李玉福

(神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 上灣煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

0 引言

我國煤炭資源豐富，井工開采工作方式占比較大，因地質(zhì)環(huán)境的影響，煤礦自燃事故頻發(fā)，不僅給井下生產(chǎn)帶來極大的安全隱患，也是對資源的一種浪費(fèi)。超大采高煤層工作面防滅火形勢更加嚴(yán)峻，因此，科學(xué)規(guī)劃超大采高煤層工作面自燃監(jiān)測及火災(zāi)預(yù)防措施是目前亟待解決的問題。

徐小馬[1]針對某大采高綜放工作面煤自燃問題，通過煤炭氧化實(shí)驗(yàn)確定了該工作面煤自燃過程中的氣體指標(biāo)，結(jié)合火災(zāi)束管監(jiān)測完成煤自燃早期預(yù)測工作。鄧軍等[2]圍繞某綜采工作面推進(jìn)慢的問題，分析了發(fā)火原因及治理難點(diǎn)，研究了封閉工作面水淹降溫技術(shù)，同時(shí)利用高分子膠體壓注、工作面上下端頭封堵等綜合措施，有效遏制住火區(qū)復(fù)燃及煤自燃，確保了該工作面的正常生產(chǎn)。陳明河[3]針對淺埋深大采高工作面采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重問題，通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬，結(jié)合參數(shù)指標(biāo)，確定工作面自燃“三帶”劃分結(jié)果，為制定有效的綜合防火措施提供了科學(xué)依據(jù)。

超大采高工作面煤自燃監(jiān)測數(shù)據(jù)包括氣體濃度、溫度等，研究方法包括實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測等?，F(xiàn)有研究大多未考慮各指標(biāo)之間的關(guān)系，研究手段及數(shù)據(jù)分析方法單一。針對該問題，本文以神華神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司上灣煤礦采高為8.8 m的12401工作面為例，采用現(xiàn)場煤自燃實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場觀測、數(shù)值模擬等方法，結(jié)合現(xiàn)場火災(zāi)防治數(shù)據(jù)，總結(jié)工作面煤自燃火災(zāi)過程中氣體濃度與溫度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為超大采高工作面煤自燃火災(zāi)防治提供技術(shù)支撐。

1 12401工作面概況及煤自燃監(jiān)測手段

上灣煤礦煤層埋深淺且可采煤層間距小，屬于煤層群開采[4-5]。12401工作面煤層屬于I類易自燃煤層，工作面巷道采用“兩進(jìn)一回”布局，兩進(jìn)風(fēng)巷之間的間隔為50～60 m，通過聯(lián)絡(luò)巷聯(lián)通[6]。在掘進(jìn)過程中不可避免地會破壞煤體的完整性，使煤柱出現(xiàn)裂隙，進(jìn)而形成漏風(fēng)通道，聯(lián)通多個(gè)相鄰的采空區(qū)[7-8]，導(dǎo)致發(fā)生煤自燃的危險(xiǎn)性增大。

12401工作面煤層最短自然發(fā)火期為35 d，工作面長度為299.2 m，推進(jìn)長度為5 291 m，推進(jìn)周期長，自燃危險(xiǎn)性大，工作面煤層厚度達(dá)11 m，采用一次性采全高的開采方式，采空區(qū)的進(jìn)、回風(fēng)巷和開切眼、終采線區(qū)域必然遺留大量浮煤，為本煤層自然發(fā)火創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)[9]。由于開采煤層埋深淺、煤層間距小、開采塌陷直通地表，采用負(fù)壓通風(fēng)方式，該煤層存在地表漏風(fēng)情況。若本煤層發(fā)生自燃，會影響下一煤層開采[10]，因此，有必要做好該工作面采空區(qū)自燃監(jiān)測和分析工作。

12401工作面已經(jīng)裝備了地面束管監(jiān)測系統(tǒng)、井下束管監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)和光纖測溫系統(tǒng)等獨(dú)立監(jiān)測系統(tǒng)。

(1) 地面束管監(jiān)測系統(tǒng)。采用16芯束管監(jiān)測系統(tǒng)，束管自監(jiān)控中心進(jìn)入主斜井至井下，在井下的工作面、采空區(qū)安裝束管和采樣頭，將井下監(jiān)測地點(diǎn)的氣體通過束管抽至地面氣相色譜儀中，對氣體的成分、濃度和變化趨勢進(jìn)行分析。系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)為CO，CO2，CH4，C2H4，C2H6，C2H2，O2，N2等氣體濃度。

(2) 井下束管監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對CO，CO2，O2，CH4等氣體濃度的24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測，抽采距離控制在2 km以內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)自動通過環(huán)網(wǎng)上傳至地面監(jiān)測中心，其測點(diǎn)布置與地面束管測點(diǎn)布置互相補(bǔ)充[11]。

(3) 安全監(jiān)控系統(tǒng)。選用KJ95X安全監(jiān)控系統(tǒng)，對井下采掘工作面瓦斯、CO濃度、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，在工作面上隅角、回風(fēng)巷口向里10～15 m處各設(shè)置一臺CO傳感器和一臺CH4傳感器，在工作面回風(fēng)流處設(shè)置溫度傳感器和風(fēng)速傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測CO濃度、CH4濃度、溫度和風(fēng)速。

(4) 光纖測溫系統(tǒng)。從開切眼處沿著兩巷道鋪設(shè)分布式測溫光纖，如圖1所示，每隔1 m布置1個(gè)測點(diǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測巷道溫度值，系統(tǒng)巡檢周期不大于15 s。

上灣煤礦12401工作面部署了4套與煤自燃火災(zāi)相關(guān)的監(jiān)測系統(tǒng)，但是各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系無法確定，導(dǎo)致日常煤自燃火災(zāi)隱患處置過程中，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)大多只起到參考作用，無法深入、具體地指導(dǎo)現(xiàn)場煤自燃火災(zāi)防治工作。

圖1 12401工作面煤自燃火災(zāi)測點(diǎn)布置

2 煤自燃實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場“三帶”實(shí)測

2.1 煤自燃實(shí)驗(yàn)

對12401工作面煤層煤樣進(jìn)行程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)。先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜?，然后用破碎機(jī)對其進(jìn)行破碎，并篩分出直徑為0.18～0.25 mm的50 g顆粒作為實(shí)驗(yàn)煤樣。向煤樣內(nèi)通入流量為50 mL/min的干空氣，在程序控溫箱控制下對煤樣進(jìn)行程序升溫[12]，設(shè)置程序控溫箱的初始溫度為30 ℃。當(dāng)程序控溫箱恒溫運(yùn)行10 min達(dá)到初始溫度穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，對煤樣進(jìn)行程序升溫，當(dāng)達(dá)到指定測試溫度時(shí)，保持溫度恒定5 min后取出氣樣進(jìn)行氣體成分和濃度分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如下。

(1) CO在30 ℃時(shí)開始出現(xiàn)，在70～80 ℃時(shí)CO濃度迅速上升，說明此時(shí)煤已經(jīng)開始迅速氧化，物理吸附越來越弱，化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)占據(jù)了主導(dǎo)位置，CO可作為指標(biāo)氣體。

(2) 煤炭低溫氧化過程中釋放的CO2和CH4濃度變化規(guī)律性不強(qiáng)，因此，CO2和CH4不能作為該煤層預(yù)測煤自燃的指標(biāo)氣體。

(3) C2H6在60 ℃開始出現(xiàn)，H2在110 ℃時(shí)開始出現(xiàn)，C2H4在100 ℃時(shí)開始出現(xiàn)，這3種氣體的生成量均隨煤溫的上升呈單一遞增關(guān)系。C2H2在30～220 ℃沒有出現(xiàn)，說明其出現(xiàn)時(shí)的溫度高于220 ℃，一旦有C2H2則表明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，因此C2H6，C2H4，C2H2，H2可作為輔助指標(biāo)氣體。

2.2 現(xiàn)場“三帶”觀測及分析

在距離12401工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)位置每隔50 m埋設(shè)4個(gè)束管采樣點(diǎn)(測點(diǎn))，監(jiān)測CO，O2體積分?jǐn)?shù)，如圖2所示。

(a) 1號束管采樣點(diǎn)

從圖2可看出，隨著測點(diǎn)與工作面的距離不斷增加，4個(gè)測點(diǎn)CO體積分?jǐn)?shù)先呈遞增趨勢，達(dá)到峰值后遞減，整體呈倒“U”形。2號、3號、4號測點(diǎn)分別推進(jìn)至距工作面75，96，125 m時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)峰值，分別為185×10-6，136×10-6，140×10-6，然后開始下降，距工作面200 m左右開始穩(wěn)定。各測點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)總體呈下降趨勢，2號測點(diǎn)的O2體積分?jǐn)?shù)在距工作面203 m左右下降到10%以下，4號測點(diǎn)的O2體積分?jǐn)?shù)在距工作面198 m時(shí)下降至9.6%，而1號、3號測點(diǎn)的O2體積分?jǐn)?shù)較高，分別在333，327 m時(shí)下降至11.57%，12.06%。

采空區(qū)自燃“三帶”一般按O2體積分?jǐn)?shù)來劃分，散熱帶內(nèi)由于漏風(fēng)充分，其O2體積分?jǐn)?shù)偏高，常取大于18%；窒息帶的O2體積分?jǐn)?shù)小于10%，氧化升溫帶的O2體積分?jǐn)?shù)為10%～18%。一般距工作面0～30 m為散熱帶，30～178 m為自燃帶，大于178 m為窒息帶。上灣煤礦12401工作面現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，采空區(qū)散熱帶+自燃帶長度約為200 m，采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)最大值為185×10-6。

3 采空區(qū)注氮數(shù)值模擬分析

3.1 采空區(qū)三維模型建立

根據(jù)上灣煤礦12401工作面實(shí)測參數(shù)，利用Ansys Workbench 中Fluent前處理軟件Design Modeler建立采空區(qū)三維模型?，F(xiàn)場注氮口和注氮位置和現(xiàn)場技術(shù)人員進(jìn)行了嚴(yán)格核實(shí)，符合實(shí)際情況。采空區(qū)走向長度為300 m，傾向長度為200 m[13-14]，自下而上分別設(shè)置為遺煤帶、冒落帶、斷裂帶。三維模型的基本參數(shù)見表1，松散煤體及巖體材料參數(shù)見表2，幾何模型如圖3所示。

表1 采空區(qū)三維模型基本參數(shù)

表2 松散煤體及巖體材料參數(shù)

模型解算設(shè)置中，設(shè)置組分為O2，N2及CO混合物。邊界條件：設(shè)置進(jìn)風(fēng)口和注氮口為速度入口，回風(fēng)口為自由出流，采空區(qū)為多孔介質(zhì)區(qū)域?？紫堵?、黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)及耗氧速率采用用戶自定義函數(shù)(User-Defined Functions,UDF)編程的方式編譯至解算程序進(jìn)行解算[15]。

圖3 上灣煤礦12401采空區(qū)幾何模型

3.2 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)及“三帶”分布規(guī)律

注氮前后采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)三維分布如圖4所示，采空區(qū)“三帶”變化如圖5所示，其中X為煤層走向長度，Y為工作面長度，Z為采空區(qū)高度。由圖4和圖5可知，注氮前，O2從進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入工作面，由于工作面和采空區(qū)之間不可避免地存在漏風(fēng)情況[15-17]，特別是在進(jìn)風(fēng)隅角處，有相當(dāng)一部分O2進(jìn)入到采空區(qū)，作為區(qū)分氧化升溫帶和窒息帶的10% O2體積分?jǐn)?shù)等值線深入至采空區(qū)約80 m；而回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)明顯較小，在深入采空區(qū)方向，O2體積分?jǐn)?shù)隨著與工作面距離的增大而逐漸減??；在垂直于采空區(qū)方向，由于O2摩爾質(zhì)量大于空氣，整體而言，越靠近底板處O2體積分?jǐn)?shù)越大。

(a) 注氮前

(a) 注氮前

向采空區(qū)高溫區(qū)域采用注氮措施后，采空區(qū)的漏風(fēng)流場受到干擾，進(jìn)而改變了采空區(qū)內(nèi)流體的運(yùn)移規(guī)律。注氮明顯改變了采空區(qū)內(nèi)O2分布，以注氮孔為中心，O2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)明顯的向四周增大趨勢，注氮前的窒息帶被劃分為2個(gè)部分，小部分O2因N2的擠壓作用進(jìn)入采空區(qū)深部，而大部分O2向工作面方向移動，大大減小了氧化升溫帶的寬度，惰化效果顯著。

3.3 采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)變化

注氮前后CO體積分?jǐn)?shù)變化如圖6所示。注氮前，由采空區(qū)內(nèi)異常區(qū)域涌出的CO氣體分布于整個(gè)采空區(qū)，受采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流擾動影響，明顯向回風(fēng)隅角處運(yùn)移，進(jìn)風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)小于回風(fēng)側(cè)。采取注氮措施后，CO聚集區(qū)域被注入N2分割為2個(gè)部分：靠近采空區(qū)深部的一部分面積較小，分布在160 m

3.4 采空區(qū)溫度場變化

注氮前后溫度場變化如圖7所示。由于煤體的導(dǎo)熱性較差，盡管采空區(qū)中心處溫度達(dá)800 K，但溫度擴(kuò)散范圍不大。采取注氮措施后，最高點(diǎn)溫度迅速降至305 K，有效控制了高溫火源區(qū)域的擴(kuò)大。

(a) 注氮前

(a) 注氮前

對多次模擬結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，得出最佳注氮量為1 000 m3/h。若注氮量過低，則惰化效果不佳；注氮量超過1 000 m3/h后，若繼續(xù)加大注氮量，對采空區(qū)“三帶”影響不大，但增加了注氮成本。

4 高溫異常區(qū)域注氮效果分析

12401工作面于2018-03-20開始回采，回采初期推進(jìn)速度較慢且工作面及“兩道兩線”(進(jìn)風(fēng)道、回風(fēng)道、始采線及終采線)遺留浮煤較多，截至2018-05-20工作面只推進(jìn)298 m。2018-05-25—06-20，溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，距離工作面當(dāng)前推進(jìn)位置60 m處兩巷道光纜有異常，尤其是進(jìn)風(fēng)側(cè)，最高溫度達(dá)到32.2 ℃，高溫異常區(qū)域O2體積分?jǐn)?shù)一直維持在20%以上，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸升高到100×10-6。

根據(jù)模擬結(jié)果，進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面50～70 m處溫度最高，與現(xiàn)場情況基本一致。為了及時(shí)消除火災(zāi)隱患，采用地面與井下一起注氮的方式降低火災(zāi)危險(xiǎn)性。按照模擬結(jié)果，井下注氮位置選取進(jìn)風(fēng)側(cè)聯(lián)絡(luò)巷，在距離工作面50～100 m的77聯(lián)絡(luò)巷采用井下注氮方式。地面注氮位置選取DM-1000鉆孔處，按照采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律模擬結(jié)果，在X=70 m，Y=100 m處進(jìn)行地面注氮。地面和井下注氮流量均為1 000 m3/h。

12401工作面火情關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢如圖8所示。5月25日開始在采空區(qū)高溫異常區(qū)域進(jìn)行地面注氮后，高溫異常區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)及溫度有逐漸下降的趨勢。6月12日再次注氮后，CO體積分?jǐn)?shù)迅速下降，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)切眼位置溫度下降到26 ℃左右，CO體積分?jǐn)?shù)下降到45×10-6左右。模擬結(jié)果驗(yàn)證了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。

圖8 12401工作面火情關(guān)鍵參數(shù)變化趨勢

5 結(jié)論

(1) 煤自燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO可作為預(yù)測煤炭自燃的指標(biāo)氣體，CO2和CH4不能作為指標(biāo)氣體，C2H6，C2H4，C2H2，H2可作為輔助指標(biāo)氣體。

(2) 現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，上灣煤礦12401工作面采空區(qū)散熱帶+自燃帶長度約為200 m，采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)最大值為185×10-6。

(3) 數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，采取注氮措施后，氧化升溫帶的寬度大大減小，CO體積分?jǐn)?shù)明顯降低，最高點(diǎn)溫度迅速下降，惰化效果顯著。

(4) 綜合煤自燃實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場“三帶”實(shí)測及數(shù)值模擬結(jié)果，確定注氮方式和位置，使高溫異常區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)及溫度逐漸下降，驗(yàn)證了注氮位置的合理性和注氮措施的有效性。