③将适量煤样放置在程序控温箱的中心位置，检查各个仪器的性能及系统的气密性；④调节程序控温箱温度，加热煤样，观察分析仪记录结果。实验结果如图2所示。

图1 煤自然发火标志气体实验系统示意

由图2(a)可以看出，CO初始浓度为零，温度达到30 ℃时，出现CO，浓度为0.58×10-6，表明煤样开始发生氧化反应；煤样温度达到180 ℃时，CO浓度开始明显增大，表明此时煤样已进入迅速氧化阶段。由图2(b)知，CO2初始浓度为345.95×10-6，煤样温度达到175 ℃时，CO2浓度才开始明显增大，煤样初始氧化阶段CO2浓度无明显变化，根据煤体对CO2的吸附作用可知，CO2浓度的升高由两部分引起[2-3]，一是煤体脱附产生，二是煤样氧化反应产生，因此CO2浓度的变化并不能准确反应煤样的氧化阶段。由图2(c)可以看出，C2H4初始浓度为零，温度升到110 ℃时，开始出现C2H4，温度达到180 ℃左右时，C2H4浓度开始呈指数型增长，表明煤样进入迅速氧化阶段。由图2(d)可知，CH4、C2H6、C3H8随温度增大浓度变化最具规律性的为CH4，但CH4初始浓度并不是零，且煤样内吸附一定的CH4，因此这三种气体均不适合作为标志性气体。

图2 各类气体浓度变化规律

综上可知，晋北煤业5号上煤自然发火标志性气体为CO和C2H4，CO浓度开始变化表明煤体开始氧化反应，C2H4浓度开始变化表明煤体进入加速氧化阶段，CO或C2H4浓度开始迅速增大，表明煤体已进入开始氧化阶段，可认为此时采空区发生了自然发火。

3 采空区煤自燃“三带”现场实测研究

采空区遗煤自然发火需要具备温度、氧气浓度及遗煤等条件，根据各个因素的变化可将采空区划分为散热带、自燃带和窒息带[4]，散热带温度较低，不易出现自然发火，窒息带氧气浓度较低，不易出现自然发火，自燃带具有良好的漏风和蓄热条件，是采空区自然发火的重点区域。可根据氧气浓度进行采空区自燃“三带”的划分，当氧气浓度低于8%，该区域为窒息带；氧气浓度大于18%，该区域为散热带；氧气浓度位于8%至18%之间的区域为自燃带。为准确掌握5-407工作面采空区自燃“三带”的具体情况，采用束管监测系统和气相色谱仪分析测试系统相结合的方式，分析采空区内氧气浓度的变化规律，束管监测系统管路布置如图3所示，在5-407工作面胶带巷和回风巷内埋管，采样点由测试钢管、保护套管及抽采泵组成，每条巷道各设置两个采样点，采样点间距50 m。

图3 束管监测系统布置平面

井下束管监测系统连接地面气相色谱仪分析测试系统，当采样点进入采空区后，记录各采样点氧气的浓度及工作面日推进距离，整理得到氧气浓度随着采样点深入采空区深度的变化规律如图4所示。

图4 氧气浓度变化曲线

由图4可以看出，随着采样点逐渐深入采空区，胶带巷和回风巷侧氧气浓度均快速下降，胶带巷一侧采空区，初始氧气浓度为21.6%，采样点深入采空区57 m时，氧气浓度降至18%，随着工作面推进，氧气浓度持续降低，当采样点深入采空区156 m时，氧气浓度降至8%，采样点继续深入采空区，氧气浓度持续降低。回风巷一侧氧气浓度下降更快，深入采空区43 m以上时，氧气浓度下降到18%以下，深入采空区142 m以上时，氧气浓度降至8%以下。

4 采空区“三带”划分及工作面极限推进速度分析

4.1 “三带”划分

根据前面得到的采空区氧气浓度变化规律，可得5-407工作面采空区自燃“三带”的具体情况,见表1。

表1 5-407工作面采空区“三带”

5-407工作面采空区氧化自燃带范围为：胶带巷57～156 m，回风巷43～142 m，该区域内氧气浓度在8%～18%之间，氧气浓度适宜，且散热量小，具有良好的蓄热环境，是采空区防灭火的重点区域。

4.2 工作面的极限推进速度

采空区氧化自燃带遗煤出现自然发火现象需要一定的时间，保证遗煤位于氧化带的时间小于其自然发火期，将大大减小采空区火灾的隐患，因此可通过加快工作面推进速度来减小遗煤位于氧化带的时间，工作面最小推进速度计算公式[5]：

(1)

式中：Vmin为工作面极限推进速度，m/d；Lmax为采空区自燃氧化带宽度，m；Tmin为煤层最短发火期，d。

晋北煤业5-407工作面采空区氧化带宽度取156 m-43 m=113 m，5号上煤最短自然发火期为42 d，则计算可得工作面最小推进速度为2.7 m/d。

5 结 语

1) 晋北煤业5号上煤属于Ⅱ类自燃煤层，为掌握采空区遗煤自燃特性，进行了工作面煤自燃指标性气体研究，结果表明，CO和C2H4适合作为采空区自燃标志性气体。

2) 采用束管监测系统及气相色谱仪分析测试系统监测5-407工作面采空区氧气浓度，并据此划分采空区自燃“三带”，结果表明：采空区氧化自燃带范围为：胶带巷57～156 m，回风巷43～142 m。通过理论计算确定工作面推进的最小速度为2.7 m/d。研究结果为5号上煤层工作面防灭火技术设计提供可靠依据。