豹子沟矿煤层自然发火试验及自燃“三带”划分

张跃军

（山煤国际煤业分公司，山西 太原 030000 ）

1 工程概况

豹子沟煤业有限公司主采9+10+11煤层，平均厚度为5.2 m，顶板以致密的泥岩、粉砂岩、石灰岩为主，底板为性脆的泥岩、砂岩。矿井为低瓦斯矿井，最大绝对瓦斯涌出量为8.0 m3/min，最大相对涌出量为4.2 m3/t，回采面最大绝对瓦斯涌出量为3.8 m3/min。受沉积环境变化影响，9、10、11号3层煤层合并，即形成9+10+11号煤层，工作面采用综合机械化放顶煤采煤法整体回采9+10+11号煤层，全部垮落法管理顶板，采放比1:1。9号煤为1.25 m的特低灰分～高灰分、高硫分、高热值～特高热值的焦煤和肥煤。10+11号煤为约3.95 m的低灰～高灰、高硫、低热值～高热值、强粘结～特强粘结性的焦煤和肥煤。9+10+11号煤自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期81 d。矿井主要通风机的工作方法采用机械抽出式，10101工作面采用单进、单回的U型通风系统，如图1所示。工作面采用综放工艺，煤炭资源集约化生产，生产效率高，但采空区容易遗煤，遗煤的自燃问题成为影响矿井安全高效生产的关键[1-2]。

图1 10101工作面布置图

2 煤层常温封闭耗氧试验

煤层是否自燃满足的条件为：粉煤或碎煤是否有自燃倾向性、采空区是否漏风存在合适的氧气浓度、堆煤的蓄热环境是否适合以及时间是否够长。采空区的遗煤与氧气接触，发生氧化反应，产生的热量未能及时排出，温度逐渐升高加速煤氧作用，该过程循环发生，最终引起煤的自燃[3-4]。本文以豹子沟矿9#、10#、11#煤层首先取样进行常温封闭耗氧试验，旨在测试煤体在不同氧气浓度下耗氧的速度，来判断煤的自燃危险性。

本文采用中型煤样试验，利用如图2所示的煤样封闭耗氧试验装置进行试验，该装置包括恒温箱、密封罐、气泵、流量计、气路管、气体传感器和数据采集器等。使用电化学式气体检测仪，即O2气体传感器模块（范围为0%～30%）和CO气体传感器模块（范围为0～1000 ppm），用计算机驱动和数据采集模块控制整个过程。

图2 煤样封闭耗氧试验装置总体示意图

图3为9#、10#、11#三种煤样的封闭耗氧试验CO浓度与时间的关系图，三种煤样均在96 h内达到了气体浓度稳定。从图中可知，10#煤层生成CO浓度最慢，9#生成CO浓度最快，两者CO稳定的值分别为50 ppm、80 ppm。图4为9#、10#、11#三种煤样氧气浓度随时间的负指数的变化关系，与CO生成相对应。其中各煤样的氧浓度衰减率λc、体积耗氧速度常数γ0、氧气初始体积分数C0、封闭罐中煤氧化稳定氧浓度值Cb见表1。由决定耗氧能力的参数Cb、λc的值可知，10#煤层耗氧能力最大，其次是9#煤层，耗氧能力最弱是11#煤层。得出最终的结论为10#煤层自燃倾向性最大。

图3 三种煤样的CO浓度随时间变化对比

图4 煤样耗氧试验数据对比

表1 不同煤样的各种参数值

3 煤自然发火指标体系分析

3.1 标志性气体优选

CO作为预测煤层自然发火指标气体已得到广泛应用，但由于受到现场环境、风流大小、检测仪器等影响，CO产生量与煤温之间的变化关系不明确，时常时有时无不稳定，故需要派生气体指标进行分析[5]。试验结果表明，在三种煤的吸附气体中，没有C2H4气体组分，当9#、10#、11#煤层温度分别为225 ℃、220 ℃、220 ℃时，产生C2H4气体，与CO气体产生的初始温度相比，均有一个明显的时间差和温度差。C2H4出现后煤氧进入加速氧化阶段，当温度达到268 ℃左右时，出现C3H6气体，此时煤温迅速升高，气体浓度表现为突起的陡峰，为煤剧烈燃烧的表征。C2H4和C3H6气体浓度的变化对煤层自燃特征具有很重要的意义。另外随着煤温的升高，9#、10#、11#煤产生了C2H2气体，初始温度分别为323 ℃、419 ℃、317 ℃，与C3H6相比又有一个明显的温度差，C2H2气体的产生标志煤进入燃烧阶段。故C2H4、C3H6、C2H2可作为煤层自燃的标志性气体。

3.2 煤自然发火临界氧气浓度

煤自然发火临界氧气浓度是指使煤发生自燃和维持自燃的最低浓度值，它是采空区遗煤自燃治理的重要依据。通过给煤层煤样在不同氧气浓度下（本次试验氧气浓度分别为20.9%、10.0%和7.0%）气体产物、氧化热力学特征以及氧化动力学特性，可确定有效抑制各煤样自燃的最大氧气浓度。9#、10#、11#煤样试验表明：氧气浓度与煤氧化产物浓度呈正关系，氧气浓度降低，同一温度主要气体产物绝对浓度有降低趋势。当氧气浓度20.9%、煤样温度225 ℃时，C2H4气体产生，CO、C2H4气体迅速增加，浓度升高；氧气浓度降低至10.0%时，CO、C2H4气体增加速度有所减缓，但不能阻止；当浓度降低至7.0%时，CO、C2H4气体急剧减少，说明浓度为7.0%时有更大的抑制作用，另外浓度为7.0%时，煤氧化产物中未出现C2H2气体。

总之，当氧气浓度为20.9%、10.0%、7.0%时，煤样的氧化表现分别为明显激烈氧化阶段、较弱的氧化阶段、氧化阶段不明显，综合气体生成浓度规律，确定豹子沟煤矿煤样自然发火临界氧气浓度为7.0%。

4 采空区自燃“三带”划分

4.1 “三带”划分的数值模拟

采空区自燃“三带”一般划分为散热带、氧化带和窒息带。“三带”的准确划分对采空区自然发火防治有重要作用。利用COMSOL模拟软件可模拟工作面不同供风量时自燃“三带”的划分情况。以豹子沟矿10101工作面为研究背景，建立工作面长150 m×宽6 m、采空区长260 m×宽150 m的模型，如图5，模拟了工作面风量分别为16 m3/s、21 m3/s、26 m3/s时采空区自燃“三带”情况，模拟结果如图6。

图5 模型网络划分

图6 工作面不同风量采空区自燃“三带”情况

模拟结果可知，工作面不同风量时，氧化带起始位置即漏风速度0.004 m/s的等值线的位置接近，说明风量对其影响不大，但风量对氧气浓度7%等值线影响较大，随着风量的增大向深部转移。利用MIN-MAX方法优化，可确定10101工作面“三带”范围：0～27 m为散热带，27～74 m为氧化自燃带，大于74 m为窒息带。

4.2 现场监测

10101工作面采用束管监测技术对采空区进行自燃“三带”监测。现场监测结果表明：采空区进风侧至工作面距离27 m内，氧气浓度大于18%，距离27～72 m时氧气浓度在7%～18%之间，当距离大于72 m时，氧气浓度小于7%；采空区回风侧至工作面距离17 m内，氧气浓度大于18%，距离17～67 m时氧气浓度在7%～18%之间，当距离大于67 m时，氧气浓度小于7%。现场监测结果与数值模拟结果相近。

5 结论

通过豹子沟各煤层煤样试验可知C2H4、C3H6、C2H2可作为煤层自燃的标志性气体，同时得出了自然发火临界氧气浓度为7.0%，各煤层耗氧能力10#>9#>11#。通过数值模拟和现场监测标志性气体变化规律，得出该矿的自燃“三带”为0～27 m为散热带、27～74 m为氧化自燃带、大于74 m为窒息带。