束管监测系统在煤层自燃预测预报中的应用

2021-05-19张剑青

江西煤炭科技 2021年2期

张剑青

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西古交 030203）

1 矿井概况

镇城底矿井田位于西山煤田的西北边缘，地处山西省古交市。22208综采工作面井下位于南二采区，北为22207工作面（现采），西邻22206回采工作面（已采），北东接南二采区回风巷、皮带巷、轨道巷，南西为南翼上组轨道巷(现掘)、皮带巷、回风巷，其他为未采区。22208工作面所采煤层为2、3号煤，煤层稳定，煤层厚度平均为3.4 m，煤层倾角平均7°。煤尘有爆炸危险性，煤的自然发火倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。22208工作面本煤层回采时绝对瓦斯涌出量为5.7 m3/min，邻近层绝对瓦斯涌出量为2.53 m3/min。

2 煤层自燃标志性气体实验研究

煤样选自镇城底矿2号煤层22208综采工作面。煤自然发火气体产物模拟实验装置流程见图1，由各项设备组装而成。煤样选取重量1 g、粒度100目的试验样品，取样间隔20 min/次，试验条件为供气流量100 cm3/min。

图1 煤自然发火气体产物模拟实验装置流程

煤自燃一般分为三个阶段：缓慢氧化阶段、加速氧化阶段以及激烈氧化阶段。若采用CO单一指标进行预测预报，将导致在某些阶段可靠性降低；因此，应探索其他以烯烃和烷烃气体作为指标气体进行辅助预测[1-2]。

实验过程中对所收集的2号煤层煤样进行升温氧化实验，根据实验所得的数据对气体成分、浓度和标志性气体进行详细分析。煤样实验过程中的气体生成情况进行分析可得其浓度变化趋势见图2、图3。

图2 煤样CO和CO2变化趋势

图3 煤样CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C2H2变化趋势

通过上述煤样实验，可以得到以下结论：

（1）CO出现临界温度在38℃～193℃。

（2）C2H4和C3H6出现临界温度为225℃和244℃，C2H4出现表示煤进入加速氧化阶段，C3H6的出现表示煤进入激烈氧化阶段。

（3）在煤的氧化过程中，也会产生少量的C2H2，出现临界温度为323℃，此时已进入完全燃烧阶段。

3 束管监测系统

3.1 束管监测系统建立

束管监测系统由矿用色谱仪、束管系统、采集系统组成。地面设置气体分析中心，束管从地面铺设至井下采空区，采用气泵采集采空区气体，采用矿用色谱仪进行分析，实时测定各测点的气体组分浓度。束管监测系统主要由地面气体分析中心和井下束管取样系统组成[3]。

气体分析中心组成：

（1）真空泵，通过气体取样控制装置汇接总管缆，将各监测取样点的气体抽至气体分析中心的分析仪器。

（2）气体取样控制部件，巡回取样，逐点分析。

（3）专用气相色谱分析仪，仪器由微机自动控制，可实现各点间不间断循环采样分析。实现煤矿气体全组分的自动分析，矿井空气、火灾气体、瓦斯爆炸气体的常量（%浓度）及微量（ppm浓度）组分的分析。分析常量：O2、N2、CH4、CO2；微量：CO、C2H4、C2H6、C2H2。

井下采集气体部分组成：采样器、过滤器、束管。

井下工作面开切眼形成后，将采样器及束管铺设至井下，采样器用木垛保护起来，束管用2号无缝钢管保护，沿工作面两巷进行铺设，连接到地面气体分析中心，开启气泵后，将采空区气体输送至色谱仪，分析气体成分。

3.2 束管铺设方案

束管监测系统建成后，可采集大范围的气体至气体分析中心，在没有布置束管采样点的范围内，可采用人工气囊取样送至分析中心进行分析判定。

（1）束管取样头布置

在22208工作面进风巷、回风巷沿着壁面铺设两组束管，每组3根束管，各束管采样头的间距为20 m，每根束管分别固定上温度传感器。两组束管分别接入束管监测系统，利用抽气泵通过束管把测点的气样抽至地面，利用气相色谱仪进行连续分析。每次下井时测量温度传感器的电阻值，按标号记录下来，升井后利用公式反算出温度。

22208工作面束管监测系统布置见图4，具体步骤为：

图4 22208工作面束管监测

①将束管与温度探头进行捆绑，并采用钢套管对其进行保护，然后将装置布置于两巷中，进行采集气体并测量采空区煤的温度。

②在工作面两巷共布置6个测点，每边3个，间距为20 m。

（2）取样头

由于采空区内存在冒落岩石、积水等情况，因此要对束管进行钢套管保护，在每个探头部位焊接三通支管，三通管长度为0.5 m左右，与主管正交布置，在套管顶端布置8个左右5 mm的小孔，用于收集气体，在束管取气探头处设置3个小孔，并包裹纱布防止泥浆堵管。束管取样头与套管必须密封连接，防止抽取到套管内气体（密封段可采用聚氨酯材料密封），附近应用大块矸石或木跺防护，以防止浮煤、水、泥浆堵管。取样头连接见图5。

图5 取样头连接

（3）套管

为了方便套管在井下运输，套管采用6 m长的分段，两端带有滑动法兰盘，在设置取样头的位置采用三通进行连接，为方便在三通位置设置取样头，三通末端带有3个固定法兰盘，三通直线段需要剖开。所有套管都采用直径50 mm的钢管进行加工。取样头外面的套管前端必须封口并在前端0.25 m长范围周边钻6～9个直径为5 mm透气小孔。

4 数据分析及采空区三带划分

现场实测通过预埋于采空区的束管采样器及温度传感器，在回采工作面两巷方向布置束管监测点，间距为20 m。随着工作面的推进，监测点依次进入采空区三带：“散热带”、“氧化带”与“窒息带”，通过监测点抽取两巷的气体，并监测采空区煤的温度变化规律。采用气相色谱仪进行分析，根据采空区气体浓度及温度变化规律，确定采空区自燃三带的分布范围[4]。

分析采集得到的数据可知，回采工作面氧气浓度降低速率随着工作面推进位置不同而不同，采空区靠近工作面回风隅角的氧气浓度随着工作面的推进逐渐下降，这是由于漏风流氧浓度经过采空区浮煤后氧化消耗造成的。

从采空区氧浓度分析，根据1号、2号、3号三个测点氧浓度可以得到22208工作面采空区自燃 “三带”的范围应是从工作面后刮板输送机向采空区的距离：散热带宽度为小于27.2 m；氧化带宽度为27.2～72 m；窒息带为大于72 m。根据4、5、6三个测点氧浓度可以得到工作面采空区自燃“三带”的范围应是从工作面后刮板输送机向采空区的距离：散热带宽度为小于17.6 m；氧化带宽度为17.6～67 m；窒息带为大于67 m。采空区自燃“三带”分布见表1。