張躍軍

（山煤國(guó)際煤業(yè)分公司，山西 太原 030000 ）

1 工程概況

豹子溝煤業(yè)有限公司主采9+10+11煤層，平均厚度為5.2 m，頂板以致密的泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r為主，底板為性脆的泥巖、砂巖。礦井為低瓦斯礦井，最大絕對(duì)瓦斯涌出量為8.0 m3/min，最大相對(duì)涌出量為4.2 m3/t，回采面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為3.8 m3/min。受沉積環(huán)境變化影響，9、10、11號(hào)3層煤層合并，即形成9+10+11號(hào)煤層，工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法整體回采9+10+11號(hào)煤層，全部垮落法管理頂板，采放比1:1。9號(hào)煤為1.25 m的特低灰分～高灰分、高硫分、高熱值～特高熱值的焦煤和肥煤。10+11號(hào)煤為約3.95 m的低灰～高灰、高硫、低熱值～高熱值、強(qiáng)粘結(jié)～特強(qiáng)粘結(jié)性的焦煤和肥煤。9+10+11號(hào)煤自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期81 d。礦井主要通風(fēng)機(jī)的工作方法采用機(jī)械抽出式，10101工作面采用單進(jìn)、單回的U型通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1所示。工作面采用綜放工藝，煤炭資源集約化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，但采空區(qū)容易遺煤，遺煤的自燃問(wèn)題成為影響礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[1-2]。

圖1 10101工作面布置圖

2 煤層常溫封閉耗氧試驗(yàn)

煤層是否自燃滿足的條件為：粉煤或碎煤是否有自燃傾向性、采空區(qū)是否漏風(fēng)存在合適的氧氣濃度、堆煤的蓄熱環(huán)境是否適合以及時(shí)間是否夠長(zhǎng)。采空區(qū)的遺煤與氧氣接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的熱量未能及時(shí)排出，溫度逐漸升高加速煤氧作用，該過(guò)程循環(huán)發(fā)生，最終引起煤的自燃[3-4]。本文以豹子溝礦9#、10#、11#煤層首先取樣進(jìn)行常溫封閉耗氧試驗(yàn)，旨在測(cè)試煤體在不同氧氣濃度下耗氧的速度，來(lái)判斷煤的自燃危險(xiǎn)性。

本文采用中型煤樣試驗(yàn)，利用如圖2所示的煤樣封閉耗氧試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，該裝置包括恒溫箱、密封罐、氣泵、流量計(jì)、氣路管、氣體傳感器和數(shù)據(jù)采集器等。使用電化學(xué)式氣體檢測(cè)儀，即O2氣體傳感器模塊（范圍為0%～30%）和CO氣體傳感器模塊（范圍為0～1000 ppm），用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)采集模塊控制整個(gè)過(guò)程。

圖2 煤樣封閉耗氧試驗(yàn)裝置總體示意圖

圖3為9#、10#、11#三種煤樣的封閉耗氧試驗(yàn)CO濃度與時(shí)間的關(guān)系圖，三種煤樣均在96 h內(nèi)達(dá)到了氣體濃度穩(wěn)定。從圖中可知，10#煤層生成CO濃度最慢，9#生成CO濃度最快，兩者CO穩(wěn)定的值分別為50 ppm、80 ppm。圖4為9#、10#、11#三種煤樣氧氣濃度隨時(shí)間的負(fù)指數(shù)的變化關(guān)系，與CO生成相對(duì)應(yīng)。其中各煤樣的氧濃度衰減率λc、體積耗氧速度常數(shù)γ0、氧氣初始體積分?jǐn)?shù)C0、封閉罐中煤氧化穩(wěn)定氧濃度值Cb見(jiàn)表1。由決定耗氧能力的參數(shù)Cb、λc的值可知，10#煤層耗氧能力最大，其次是9#煤層，耗氧能力最弱是11#煤層。得出最終的結(jié)論為10#煤層自燃傾向性最大。

圖3 三種煤樣的CO濃度隨時(shí)間變化對(duì)比

圖4 煤樣耗氧試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

表1 不同煤樣的各種參數(shù)值

3 煤自然發(fā)火指標(biāo)體系分析

3.1 標(biāo)志性氣體優(yōu)選

CO作為預(yù)測(cè)煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體已得到廣泛應(yīng)用，但由于受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、風(fēng)流大小、檢測(cè)儀器等影響，CO產(chǎn)生量與煤溫之間的變化關(guān)系不明確，時(shí)常時(shí)有時(shí)無(wú)不穩(wěn)定，故需要派生氣體指標(biāo)進(jìn)行分析[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明，在三種煤的吸附氣體中，沒(méi)有C2H4氣體組分，當(dāng)9#、10#、11#煤層溫度分別為225 ℃、220 ℃、220 ℃時(shí)，產(chǎn)生C2H4氣體，與CO氣體產(chǎn)生的初始溫度相比，均有一個(gè)明顯的時(shí)間差和溫度差。C2H4出現(xiàn)后煤氧進(jìn)入加速氧化階段，當(dāng)溫度達(dá)到268 ℃左右時(shí)，出現(xiàn)C3H6氣體，此時(shí)煤溫迅速升高，氣體濃度表現(xiàn)為突起的陡峰，為煤劇烈燃燒的表征。C2H4和C3H6氣體濃度的變化對(duì)煤層自燃特征具有很重要的意義。另外隨著煤溫的升高，9#、10#、11#煤產(chǎn)生了C2H2氣體，初始溫度分別為323 ℃、419 ℃、317 ℃，與C3H6相比又有一個(gè)明顯的溫度差，C2H2氣體的產(chǎn)生標(biāo)志煤進(jìn)入燃燒階段。故C2H4、C3H6、C2H2可作為煤層自燃的標(biāo)志性氣體。

3.2 煤自然發(fā)火臨界氧氣濃度

煤自然發(fā)火臨界氧氣濃度是指使煤發(fā)生自燃和維持自燃的最低濃度值，它是采空區(qū)遺煤自燃治理的重要依據(jù)。通過(guò)給煤層煤樣在不同氧氣濃度下（本次試驗(yàn)氧氣濃度分別為20.9%、10.0%和7.0%）氣體產(chǎn)物、氧化熱力學(xué)特征以及氧化動(dòng)力學(xué)特性，可確定有效抑制各煤樣自燃的最大氧氣濃度。9#、10#、11#煤樣試驗(yàn)表明：氧氣濃度與煤氧化產(chǎn)物濃度呈正關(guān)系，氧氣濃度降低，同一溫度主要?dú)怏w產(chǎn)物絕對(duì)濃度有降低趨勢(shì)。當(dāng)氧氣濃度20.9%、煤樣溫度225 ℃時(shí)，C2H4氣體產(chǎn)生，CO、C2H4氣體迅速增加，濃度升高；氧氣濃度降低至10.0%時(shí)，CO、C2H4氣體增加速度有所減緩，但不能阻止；當(dāng)濃度降低至7.0%時(shí)，CO、C2H4氣體急劇減少，說(shuō)明濃度為7.0%時(shí)有更大的抑制作用，另外濃度為7.0%時(shí)，煤氧化產(chǎn)物中未出現(xiàn)C2H2氣體。

總之，當(dāng)氧氣濃度為20.9%、10.0%、7.0%時(shí)，煤樣的氧化表現(xiàn)分別為明顯激烈氧化階段、較弱的氧化階段、氧化階段不明顯，綜合氣體生成濃度規(guī)律，確定豹子溝煤礦煤樣自然發(fā)火臨界氧氣濃度為7.0%。

4 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

4.1 “三帶”劃分的數(shù)值模擬

采空區(qū)自燃“三帶”一般劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶?！叭龓А钡臏?zhǔn)確劃分對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火防治有重要作用。利用COMSOL模擬軟件可模擬工作面不同供風(fēng)量時(shí)自燃“三帶”的劃分情況。以豹子溝礦10101工作面為研究背景，建立工作面長(zhǎng)150 m×寬6 m、采空區(qū)長(zhǎng)260 m×寬150 m的模型，如圖5，模擬了工作面風(fēng)量分別為16 m3/s、21 m3/s、26 m3/s時(shí)采空區(qū)自燃“三帶”情況，模擬結(jié)果如圖6。

圖5 模型網(wǎng)絡(luò)劃分

圖6 工作面不同風(fēng)量采空區(qū)自燃“三帶”情況

模擬結(jié)果可知，工作面不同風(fēng)量時(shí)，氧化帶起始位置即漏風(fēng)速度0.004 m/s的等值線的位置接近，說(shuō)明風(fēng)量對(duì)其影響不大，但風(fēng)量對(duì)氧氣濃度7%等值線影響較大，隨著風(fēng)量的增大向深部轉(zhuǎn)移。利用MIN-MAX方法優(yōu)化，可確定10101工作面“三帶”范圍：0～27 m為散熱帶，27～74 m為氧化自燃帶，大于74 m為窒息帶。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

10101工作面采用束管監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行自燃“三帶”監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)至工作面距離27 m內(nèi)，氧氣濃度大于18%，距離27～72 m時(shí)氧氣濃度在7%～18%之間，當(dāng)距離大于72 m時(shí)，氧氣濃度小于7%；采空區(qū)回風(fēng)側(cè)至工作面距離17 m內(nèi)，氧氣濃度大于18%，距離17～67 m時(shí)氧氣濃度在7%～18%之間，當(dāng)距離大于67 m時(shí)，氧氣濃度小于7%?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近。

5 結(jié)論

通過(guò)豹子溝各煤層煤樣試驗(yàn)可知C2H4、C3H6、C2H2可作為煤層自燃的標(biāo)志性氣體，同時(shí)得出了自然發(fā)火臨界氧氣濃度為7.0%，各煤層耗氧能力10#>9#>11#。通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)標(biāo)志性氣體變化規(guī)律，得出該礦的自燃“三帶”為0～27 m為散熱帶、27～74 m為氧化自燃帶、大于74 m為窒息帶。