突出矿井近距离煤层群煤自燃预警与防控方法

2022-09-16董小明武瑞龙王超群周海亮

煤矿安全 2022年9期

董小明，武瑞龙，周明，王超群，周海亮

（贵州发耳煤业有限公司，贵州六盘水 553001）

贵州矿区的可采煤层具有层数多、距离较近、瓦斯含量高、透气性低等特点，许多煤矿存在同时开采多层近距离煤层的现象[1]。近距离煤层在煤炭开采后其垮落带能相互导通[2-3]。在采动应力作用下，近距离煤层会产生大量裂隙，漏风通道多且漏风形式复杂[4]。近距离煤层群漏风容易加速采空区内遗煤氧化，增加煤自燃的危险性[5]。同时，贵州矿区的煤层赋存条件较为复杂，煤与瓦斯突出灾害相对严重[6-7]。突出矿井近距离煤层群开采自燃火灾防治难度大，火源隐蔽，发火位置和程度难以判定。因此，研究突出矿井近距离煤层群煤自燃预测预警对贵州矿区大部分煤矿意义重大。

学者们开展了大量关于采空区煤自燃危险区域监测与预报的研究。谭波等[8]利用程序升温试验获得指标气体与温度的关系，并采用不同时刻的碳氧化物作为预警指标；郭军等[9]通过大型煤自燃试验划分了煤氧化升温过程中的判定指标随煤温变化的阈值区间；任万兴等[10]归纳了不同标志气体的初现温度、拐点温度，构建了基于气体统计学特征的煤自燃预警体系；文虎等[11]将煤自燃划分为6 个时期并定义了各时期的预警名称；岳宁芳等[12]通过监测王家山煤矿开采过程中的异常气体体积分数点，比对预警体系阈值进行煤自燃隐患防治；郁亚楠等[13]提出了基于单指标气体、综合指标、标志气体“三位一体”的预测预报技术；王福生等[14]优选了适用于各煤层不同煤自燃阶段的预测指标，运用灰色关联分析了预报指标的优先级；疏义国等[15]建立了以5 个气体指标为基础的分级预警及防控方法；邓军等[16]利用矿井火灾多元信息融合算法得到了煤自燃程度6个阶段的预警指标气体判定和相应的温度区间；刘志强等[17]研究了采空区煤自燃指标气体规律，确定了煤自燃预测指标及其临界值。

基于此，以贵州发耳煤矿为例，采用煤自燃程序升温试验获得指标气体与温度的关系，提出煤自燃预警指标和分级预警体系；同时采用煤自燃监测预警系统对近距离煤层群自燃气体进行实时监测，提出基于煤自燃分级预警的防控方法；以期为突出矿井近距离煤层群煤自燃预警与防控提供借鉴。

1 矿井概况

发耳煤矿具有煤层薄、间距小、瓦斯赋存量大的特点，在地面配备有高、低负压2 套瓦斯抽采系统。发耳煤矿的含煤地层为二叠系龙潭煤组，其中，1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#、12#、13-1#、13-2#、14#、16#、17#、23-2#煤为比较稳定或较稳定的煤层。目前已开采或正在开采的主要煤层为1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#煤，煤层厚度、可采指数和煤层间距见表1，各煤层平均瓦斯含量见表2。

表1 主要煤层特征表Table 1 Characteristic table of main coal seams in Fa’er Coal Mine

表2 各煤层平均瓦斯含量表Table 2 Average gas content of each coal seam in Fa’er Coal Mine

由表1 可见，3#煤与5-2#煤的平均间距最小，只有8.8 m，最小间距为2.5 m。5-3#煤与7#煤的平均间距最大，也只有21.6 m。另外，5-3#煤的平均厚度为1.33 m，7#煤的平均厚度为2.33 m。由表2 可知，随着发耳煤矿开采深度增大，煤层的瓦斯含量呈现出总体升高趋势。

2 煤自燃程序升温实验

2.1 实验设备

为了得到发耳煤矿各煤层的煤自燃特征温度及其气体变化规律，以发耳煤矿1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#煤为研究对象，对现场采集的煤样送至实验室加工处理后进行程序升温实验。实验采用的是西安科技大学研制的油浴程序升温实验装置，油浴程序升温实验系统图如图1。

图1 油浴程序升温实验系统图Fig.1 Oil bath temperature programmed experiment system diagram

2.2 实验流程

实验煤样分别取自贵州发耳煤矿1#、3#、5-2#、5-3#、7#和10#煤，采样编号后密封包装送至实验室。在实验的前期准备阶段，依次对不同煤层的煤样进行破碎处理，然后用不同孔径的筛子筛分出粒径为0～0.9、0.9～3、3～5、5～7、7～10 mm 的样品。

在实验开始前，将煤样送入真空干燥箱中用室温、真空条件下处理24 h。然后，同一煤层的各粒径煤样称取50 g 均匀混合后形成混合粒径煤样用作实验。选取单一煤层的250 g 混合粒径煤样装入煤样罐。首先，以30 mL/min 的稳定流量向煤样罐内连续通入20 min 的新鲜空气来消除设备中上次实验的残留气体。

实验的初始温度设置为室温（20 ℃），实验过程中连续通入煤样罐的空气流量设置为30 mL/min，程序升温速率设置为0.5 ℃/min。待煤温达到30 ℃时开始抽取实验气样，当煤温每升高10 ℃取1 次气样，直至煤温达到180 ℃后停止抽取实验气样并终止实验。对抽取气样进行编号后依次采用气相色谱仪进行测试分析并记录。

2.3 煤自燃气体变化规律

通过煤自燃程序升温实验，得到的不同煤层煤样氧化过程中的O2、CO 和C2H4体积分数随温度的变化曲线如图2 和图3。

图2 不同煤层煤样O2 体积分数随温度的关系曲线Fig.2 Relationship curves of O2 volume fraction with temperature in coal samples of different coal seams

图3 不同煤层煤样CO 和C2H4 体积分数与温度关系曲线Fig.3 Relationship between CO and C2H4 volume fraction and temperature of coal samples in different coal seams

由图2 可知，1#煤消耗氧气的速率最快，当温度达到180 ℃时，1#煤的氧气体积分数只有4.56%。7#煤和10#煤消耗氧气的速率最慢，在180 ℃时，7#煤和10#煤在此时的氧气体积分数为11.83%和9.26%。

由图3 可知，随着煤温升高，不同煤层煤样的CO和C2H4气体的增长趋势存在一定差别但总体表现为相似。在70～80 ℃前，煤样产生了微量的CO，其体积分数最高不超过200×10-6，此时，未产生C2H4气体，该温度范围前为煤氧复合反应的初期氧化阶段；在70～80 ℃后，煤氧复合反应进入了加速氧化阶段，CO 体积分数显著升高，不同煤层煤样在130～140 ℃时的CO 体积分数介于700×10-6～1 500×10-6之间；当煤温到达110 ℃后，1#、3#、5-3#和7#煤逐渐开始产生了微量的C2H4气体，5-2#煤和10#煤的初次出现温度分别为120 ℃和140 ℃，C2H4气体的出现说明此时煤样内部的侧链等小分子开始发生裂解，C2H4气体可作为煤样裂解反应的标志性气体；在130～140 ℃后，煤氧复合反应进入了快速氧化阶段，CO 体积分数骤升；不同煤层煤样在170～180 ℃时的CO 体积分数介于1 600×10-6～8 000×10-6之间；其中，1#煤和3#煤的CO 体积分数最高约为8 000×10-6，7#煤的CO 体积分数最低仅为1 600×10-6。

综上所述，发耳煤矿各煤层煤样的临界温度范围为70～80 ℃，干裂温度范围为130～140 ℃。结合O2、CO 和C2H4的出现温度和变化规律综合判定得到发耳煤矿不同煤层的煤自燃氧化优先级顺序为：1#煤>3#煤>5-2#煤>5-3#煤>10#煤>7#煤。

3 煤自燃预警方法与监测监控

3.1 标志气体比值分析

碳氧化物比率能够反映出煤自燃的发展状态[8]，同时，为了有效地减少试验条件引起的误差，实现判定煤自然发火进程的目的，分别对φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）和φ（CO）/φ（O2）的比值进行了分析，得到3 个标志气体比值随着温度变化的规律曲线。发耳煤矿各煤层煤样的φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）和φ（CO）/φ（O2）值分析见表3。3 个3 个标志气体比值随着温度变化曲线如图4～图6。

表3 φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（CO2）和φ（CO）/φ（O2）值分析表Table 3 Ratio analysis table of φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）and φ（CO）/φ（O2）

图4 φ(CO)/φ(CO2)随温度变化曲线Fig.4 φ(CO)/φ(CO2) curves with temperature

图5 φ(CO2)/φ(O2)随温度变化曲线Fig.5 φ(CO2)/φ(O2) curves with temperature

图6 φ(CO)/φ(O2)随温度变化曲线Fig.6 φ(CO)/φ(O2) curves with temperature

煤温为70 ℃时是煤样从缓慢氧化到加速氧化阶段的拐点，不同煤层煤样的φ（CO）/φ（CO2）值处于0.008～0.021 之间，φ（CO2）/φ（O2）值处于107.01～345.33 之间，φ（CO）/φ（O2）值处于1.66～6.34 之间。当煤温为140 ℃时是煤样从加速氧化到快速氧化阶段的拐点，其中，不同煤层煤样的φ（CO）/φ（CO2）值处于0.083～0.186，φ（CO2）/φ（O2）值处于492.5～726.9，φ（CO）/φ（O2）值处于47.42～130.44。

综合分析得到的以上标志气体比值，可作为不同煤层煤样在各个升温时期的分级预警辅助指标，以提高煤自燃预测的灵敏度和准确性。

3.2 预警指标构建与分级预警划分

依据《煤矿安全规程》关于煤自燃监测、标志气体、临界参数的要求，结合程序升温试验结果和现场测试数据，确定了煤自燃升温过程中的6 个气体指标（CO、O2、C2H4、φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）、φ（CO）/φ（O2）），并根据气体指标临界值及其温度范围实现了突出矿井近距离煤层群煤自燃的四级分级预警。以发耳煤矿1#煤的分级预警的气体指标临界值和温度范围为例，分级预警温度范围及气体指标临界值见表4。

表4 分级预警温度范围及气体指标临界值Table 4 Graded early warning temperature range and critical values of gas indexes

3.3 煤自燃现场监测

煤自燃监测系统设备如图7。

图7 煤自燃监测预警系统设备图Fig.7 Equipment diagrams of coal spontaneous combustion monitoring system

煤自燃监测预警系统主要由3 部分组成，分别为监测基站、本安型多参数传感器及监测预警软件。将矿用本安采空区多参数无线传感器设置在沿空侧采空区、采空区密闭墙等区域，传感器通过无线自组网或485 总线网络将信息发送至基站，再通过以太环网发送到监控中心服务器，与Internet 外网连接后能实现采空区煤自燃特征信息的网络化实时动态监测预警。

GD5 矿用本安型多参数无线传感器主要功能为实现与基站无线、有线连接，并将采集到的矿井O2、CO、CO2、C2H4、温度等环境参数信息传输到监测主机。ZDC5 矿用环境多参数无线监测装置引入通信、无线网络与传感器技术，将煤矿井下环境参数上传至基站，实现对采空区煤自燃危险区域的网络化动态监测、隐患识别和预警。

通过对发耳煤矿采空区煤自燃危险区域的判定，结合日常的矿井煤自燃指标气体监测数据，分别在存在煤自燃危险的区域安装了煤自燃监测预警系统。同时，为保证五采区50105 工作面的顺利回采，对50103 采空区及50105 工作面隅角也安装了监测预警系统。50105 工作面布置关系如图8。

50105 工作面在回采过程中形成的采空区不断与50103 采空区贯通，相连的2 个采空区的面积不断扩大，采空区内的漏风通道明显增加。当贯通的2个采空区内的遗煤具有较好的蓄热环境时，极易引发50105 采空区和沿空侧采空区（50103 采空区）内遗煤的自燃。