羊场湾大采高易自燃工作面CO分布规律研究*

秦汝祥，陈国栋，骆大勇,侯树宏，田文雄

(1.煤炭安全精准开采国家地方联合工程研究中心，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大学 安全学院，安徽 淮南 232001；3.重庆工程职业技术学院，重庆 402260；4.宁夏煤业公司 羊场湾煤矿，宁夏 灵武 751410)

0 引言

煤氧化产生CO已成为共识[1-6]，国内外学者从氧化过程中煤的表面活性结构、煤的脱附作用、不同温度阶段CO产生速率及氧化热效应等方面对煤氧化产生CO的机理进行研究，其中煤氧复合理论被学者们所认同。研究表明煤与氧发生复合反应，放出并积累热量，最终引起煤的自燃。该过程主要包括煤对氧的物理吸附、化学吸附和化学反应3个阶段，它是1个缓慢地自动氧化、放热、升温，最后引起燃烧的过程，该过程中的主要气体产物是CO和CO2[7-11]。文虎等[12]、葛玲梅等[13]通过煤的表面分子结构模型探讨和利用峰值拟合手段与红外差减光谱，分析得出煤中的4种桥键(—CH2OH—,—O—CH2—,—CHR—CH2—,—CH3—)和3种侧链(—CH2—OH,CH3—O—,—CHO)能在常温下与氧复合产生CO，CO2。李增华[14]认为煤破碎产生的裂隙会造成煤分子的断裂，从而产生存在于煤颗粒表面或煤内部新生成的裂隙表面的自由基并与氧气发生反应生成 CO。

我国宁夏、内蒙和甘肃等地区开采易自燃煤层时，普遍存在工作面上隅角CO体积分数超限问题，有关学者对煤炭开采过程中CO来源进行了研究[15-16]。有学者通过试验和构建数学模型分析得出CO主要由采空区浮煤氧化、采煤过程煤体破碎、煤壁氧化产生，且工作面风量与开采参数会影响CO的产生量，为采空区遗煤氧化创造条件[17-22]。王连聪等[23]、樊九林[24]开展现场试验和实验室研究，得出煤层中含有原生CO。

采空区的自燃状况可以通过分析CO的体积分数分布进行评判[25-27]。王家学等[28]采用模拟分析方法，得出王台矿XV2304工作面采空区CO体积分数先随采空区深度的增加而上升，到达峰值后又下降。吴玉国等[29]分析塔山矿8202工作面连续注氮前后采空区CO变化规律得出采用综采放顶煤技术开采特厚、大采高、易自燃煤层时，综采工作面回风流中常出现一定体积分数的CO。

当前对工作面CO体积分数超限问题的研究，学者们关注点是煤低温氧化程度与CO产生量之间的关系，采取的研究方法包括实验室实验、现场考察和数值计算，关注点也主要是工作面上隅角。已有文献中鲜见对不同时段和不同工序下工作面CO体积分数分布特征的研究。本文在试验工作面沿走向和倾向布置测点，对不同工序和不同时段下CO体积分数进行测试；同时对试验工作面的采空区不同位置的气体进行取样分析，绘制采空区CO体积分数等值线分布图。基于对不同位置的CO进行全天检测，能够更准确地探究CO的主要来源与体积分数分布。研究结果对分析工作面CO来源及准确判定大采高易自燃煤层开采过程中煤自燃状况具有重要意义。

1 试验工作面概况

研究地点为神华宁夏煤业羊场湾矿一分区，试验对象为16采区160205工作面。开采煤层2号煤层为Ⅰ类易自燃煤层，最短自发火期为23 d，煤层挥发份Vdaf=27.57%，可爆，爆炸性火焰长度大于400 mm。工作面南为切眼，邻近DF14断层；北以16采区北翼辅运巷为界；其东间隔26.5 m区段煤柱，为相邻浅部已采160203采空区，其西抵近DF29断层，为该煤层深部原始未采动区域。工作面上部为平均厚度1.61 m的1号煤层。

160205工作面走向长为1 100 m，倾斜长180 m，煤层厚度7.91～8.26 m，平均厚度8.1 m；倾角14°～34°，平均倾角24°。工作面直接底为厚度12 m的粉砂质泥岩，伪顶为0.4 m灰质泥岩，直接顶为4.9 m粉砂质泥岩，基本顶为22.54 m中粒砂岩和3.3 m粉砂岩。该工作面为综放工作面。

2 试验工作面CO分布测试与分析

2.1 试验工作面CO分布测试方案

为准确反应160205工作面CO体积分数分布规律，分别测试早班、中班和夜班不同时间段，沿工作面倾向和走向方向的CO体积分数，同时测试工作面机巷和风巷的CO体积分数。沿倾向布置4个测试位置：1号距离机巷3.5 m，2号距离机巷99.75 m，3号距离风巷26.25 m和4号距离风巷5.5 m。

沿工作面走向方向，从煤壁到架后采空区之间每间隔0.5 m布置1个测点，每个测点的高度距离顶板0.4 m。各个测点位置如图1所示。

图1 160205试验工作面测点位置Fig.1 Locations of measuring points in 160205 test working face

2.2 测试结果及分析

测试在每班开始前进行，实测结果可以表示前1班结束时CO体积分数，能够体现不同工序对CO涌出量的影响。测试时间为2020年8月18日至2020年9月9日，共进行4次测试，4次测试结果反应的工作面CO体积分数分布规律相同，其中2020年9月9日测试结果见表1～3。从测试结果可以看出：

表1 工作面CO体积分数测试结果(夜班、生产)Table 1 Test results of CO volume fraction in working face (night shift,production)

1)工作面进风巷侧1号测试位置在早班、中班和夜班均未检测出CO；2，3和4号测试位置在各个时段均检测出CO。

表2 工作面CO体积分数测试结果(早班、生产)Table 2 Test results of CO volume fraction in working face (morning shift,production)

表3 工作面CO体积分数测试结果(中班、检修)Table 3 Test results of CO volume fraction in working face (noon shift,maintenance)

2)沿工作面推进方向，CO体积分数逐渐升高，沿工作面风流流动方向，CO体积分数逐渐升高，至上隅角位置体积分数达到最高且最高值所在位置距离工作面煤壁最远。

3)生产班和检修班对工作面CO涌出有一定的影响，检修班期间工作面CO涌出量约为生产班的1/2。

沿工作面煤壁到架后采空区方向CO体积分数逐渐升高，这是由于顶煤氧化产生。往采空区方向，支架顶梁高度降低，顶煤变形空间增大，煤炭破碎程度加大，与O2接触面加大，对空气接触更为充分，加剧了煤的低温氧化过程，产生更多的CO。检修班结束时，煤壁CO体积分数仅为生产班结束时体积分数的1/2，表明羊场湾160205工作面割煤时存在破碎煤体产生CO的可能。由于羊场湾160205综放工作面采放比为1∶1.25且采空区方向为高体积分数CO区域，表明工作面开采引起的采动应力对顶煤的破坏以及放煤作业会引起CO涌出。

3 试验采空区CO分布测试与分析

3.1 试验采空区CO分布测试方案

采空区留有大量遗煤，在架后漏风作用下，遗煤氧化会释放CO。为研究架后漏风对采空区遗煤氧化的影响，通过布置测试系统，测试采空区CO体积分数分布。

采空区CO体积分数分布测试和采空区自燃“三带”范围测试同步进行，通过布置束管，对采空区不同位置的气体进行取样分析，试验方案采用静态布置束管，随着工作面的推进，测试不同深度位置的采空区CO体积分数。测试系统布置如图2所示。

图2 自燃“三带”测试系统Fig.2 Test system for “three belt”of spontaneous combustion

3.2 测试结果及分析

图3为采空区CO体积分数分布图，坐标原点为工作面下隅角。图4为采空区CO体积分数等值线。从测试结果可以看出：

图3 采空区CO体积分数分布Fig.3 Distribution of CO volume fraction in goaf

图4 采空区CO体积分数等值线Fig.4 Contour of CO volume fraction in goaf

1)高体积分数CO主要分布在工作面倾向100～180 m、走向0～15 m处和倾向120～180 m、走向30～100 m处的2个区域。

2)近采空区CO呈现出向回风侧运移的趋势。

3)进风侧到回风侧CO体积分数逐渐增大，上隅角处达到最大。

4)在回风巷，越靠近煤壁CO体积分数越高。

工作面开采初期未形成氧化带前，采空区存在少量CO，采用综采放顶煤技术开采特厚、大采高、易自燃煤层时，综采工作面回风流中常出现一定体积分数的CO[29]，造成第1个高体积分数CO区域。大采高综采过程中工作面上、下平巷留有少量顶煤，易自燃煤层采空区通常会遗留连续的松散煤堆且煤层厚度变化较大[26]。在综采工作面推进的过程中，氧化带范围变大，采空区浮煤量增多，顶板冒落的岩石由近采空区的松散堆积状态到中部采空区的冒落岩块逐渐压实，孔隙率降低，供氧适宜，在架后漏风作用下，遗煤与氧气发生反应产生CO，且漏风作用减小，氧化产生的CO难以被稀释，造成第2个高体积分数CO区域。羊场湾160205工作面开采的2号煤层为易自燃煤层，进入深部采空区后，漏风量更小，氧浓度低于4%，遗煤因缺氧不能发生氧化，CO未能保持氧化带内的高体积分数而出现了降低现象。

羊场湾2号煤层风巷侧采空区深度30～100 m处的CO高体积分数区域是判定采空区遗煤自燃状况的关键区域，自然发火期内，在正常回采期间，只要保持推进至窒息带的距离即可保证采空区内遗煤不发生自燃。

4 结论

1)采用综采放顶煤技术开采大采高、易自燃煤层时，采空区通常会遗留连续的松散煤堆，综放工作面的回风流中会出现一定体积分数的CO。

2)沿工作面推进方向，CO体积分数逐渐升高，沿工作面风流流动方向，CO体积分数逐渐升高，至上隅角位置体积分数达到最高且最高值所在位置距离工作面煤壁最远。

3)割煤作业煤体破碎时会释放CO，往采空区方向，支架高度降低，顶煤变形空间增大，会加剧煤的低温氧化过程。

4)近采空区CO体积分数由进风侧到回风侧逐渐增大，到上隅角处达到最大。

5)针对大采高易自燃煤层的综放开采工艺，煤自燃状态的判定应分为采空区和顶煤2个区域深入开展研究，从试验工作面的研究结果看，深度30～100 m处的CO高体积分数区域是判定采空区遗煤自燃状况的关键区域。