董小明，武瑞龍，周 明，王超群，周海亮

（貴州發(fā)耳煤業(yè)有限公司，貴州 六盤水 553001）

貴州礦區(qū)的可采煤層具有層數(shù)多、距離較近、瓦斯含量高、透氣性低等特點(diǎn)，許多煤礦存在同時(shí)開(kāi)采多層近距離煤層的現(xiàn)象[1]。近距離煤層在煤炭開(kāi)采后其垮落帶能相互導(dǎo)通[2-3]。在采動(dòng)應(yīng)力作用下，近距離煤層會(huì)產(chǎn)生大量裂隙，漏風(fēng)通道多且漏風(fēng)形式復(fù)雜[4]。近距離煤層群漏風(fēng)容易加速采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化，增加煤自燃的危險(xiǎn)性[5]。同時(shí)，貴州礦區(qū)的煤層賦存條件較為復(fù)雜，煤與瓦斯突出災(zāi)害相對(duì)嚴(yán)重[6-7]。突出礦井近距離煤層群開(kāi)采自燃火災(zāi)防治難度大，火源隱蔽，發(fā)火位置和程度難以判定。因此，研究突出礦井近距離煤層群煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)警對(duì)貴州礦區(qū)大部分煤礦意義重大。

學(xué)者們開(kāi)展了大量關(guān)于采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)的研究。譚波等[8]利用程序升溫試驗(yàn)獲得指標(biāo)氣體與溫度的關(guān)系，并采用不同時(shí)刻的碳氧化物作為預(yù)警指標(biāo)；郭軍等[9]通過(guò)大型煤自燃試驗(yàn)劃分了煤氧化升溫過(guò)程中的判定指標(biāo)隨煤溫變化的閾值區(qū)間；任萬(wàn)興等[10]歸納了不同標(biāo)志氣體的初現(xiàn)溫度、拐點(diǎn)溫度，構(gòu)建了基于氣體統(tǒng)計(jì)學(xué)特征的煤自燃預(yù)警體系；文虎等[11]將煤自燃劃分為6 個(gè)時(shí)期并定義了各時(shí)期的預(yù)警名稱；岳寧芳等[12]通過(guò)監(jiān)測(cè)王家山煤礦開(kāi)采過(guò)程中的異常氣體體積分?jǐn)?shù)點(diǎn)，比對(duì)預(yù)警體系閾值進(jìn)行煤自燃隱患防治；郁亞楠等[13]提出了基于單指標(biāo)氣體、綜合指標(biāo)、標(biāo)志氣體“三位一體”的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)；王福生等[14]優(yōu)選了適用于各煤層不同煤自燃階段的預(yù)測(cè)指標(biāo)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析了預(yù)報(bào)指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)；疏義國(guó)等[15]建立了以5 個(gè)氣體指標(biāo)為基礎(chǔ)的分級(jí)預(yù)警及防控方法；鄧軍等[16]利用礦井火災(zāi)多元信息融合算法得到了煤自燃程度6個(gè)階段的預(yù)警指標(biāo)氣體判定和相應(yīng)的溫度區(qū)間；劉志強(qiáng)等[17]研究了采空區(qū)煤自燃指標(biāo)氣體規(guī)律，確定了煤自燃預(yù)測(cè)指標(biāo)及其臨界值。

基于此，以貴州發(fā)耳煤礦為例，采用煤自燃程序升溫試驗(yàn)獲得指標(biāo)氣體與溫度的關(guān)系，提出煤自燃預(yù)警指標(biāo)和分級(jí)預(yù)警體系；同時(shí)采用煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)近距離煤層群自燃?xì)怏w進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提出基于煤自燃分級(jí)預(yù)警的防控方法；以期為突出礦井近距離煤層群煤自燃預(yù)警與防控提供借鑒。

1 礦井概況

發(fā)耳煤礦具有煤層薄、間距小、瓦斯賦存量大的特點(diǎn)，在地面配備有高、低負(fù)壓2 套瓦斯抽采系統(tǒng)。發(fā)耳煤礦的含煤地層為二疊系龍?zhí)睹航M，其中，1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#、12#、13-1#、13-2#、14#、16#、17#、23-2#煤為比較穩(wěn)定或較穩(wěn)定的煤層。目前已開(kāi)采或正在開(kāi)采的主要煤層 為1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#煤，煤層厚度、可采指數(shù)和煤層間距見(jiàn)表1，各煤層平均瓦斯含量見(jiàn)表2。

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

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

由表1 可見(jiàn)，3#煤與5-2#煤的平均間距最小，只有8.8 m，最小間距為2.5 m。5-3#煤與7#煤的平均間距最大，也只有21.6 m。另外，5-3#煤的平均厚度為1.33 m，7#煤的平均厚度為2.33 m。由表2 可知，隨著發(fā)耳煤礦開(kāi)采深度增大，煤層的瓦斯含量呈現(xiàn)出總體升高趨勢(shì)。

2 煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

為了得到發(fā)耳煤礦各煤層的煤自燃特征溫度及其氣體變化規(guī)律，以發(fā)耳煤礦1#、3#、5-2#、5-3#、7#、10#煤為研究對(duì)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的煤樣送至實(shí)驗(yàn)室加工處理后進(jìn)行程序升溫實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的是西安科技大學(xué)研制的油浴程序升溫實(shí)驗(yàn)裝置，油浴程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 油浴程序升溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.1 Oil bath temperature programmed experiment system diagram

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)煤樣分別取自貴州發(fā)耳煤礦1#、3#、5-2#、5-3#、7#和10#煤，采樣編號(hào)后密封包裝送至實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備階段，依次對(duì)不同煤層的煤樣進(jìn)行破碎處理，然后用不同孔徑的篩子篩分出粒徑為0～0.9、0.9～3、3～5、5～7、7～10 mm 的樣品。

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，將煤樣送入真空干燥箱中用室溫、真空條件下處理24 h。然后，同一煤層的各粒徑煤樣稱取50 g 均勻混合后形成混合粒徑煤樣用作實(shí)驗(yàn)。選取單一煤層的250 g 混合粒徑煤樣裝入煤樣罐。首先，以30 mL/min 的穩(wěn)定流量向煤樣罐內(nèi)連續(xù)通入20 min 的新鮮空氣來(lái)消除設(shè)備中上次實(shí)驗(yàn)的殘留氣體。

實(shí)驗(yàn)的初始溫度設(shè)置為室溫（20 ℃），實(shí)驗(yàn)過(guò)程中連續(xù)通入煤樣罐的空氣流量設(shè)置為30 mL/min，程序升溫速率設(shè)置為0.5 ℃/min。待煤溫達(dá)到30 ℃時(shí)開(kāi)始抽取實(shí)驗(yàn)氣樣，當(dāng)煤溫每升高10 ℃取1 次氣樣，直至煤溫達(dá)到180 ℃后停止抽取實(shí)驗(yàn)氣樣并終止實(shí)驗(yàn)。對(duì)抽取氣樣進(jìn)行編號(hào)后依次采用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)試分析并記錄。

2.3 煤自燃?xì)怏w變化規(guī)律

通過(guò)煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)，得到的不同煤層煤樣氧化過(guò)程中的O2、CO 和C2H4體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線如圖2 和圖3。

圖2 不同煤層煤樣O2 體積分?jǐn)?shù)隨溫度的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of O2 volume fraction with temperature in coal samples of different coal seams

圖3 不同煤層煤樣CO 和C2H4 體積分?jǐn)?shù)與溫度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between CO and C2H4 volume fraction and temperature of coal samples in different coal seams

由圖2 可知，1#煤消耗氧氣的速率最快，當(dāng)溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，1#煤的氧氣體積分?jǐn)?shù)只有4.56%。7#煤和10#煤消耗氧氣的速率最慢，在180 ℃時(shí)，7#煤和10#煤在此時(shí)的氧氣體積分?jǐn)?shù)為11.83%和9.26%。

由圖3 可知，隨著煤溫升高，不同煤層煤樣的CO和C2H4氣體的增長(zhǎng)趨勢(shì)存在一定差別但總體表現(xiàn)為相似。在70～80 ℃前，煤樣產(chǎn)生了微量的CO，其體積分?jǐn)?shù)最高不超過(guò)200×10-6，此時(shí)，未產(chǎn)生C2H4氣體，該溫度范圍前為煤氧復(fù)合反應(yīng)的初期氧化階段；在70～80 ℃后，煤氧復(fù)合反應(yīng)進(jìn)入了加速氧化階段，CO 體積分?jǐn)?shù)顯著升高，不同煤層煤樣在130～140 ℃時(shí)的CO 體積分?jǐn)?shù)介于700×10-6～1 500×10-6之間；當(dāng)煤溫到達(dá)110 ℃后，1#、3#、5-3#和7#煤逐漸開(kāi)始產(chǎn)生了微量的C2H4氣體，5-2#煤和10#煤的初次出現(xiàn)溫度分別為120 ℃和140 ℃，C2H4氣體的出現(xiàn)說(shuō)明此時(shí)煤樣內(nèi)部的側(cè)鏈等小分子開(kāi)始發(fā)生裂解，C2H4氣體可作為煤樣裂解反應(yīng)的標(biāo)志性氣體；在130～140 ℃后，煤氧復(fù)合反應(yīng)進(jìn)入了快速氧化階段，CO 體積分?jǐn)?shù)驟升；不同煤層煤樣在170～180 ℃時(shí)的CO 體積分?jǐn)?shù)介于1 600×10-6～8 000×10-6之間；其中，1#煤和3#煤的CO 體積分?jǐn)?shù)最高約為8 000×10-6，7#煤的CO 體積分?jǐn)?shù)最低僅為1 600×10-6。

綜上所述，發(fā)耳煤礦各煤層煤樣的臨界溫度范圍為70～80 ℃，干裂溫度范圍為130～140 ℃。結(jié)合O2、CO 和C2H4的出現(xiàn)溫度和變化規(guī)律綜合判定得到發(fā)耳煤礦不同煤層的煤自燃氧化優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋?#煤>3#煤>5-2#煤>5-3#煤>10#煤>7#煤。

3 煤自燃預(yù)警方法與監(jiān)測(cè)監(jiān)控

3.1 標(biāo)志氣體比值分析

碳氧化物比率能夠反映出煤自燃的發(fā)展?fàn)顟B(tài)[8]，同時(shí)，為了有效地減少試驗(yàn)條件引起的誤差，實(shí)現(xiàn)判定煤自然發(fā)火進(jìn)程的目的，分別對(duì)φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）和φ（CO）/φ（O2）的比值進(jìn)行了分析，得到3 個(gè)標(biāo)志氣體比值隨著溫度變化的規(guī)律曲線。發(fā)耳煤礦各煤層煤樣的φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）和φ（CO）/φ（O2）值分析見(jiàn)表3。3 個(gè)3 個(gè)標(biāo)志氣體比值隨著溫度變化曲線如圖4～圖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）

圖4 φ(CO)/φ(CO2)隨溫度變化曲線Fig.4 φ(CO)/φ(CO2) curves with temperature

圖5 φ(CO2)/φ(O2)隨溫度變化曲線Fig.5 φ(CO2)/φ(O2) curves with temperature

圖6 φ(CO)/φ(O2)隨溫度變化曲線Fig.6 φ(CO)/φ(O2) curves with temperature

煤溫為70 ℃時(shí)是煤樣從緩慢氧化到加速氧化階段的拐點(diǎn)，不同煤層煤樣的φ（CO）/φ（CO2）值處于0.008～0.021 之間，φ（CO2）/φ（O2）值處于107.01～345.33 之間，φ（CO）/φ（O2）值處于1.66～6.34 之間。當(dāng)煤溫為140 ℃時(shí)是煤樣從加速氧化到快速氧化階段的拐點(diǎn)，其中，不同煤層煤樣的φ（CO）/φ（CO2）值處于0.083～0.186，φ（CO2）/φ（O2）值處于492.5～726.9，φ（CO）/φ（O2）值處于47.42～130.44。

綜合分析得到的以上標(biāo)志氣體比值，可作為不同煤層煤樣在各個(gè)升溫時(shí)期的分級(jí)預(yù)警輔助指標(biāo)，以提高煤自燃預(yù)測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。

3.2 預(yù)警指標(biāo)構(gòu)建與分級(jí)預(yù)警劃分

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》關(guān)于煤自燃監(jiān)測(cè)、標(biāo)志氣體、臨界參數(shù)的要求，結(jié)合程序升溫試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定了煤自燃升溫過(guò)程中的6 個(gè)氣體指標(biāo)（CO、O2、C2H4、φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）、φ（CO）/φ（O2）），并根據(jù)氣體指標(biāo)臨界值及其溫度范圍實(shí)現(xiàn)了突出礦井近距離煤層群煤自燃的四級(jí)分級(jí)預(yù)警。以發(fā)耳煤礦1#煤的分級(jí)預(yù)警的氣體指標(biāo)臨界值和溫度范圍為例，分級(jí)預(yù)警溫度范圍及氣體指標(biāo)臨界值見(jiàn)表4。

表4 分級(jí)預(yù)警溫度范圍及氣體指標(biāo)臨界值Table 4 Graded early warning temperature range and critical values of gas indexes

3.3 煤自燃現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

煤自燃監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備如圖7。

圖7 煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備圖Fig.7 Equipment diagrams of coal spontaneous combustion monitoring system

煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由3 部分組成，分別為監(jiān)測(cè)基站、本安型多參數(shù)傳感器及監(jiān)測(cè)預(yù)警軟件。將礦用本安采空區(qū)多參數(shù)無(wú)線傳感器設(shè)置在沿空側(cè)采空區(qū)、采空區(qū)密閉墻等區(qū)域，傳感器通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)或485 總線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至基站，再通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器，與Internet 外網(wǎng)連接后能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)煤自燃特征信息的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警。

GD5 礦用本安型多參數(shù)無(wú)線傳感器主要功能為實(shí)現(xiàn)與基站無(wú)線、有線連接，并將采集到的礦井O2、CO、CO2、C2H4、溫度等環(huán)境參數(shù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)主機(jī)。ZDC5 礦用環(huán)境多參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置引入通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與傳感器技術(shù)，將煤礦井下環(huán)境參數(shù)上傳至基站，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、隱患識(shí)別和預(yù)警。

通過(guò)對(duì)發(fā)耳煤礦采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的判定，結(jié)合日常的礦井煤自燃指標(biāo)氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分別在存在煤自燃危險(xiǎn)的區(qū)域安裝了煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。同時(shí)，為保證五采區(qū)50105 工作面的順利回采，對(duì)50103 采空區(qū)及50105 工作面隅角也安裝了監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。50105 工作面布置關(guān)系如圖8。

50105 工作面在回采過(guò)程中形成的采空區(qū)不斷與50103 采空區(qū)貫通，相連的2 個(gè)采空區(qū)的面積不斷擴(kuò)大，采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)通道明顯增加。當(dāng)貫通的2個(gè)采空區(qū)內(nèi)的遺煤具有較好的蓄熱環(huán)境時(shí)，極易引發(fā)50105 采空區(qū)和沿空側(cè)采空區(qū)（50103 采空區(qū)）內(nèi)遺煤的自燃。

3.4 基于煤自燃分級(jí)預(yù)警的防控方法

突出礦井煤層群煤自燃主動(dòng)預(yù)控的方法，煤自燃主動(dòng)分級(jí)防控方法見(jiàn)表5。

表5 煤自燃主動(dòng)分級(jí)防控方法Table 5 Coal spontaneous combustion active grading collaborative prevention and control methods

該方法從加強(qiáng)煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期注氮防滅火技術(shù)為主，堵漏風(fēng)和注凝膠/高分子膠體為輔，構(gòu)建了煤自燃主動(dòng)分級(jí)防控方法。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）發(fā)耳煤礦各煤層煤樣的臨界溫度范圍為70～80 ℃，干裂溫度范圍為130～140 ℃。結(jié)合O2、CO 和C2H4的出現(xiàn)溫度和變化規(guī)律綜合判定得到發(fā)耳煤礦不同煤層的煤自燃氧化優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋?#煤>3#煤>5-2#煤>5-3#煤>10#煤>7#煤。

2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，確定了煤自燃溫度的6 個(gè)氣體指標(biāo)（CO、O2、C2H4、φ（CO）/φ（CO2）、φ（CO2）/φ（O2）、φ（CO）/φ（O2））及分級(jí)預(yù)警的溫度范圍和氣體指標(biāo)臨界值，對(duì)煤自燃四級(jí)分級(jí)預(yù)警。

3）提出了針對(duì)突出礦井煤層群的“加強(qiáng)煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、注氮防滅火、動(dòng)態(tài)推進(jìn)、堵漏風(fēng)或注凝膠/高分子膠體”等技術(shù)手段的煤自燃分級(jí)防控方法。