束管监测在易燃特厚煤层综放工作面采空区自然发火预警的应用

2021-09-03侯利飞韩鼎业高智强

同煤科技 2021年4期

侯利飞，韩鼎业，高智强

(晋能控股煤业集团塔山煤矿公司山西大同037000)

1 概述

煤炭火灾的气体产物是煤炭燃烧过程中所释放出来的气体，可以分为煤氧化气体和煤吸附气体两部分。煤氧化气体主要包括一氧化碳、二氧化碳和乙烯、乙烷等碳氢化合物，煤吸附气体主要是甲烷、二氧化碳及存量很小的乙烷、氢气等。通过理论和实践相结合的方式，选取其中的几种作为矿井火灾预警指标气体，也就是我们所说的标志性气体，总结其在氧化和燃烧过程中含量的变化规律，对于矿井采空区的防灭火工作具有相当重要的意义。

通过束管监测，指标气体预测预报更具适用性、及时性、可靠性、准确性；特别是指标气体的选择和临界值的确定，必须根据矿井的实际情况，通过对各煤种煤样做大量气体分析试验，以及井下气体数据采集分析情况，来选择适合本矿的指标气体，确定各种临界值及采空区“三带”[1]，提高火灾预警的准确度。

2 束管监测系统和火灾标志性气体的选取

在煤矿火灾的标志性气体中，甲烷、乙烷、丙烷等烷烃类气体的浓度随燃烧过程的变化都是不规律的；乙烯、丙烯、乙炔等不饱和烃类气体在燃烧过程中，会单调增加，会沿着一定规律先后出现，但是不饱和烃类在燃烧时出现得较晚，不具备灵敏性的特点。煤自燃时CO最先产生，而且是单调增加的，这是其他标志性气体所不具备的宝贵特征，与烃类气体相比，具有不可替代的地位。综合考虑各种标志性气体的特性，CO仍是矿井火灾最重要、最有效的标志性气体[2]。

依据上述情况，本文从塔山煤矿实际出发，选取CO、CH4、CO2、O2、C2H4、H2作为标志性气体，重点研究这几种气体在现有通风、地质、采煤工艺等条件下的变化规律，为进一步的防灭火工作总结经验。

束管监测系统在塔山煤矿安装运行以来工作正常，能准确监测采空区煤炭的自燃发火状态和趋势[3]。该束管监测系统由澳大利亚新动力公司研制并生产，气体分析系统包括：一台富士电子非分散红外线分析仪以分析CO、CH4、CO2、O2，一台PEAK试验色谱仪用来分析H2气体。二期工程中增加了对包括：N2、He、C2H4、C2H6、C2H2、C3H8、C4H10等七种气体的分析检测。总计可以监测检验12种气体。安装运行至今，已连续成功监测了8102、8103、8104、8105、8202、8206、8208七个采空区的气体监测，现在还继续监测8106、8210、8101三个现采面的气体。

3 束管监测实测数据分析与研究

以塔山煤矿8208工作面的几个测点为例，我们对二盘区8208工作面采空区气样进行了采集和分析，并进行了总结。

8208工作面位于二盘区的西北部，为二盘区第一个临空开采工作面，工作面平均走向长度2 310 m，可采走向长度2 069 m，倾斜长度230.5 m，工作面煤层厚度为8.74 m～16.57 m，平均煤厚12.52 m。由于工作面进风巷铺设了两路50 m间距踏步式注氮管路进行不间断注氮，所以这里，我们共计选取了工作面回风侧3个不同距离的束管埋设点进行气体采样分析：

（1）5208巷-0 m测点（工作面准备开采时切眼处的位置定为0 m，以后铺设测点的距离以此类推）。

该测点采集的采空区CO、CH4、CO2、O2在工作面推进过程中的气体含量变化曲线见图1。

图1 5208巷-0 m测点气体含量变化曲线图

从曲线可以看出：

①通过O2浓度来划分的采空区氧化“三带”为：散热带0 m～19 m（O221%～18%）；氧化带19 m～97 m（O218%～8%）；窒息带97 m以后（O28%以下）。

②CO含量随工作面推进先单调增加后单调递减，与理论分析一致，并且在氧气浓度为15%时CO的浓度达到最大为185 ppm。

③CH4浓度由曲线看出，截止采样点堵塞时CH4浓度单调增加，最大值为10.3%左右，看趋势估计在窒息带内的CH4浓度还将有所增大。

（2）5208巷-800 m测点（工作面准备开采时切眼处的位置定为0 m，以后铺设测点的距离以此类推）

该测点采集的采空区CO、CH4、CO2、O2在工作面推进过程中的气体含量变化曲线见图2。

图2 5208巷-800 m测点气体含量变化曲线图

从曲线可以看出：

①通过O2浓度来划分的采空区氧化“三带”为：散热带0 m～10 m（O221%～18%）；氧化带10 m～90 m（O218%～8%）；窒息带90 m以后（O28%以下）。

②CO含量随工作面推进进入氧化带后急剧上升，最大值为212 ppm，附近O2浓度为11.3%左右，然后浓度随工作的推进缓慢下降。

③CH4浓度与5208-0 m处测点比较有所降低，最大值为6%左右。

④二氧化碳浓度比5208-0 m处测点有所升高，应该属氧化带煤炭氧化所致。

（3）5208巷-1 120 m测点（工作面准备开采时切眼处的位置定为0 m，以后铺设测点的距离以此类推）

该测点采集的采空区CO、CH4、CO2、O2在工作面推进过程中的气体含量变化曲线见图3。

图3 5208巷-1 120 m测点气体含量变化曲线图

从曲线可以看出：

①通过O2浓度来划分的采空区氧化“三带”为：散热带0 m～115 m（O221%～18%）；氧化带115 m～145 m（O218%～8%）；窒息带145 m以后（O28%以下）。

②CO含量与前两个点有所不同，在进入窒息带后才有所显现，最大浓度也有大幅降低为48 ppm左右，附近O2浓度为3%左右。

③CH4浓度为此点最大特征之一，其浓度在散热带及氧化带时上升比较平缓，在进入窒息带后急剧上升，截止管路堵塞最大值升至54%左右，瓦斯成为此点影响氧化“三带”的重要因素。

总结上述数据曲线可以看出，一般情况下，散热带分布在距工作面大约15 m以内的范围，氧化带分布在大约15 m～100 m的范围之间，窒息带为100 m之后的范围。在现有的通风、注氮、工作面推进速度条件下，这样一个氧化“三带”范围还是比较安全的。当然也有特例，例如从上述第三个测点的数据看出在工作面推进至115 m的距离时，采空区内O2浓度才降至18%以下，充分说明这段区间内采空区漏风严重，但是从一氧化碳的浓度较低的情况看，采空区浮煤氧化程度较低，没有造成热量积聚。同时，在采空区115 m至145 m的范围内由于破碎煤层涌出的大量瓦斯出现使得氧化带缩短到只有30 m，使得O2浓度急剧降低，阻断了浮煤的加速氧化。