李國(guó)為

(1.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神南礦業(yè)公司，陜西 神木 719300；2.煤炭綠色安全高效開采國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心神南分中心，陜西 神木 719300)

0 引言

煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)是以實(shí)驗(yàn)室煤自燃基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用技術(shù)。根據(jù)煤自燃過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的各種現(xiàn)象，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域及煤自燃發(fā)展階段進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，從而為制定相應(yīng)的煤自燃火災(zāi)防治技術(shù)方案提供依據(jù)。其中自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域判定主要指采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定[1-2]。煤自然發(fā)火發(fā)展階段預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)分為地面色譜束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和井下傳感器型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2種類型。煤自燃早期的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可以及早采取防滅火措施，將自然火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，以免造成嚴(yán)重后果。

1 礦井概況

1.1 井田概況

張家峁井田位于陜西省榆林市神木市北部，井田距神木市約36 km，井田面積51.98 km2，開采深度由1 170 m至910 m標(biāo)高。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力6.0 Mt/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為71.57 a，核定生產(chǎn)能力為10.0 Mt/a。井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)，含可采和局部可采煤層共有7層，分別為2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2、5-3號(hào)煤層。礦井采用平硐開拓，3條大巷均布置在5-2煤層中。目前，礦井布置二個(gè)生產(chǎn)水平，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法、綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，掘進(jìn)方法為綜合機(jī)械化掘進(jìn)工藝。

1.2 現(xiàn)有防滅火設(shè)施

目前礦井的防滅火設(shè)施主要有：束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、井下移動(dòng)式制氮系統(tǒng)(600 m3/h)、阻化液噴灑系統(tǒng)、羅克休材料封堵密閉材料。2套井下移動(dòng)式注漿(膠)系統(tǒng)，注漿能力分別為5 m3/h和10 m3/h。

1.3 煤層自燃傾向性

2013年8月，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司依據(jù)《煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法》(GB/T20104-2006)和《煤的真相對(duì)密度測(cè)定方法》(GB/T217-2008)分別對(duì)2-2、3-1、4-2和5-2煤層煤樣自燃傾向性進(jìn)行了鑒定，各煤層最短自然發(fā)火期分別為33 d、32 d、65 d和35 d，本次以5-2煤層作為研究對(duì)象，分析采煤工作面最小日推進(jìn)度及自然發(fā)火指標(biāo)氣體和臨界值。

2 自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)施方案

2.1 工作面束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

束管布設(shè)路徑：礦井采用8芯束管，束管路徑從束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硐室(測(cè)試室)經(jīng)工作面回風(fēng)巷到達(dá)工作面采空區(qū)，布設(shè)路徑為：井下氣體采樣分析柜(硐室)→5-2煤大巷→15201工作面回風(fēng)巷→工作面上隅角→工作面采空區(qū)。真空泵、氣體采樣分析柜和控制箱全部布置在井下硐室內(nèi)。

束管采樣頭布設(shè)：在15201工作面前方回風(fēng)巷中沿巷道底板靠近保護(hù)煤柱煤壁處布設(shè)一趟8芯束管，沿回風(fēng)巷向外每隔50～80 m設(shè)置一個(gè)采樣頭。以上采樣頭一旦進(jìn)入采空區(qū)即開始取氣分析，直至采樣頭取樣分析結(jié)果表明該位置已經(jīng)進(jìn)入窒熄帶，或因?yàn)楣苈繁辉覕嗟仍驅(qū)е路治鰯?shù)據(jù)無(wú)意義為止，束管采樣頭布設(shè)位置如圖1所示。另外，該礦井回采工作面都按兩進(jìn)一回設(shè)計(jì)工作面通風(fēng)方式，所以可以在膠帶運(yùn)輸巷和輔助運(yùn)輸巷之間的密閉墻內(nèi)，通過(guò)密閉墻的觀測(cè)孔采集采空區(qū)內(nèi)氣體化驗(yàn)分析，得到采空區(qū)煤層自燃變化情況，增加分析的準(zhǔn)確性、代表性。

圖1 束管采樣頭布設(shè)圖

采樣頭連接：束管采樣頭與套管必須密封連接，防止抽取到套管內(nèi)氣體(密封段可采用聚氨酯材料密封)，附近應(yīng)用大塊矸石或木跺防護(hù)，以防止浮煤、水、泥漿堵管，采樣頭連接如圖2所示。

圖2 采樣頭連接示意圖

2.2 CO傳感器設(shè)置及人工檢測(cè)

CO傳感器設(shè)置：①CO傳感器應(yīng)垂直懸掛在巷道上方風(fēng)流穩(wěn)定的位置，距頂板(頂梁)不得大于300 mm，距巷壁不得小于200 mm，應(yīng)安裝在維護(hù)方便、不影響行人和行車的地點(diǎn)；②工作面回風(fēng)巷必須設(shè)置CO傳感器，CO報(bào)警濃度為0.002 4%；③帶式輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)10～15 m處應(yīng)設(shè)置CO傳感器，CO報(bào)警濃度為0.002 4%；④自燃觀測(cè)點(diǎn)、封閉火區(qū)防火墻柵欄外也宜設(shè)置CO傳感器，CO報(bào)警濃度為0.002 4%；⑤采區(qū)回風(fēng)巷、一翼回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷應(yīng)設(shè)置CO傳感器，CO報(bào)警濃度為0.002 4%。

人工檢測(cè)：每天3班，每班使用便攜儀測(cè)定工作面、上隅角、進(jìn)回風(fēng)巷中的O2、CH4、CO濃度和溫度，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)告，以便及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處理。檢測(cè)到CO異常情況時(shí)，使用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并人工取樣到地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行色譜分析。

3 15201工作面自燃“三帶”的劃分

3.1 工作面自燃“三帶”劃分方案確定

采空區(qū)遺煤自燃必須要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產(chǎn)生的熱量得以積聚；要有足夠的氧氣濃度能使浮煤產(chǎn)生足夠的氧化熱以提供煤體升溫所需熱能；漏風(fēng)強(qiáng)度不能過(guò)大，以免產(chǎn)生的熱量讓風(fēng)流帶走。

根據(jù)張家峁煤礦5-2煤層屬于容易自燃中厚煤層的特點(diǎn)，參考國(guó)內(nèi)外的一些劃分依據(jù)，結(jié)合15201工作面推進(jìn)速度快，綜合分析采空區(qū)一氧化碳、甲烷、二氧化碳?xì)怏w、溫度、距離地表深度、通風(fēng)、漏風(fēng)情況等，確定采用氧氣來(lái)作為劃分采空區(qū)煤炭氧化自燃“三帶”的指標(biāo)氣體。

氧氣濃度具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為：散熱帶的氧氣濃度大于18%；氧化升溫帶的氧氣濃度10%～18%；窒熄帶的氧氣濃度小于10%。

3.2 采空區(qū)浮煤分布

15201工作面采用一次采全高，單一走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化采煤法，全部跨落法處理頂板，推進(jìn)方式為后退式，采空區(qū)所丟浮煤量較少，除了回風(fēng)巷、膠帶運(yùn)輸巷所處位置丟煤較多外，其他空間丟煤少。按煤層平均厚度為5.5 m，采高為5.3 m，煤層垮落后的空隙為0.3，則得到工作面采空區(qū)最厚的浮煤厚度為1.56 m，最薄的浮煤厚度為0.26 m。采空區(qū)浮煤大致區(qū)域分布如圖3所示。

圖3 采空區(qū)浮煤厚度區(qū)域分布示意圖

3.3 數(shù)據(jù)分析

15201工作面進(jìn)行自燃“三帶”所觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)見表1。依據(jù)散熱帶的氧氣濃度大于18%、氧化升溫帶的氧氣濃度為10%～18%、窒熄帶的氧氣濃度小于10%，而浮煤厚度h≤0.3m處的采空區(qū)都劃為散熱帶或窒熄帶[3]，依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，即得到15201工作面采空區(qū)浮煤自燃“三帶”，見表2和如圖4所示。

3.4 劃分結(jié)果

根據(jù)采空區(qū)浮煤劃分標(biāo)準(zhǔn)，和上限漏風(fēng)強(qiáng)度學(xué)說(shuō)，從而確定了該面的采空區(qū)自燃“三帶”。15201工作面采空區(qū)的氧化升溫帶僅分布在進(jìn)、回風(fēng)巷兩道，每處的寬度約在7 m左右；而其他區(qū)域，由于浮煤厚度普遍只有0.26 m或氧氣濃度過(guò)低(小于10%)，因此，其他區(qū)域?yàn)樯釒Щ蛑舷◣А＞唧w情況如圖4所示。

表1 采空區(qū)所測(cè)得的數(shù)據(jù)表

表2 采空區(qū)自燃“三帶”范圍表

圖4 采空區(qū)浮煤自燃“三帶”劃分結(jié)果圖

3.5 15201工作面極限推進(jìn)速度確定

綜采工作面采空區(qū)散熱帶到采空區(qū)窒熄帶的最大距離(即氧化升溫帶最大寬度)Lmax=180 m。依據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果，5-2煤的最短自然發(fā)火期35 d，可知采空區(qū)可能發(fā)生自燃的工作面極限推進(jìn)速度為

因此，當(dāng)采煤工作面的推進(jìn)速度大于5.14 m/d時(shí)，采空區(qū)無(wú)自然發(fā)火危險(xiǎn)；當(dāng)工作面連續(xù)超過(guò)35 d推進(jìn)速度均小于5.14 m/d，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。

而工作面實(shí)際日平均推進(jìn)速度為7～8 m/d，大于5.14 m/d，因此在正?；夭蓷l件下，不會(huì)引起15201工作面采空區(qū)浮煤自燃。

3.6 15201工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分評(píng)價(jià)

工作面漏風(fēng)：散熱帶內(nèi)浮厚度大于0.3 m和氧氣濃度大于18%的長(zhǎng)度在160～170 m，在這一寬度范圍內(nèi)，按實(shí)際工作面的推進(jìn)度為7～8 m/d計(jì)算，停留時(shí)間較長(zhǎng)，工作面推進(jìn)20～24 d后，采空區(qū)浮煤才進(jìn)入氧化升溫帶；這也說(shuō)明了該工作面漏風(fēng)特別嚴(yán)重，給防滅火工作帶來(lái)難題。

浮煤容易自燃：氧化升溫帶寬度為170～180 m，在這一寬度范圍內(nèi)，氧氣濃度為10%～18%，浮煤厚度大于0.3 m，屬于浮煤容易自燃區(qū)域。因?yàn)樵搮^(qū)域既有充足的供氧條件，又有適宜的漏風(fēng)強(qiáng)度和浮煤厚度，從而具備良好的蓄熱環(huán)境，使該區(qū)域的浮煤容易自燃。而按實(shí)際工作面的推進(jìn)度為7～8 m/d計(jì)算，該區(qū)域停留時(shí)間較長(zhǎng)，停留時(shí)間為23～26 d。

浮煤散失自燃：當(dāng)工作面推進(jìn)超過(guò)350 m后，各測(cè)點(diǎn)氧氣濃度均下降到10 %以下，采空區(qū)浮煤才進(jìn)入氧化窒熄帶，在氧化升溫帶已氧化發(fā)熱的浮煤進(jìn)入窒熄帶后，由于氧氣濃度的降低，氧化速度銳減，產(chǎn)生的熱量低于浮煤向環(huán)境散發(fā)的熱量，最終使浮煤不能集聚熱量，散失自燃可能，直到窒熄。

地表風(fēng)流影響：老頂為互層狀的粉砂巖與細(xì)粒砂巖，深灰色厚層狀，緩坡狀及小型交錯(cuò)層理，底部含有植物葉片化石，含白云母碎片，厚26.5～75 m。頂板巖石抗壓強(qiáng)度平均為23.1 MPa，屬不穩(wěn)定型～較穩(wěn)定型。因此，采空區(qū)頂板垮落時(shí)，冒落的頂板壓實(shí)程度較差，給工作面漏風(fēng)提供了通道。同時(shí)，工作面所回采煤層到地表距離僅在60～220 m之間，工作面回采后，裂隙直通地表，受礦井負(fù)壓通風(fēng)影響，使地表風(fēng)流能通過(guò)裂隙直接向工作面漏風(fēng)，增加了采空區(qū)的漏風(fēng)量，從而加寬了采空區(qū)的浮煤自燃的散熱帶和氧化升溫帶的寬度。

3.7 5-2煤層自然發(fā)火指標(biāo)性氣體和臨界值

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室所測(cè)得的各煤層最短自然發(fā)火期、篩選的煤自燃指標(biāo)氣體[4-6](CO、C2H4)和工作面現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得的采空區(qū)自燃“三帶”等防滅火基礎(chǔ)參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置和檢測(cè)、CO傳感器設(shè)置和檢測(cè)、人工檢測(cè)和工作面煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)管理，建立了煤自然發(fā)火分級(jí)預(yù)警體系，完善了礦井煤層自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系。

在30～130 ℃之間，可以選擇CO作為該溫度段內(nèi)的標(biāo)志氣體；在120～200 ℃之間，可以選擇烯烴作為該溫度段內(nèi)的標(biāo)志氣體指標(biāo)。

4 結(jié)論

(1)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)對(duì)防治礦井內(nèi)火災(zāi)至關(guān)重要，利用自然發(fā)火指標(biāo)性氣體來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)要注意其實(shí)用性、及時(shí)性和可靠性，特別是指標(biāo)氣體的選擇和臨界值的確定，必須根據(jù)礦井的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)各種煤樣做大量的分析實(shí)驗(yàn)，來(lái)選擇適合的指標(biāo)氣體，確定其臨界值。

(2)在30～130 ℃之間，可以選擇CO作為該溫度段內(nèi)的標(biāo)志氣體。當(dāng)通風(fēng)量變化不大的情況下，CO濃度上升到日常量1倍時(shí)，說(shuō)明自燃煤炭的溫度已經(jīng)達(dá)到90 ℃左右。特別注意的是只要發(fā)現(xiàn)井下CO持續(xù)存在且濃度是不斷增加的，就是煤炭自燃的征兆。

(3)在120～200 ℃之間，可以選擇烯烴作為該溫度段內(nèi)的標(biāo)志氣體指標(biāo)。由于C2H4的靈敏度較高，準(zhǔn)確性較好，一般來(lái)說(shuō)只要檢測(cè)到C2H4，便可以判定自然發(fā)火進(jìn)入了加速氧化階段。