五阳煤矿3#煤层采空区煤炭自燃特性分析

郭煜峰

（潞安化工集团有限公司五阳煤矿，山西 长治 046200）

在矿井火灾中，大部分是由于采空区遗留煤炭自燃而引发的。 在煤炭回采过程中，工作面的断面增加，需要的通风量也会随之增加，在通风不足的情况下会出现漏风量的增加，工作面上的遗煤进入采空区后，引发煤自燃。 探测采空区自燃的分布范围，有针对性地进行灭火，防治采空区遗煤自燃，对井下安全开采具有重要意义[1-5]。针对五阳煤矿采空区遗煤自燃问题，拟采用煤自然发火试验装置进行测试，为煤自燃危险区域划分提供基础数据，结合判定式归纳进行现场煤自燃隐患危险区域划分，以指导现场开展煤自燃防控工作。

1 工程概况

选取五阳煤矿76 采区7607 回采工作面为试验工作面，矿井地面标高为+830～+926 m。 7607回采工作面平均走向长度为400 m，倾向长度为185 m，煤层平均倾角为13°，工业煤炭储量达0.3687 Mt，回采率为97%，可连续开采的煤量为0.3577 Mt。7607 回采工作面东部是76 胶带巷，西部是7605 采空区，南部是7609 运输巷，井下标高为+370～430 m。 7607 工作面目前回采的是3#煤层，煤层平均厚度为6.06 m，局部含有两层夹矸；工作面内原始瓦斯平均含量为13 m3/t，残存瓦斯平均含量为2.5 m3/t。7607 胶带巷为主要进风巷，轨道巷为辅助进风巷，高瓦斯混合气体的抽采量为500 m3/min，瓦斯抽采浓度为3%。回采期间，工作面的瓦斯绝对涌出量为45 m3/min，相对涌出量为15.6 m3/t。

2 自燃模拟试验

2.1 试验装置

采用煤自然发火试验装置对五阳煤矿的煤样进行测试，装置如图1 所示，主要包括绝热氧化装置、供气控制装置、温度自动检测系统[6-7]，通过模拟煤样自然发火过程所需的氧化升温条件，获得煤样的自然发火特性。

图1 煤自然发火试验装置

2.2 试验条件

从7607 工作面上采集50 kg 新鲜煤样，用破碎机对煤样进行破碎筛分，重新混合后得到试验煤样。 在整个试验过程中，按照预设的间隔参数进行气样采集，并采用气相色谱仪进行分析[8-10]，记录试验温度变化条件下，各类气体的浓度数据，煤样试验条件如表1 所示。

表1 煤样试验条件

2.3 试验结果

通过试验，得到煤自然发火测试结果如图2所示。

图2 煤自然发火试验测试结果

从图2 中可以看出，当现场的环境温度为25℃时，遗煤的最短自然发火期为48 d；根据理论计算，遗煤温度28.3℃时，氧气消耗速率为4 732×10-11mol/(s·cm3)；当出气口处的氧气体积分数为5%～7%时，出气口的温度小于高温点的温度，且温差在逐渐增大。

3 现场监测分析

现场对7607 工作面采空区的气体含量进行监测。 要求在观测期间，确保整个束管没有泄漏，每天进行1 次气体采样并尽快分析观测结果。 对气体进行采样之前，要先将束管内的所有空气排空，确保管内的气样全部来自采空区。 在进行采样时，要详细记录整个工作面的回采距离、采空区冒落等具体情况。

3.1 现场测试方案

在采空区回风侧布设3 个测试点，取样管路是采用束管埋管，外部用一根直径为50 mm 的圆形钢管进行保护，避免顶板周期来压或端头支架压力对整个束管造成的严重破坏[11-13]。每个测点提前留设好1 个束管采样点和温度保护测试装置，束管的取样头是2 寸圆形钢管，将钢管的上端封严封实，在取样头上钻若干小孔，便于管内气体进入，将束管单管直接伸入取样头，用封泥将管口封好。 随着工作面的不断推进，束管埋管和测温保护装置的铺设长度为200 m，其中第1 个测试点距开切眼的距离为150 m，每隔30 m 布设一个测试点，通过监测束管测点的气体含量，来划分采空区的三带范围。 测温保护装置采用PT100 型热补偿电阻，测温探头和束管都使用圆形钢管进行保护。

3.2 测试过程

现场测试时间为45 d，工作面推进268 m，测试气样约237 个，测试温度数据共90 组，根据现场的实际测试情况将测试过程分为2 个阶段。

第1 阶段历时45 d，随着工作面推进，采空区各测点的O2浓度下降比较缓慢。 其中1#测点进入采空区171 m，2#测点进入采空区141 m，3#测点进入采空区111 m，各测点的O2浓度均大于18%，采空区回风侧漏风严重。 在距离工作面171 m内采空区处于“散热带”，大于171 m 采空区处于“氧化带”，且采空区内CO 浓度上升。 对回风侧瓦斯进行多地点多方式抽采，在回风副巷布置仰角钻孔，回风巷布置高位钻孔进行采空区瓦斯抽采，在回风副巷布置有325 mm 的管路进行埋管抽放。

通过第1 阶段的测试，说明工作面采空区回风侧的漏风范围较大。 随着测点的不断深入，CO浓度升高，说明采空区深部的遗煤氧化现象严重。进行瓦斯抽采虽然解决了回风隅角瓦斯超限，但在采空区180 m 处，O2浓度仍大于18%，CH4浓度小于4%，这样造成了很大的防灭火压力。

通过分析不同抽采方式的抽采效果，可以看出：回风副巷埋管的抽采流量大，抽采浓度和抽采效率低。抽采位置距离3#测点较近，约为25～35 m，与测点一同向采空区深部移动，造成测点周围O2浓度超高。

为了减少采空区漏风，降低采空区CO 浓度，及时调整回风副巷的埋管位置，降低抽采流量，提高抽采浓度。 在停止回风副巷瓦斯抽采后，对各测点的气体成分及温度进行第2 阶段监测，在各测点O2浓度均下降到7%以内结束试验，共计27 d。

4 测试结果分析

4.1 O2浓度

通过现场观测，测定气体的体积分数分布情况，在采空区150 m 范围内，间隔50 m 设置一个取样点，同时观测上下巷道，判定工作面自燃三带的分布，采空区内束管布置路径和测点位置如图3所示。

图3 束管布置路径及测点位置

氧气体积分数按照7%～16%作为自燃带的划分指标。 监测结果显示，进入采空区38 m 内是散热带，进入采空区38～105 m 是自燃带，进入采空区105 m 后是窒息带。由于采空区存在漏风，自燃带会向运输巷一侧延伸到120 m。

4.2 CO浓度

工作面在回采过程中，进入采空区0～45 m内，一氧化碳的浓度小于10×10-6。 工作面进入采空区45 m 以后，各个测点处的CO 浓度迅速上升，遗煤的氧化没有随进入采空区的深度而减弱。这主要是受采空区内空气温度变化的影响。 根据煤层自然发火标志气体的测定分析结果，采空区出现CO 的温度范围为49～193℃，采空区温度超过49℃时，就会释放出大量的一氧化碳气体。

4.3 CH4浓度

因该煤层易自燃，工作面在回采过程中，回风侧的瓦斯浓度较低，进入采空区180 m 内，瓦斯浓度小于4%。 因此，这就很少出现工作面瓦斯浓度超限的情况，同时也会降低采空区钻孔抽放瓦斯效率。 在停止工作面采空区抽放瓦斯后，回风侧瓦斯浓度迅速上升，但回风隅角的瓦斯浓度没有明显变化，说明采空区停止抽放瓦斯，不会对回风隅角瓦斯造成聚集。 采空区停止抽放瓦斯后，进入采空区的漏风减少，采空区遗煤的氧化范围大大缩小。

5 结语

针对五阳煤矿7607 回采工作面采空区遗留煤炭自燃问题，运用煤自然发火试验装置分析煤炭自燃特性，通过束管监测气体含量，划分采空区的三带范围。 利用煤自然发火试验装置，确定煤样的最短自然发火期为48 d，氧气体积分数为5%～7%时，不会引发煤炭自燃火灾。 根据现场监测结果，判定进入采空区38 m 内是散热带、38～105 m是自燃带、105 m 后是窒息带。 进入采空区0～45 m内一氧化碳浓度小于10×10-6，进入采空区超过45 m 后一氧化碳浓度迅速上升，进入采空区180 m内瓦斯浓度小于4%。