榮江海

（南莊煤炭集團有限責任公司南莊分公司，山西 陽泉 045000）

火災作為五大災害之一嚴重影響著煤礦的正常開采生產(chǎn)過程，而采空區(qū)煤體由于其開采過后形成了空曠地帶，氧氣等氣體濃度富集在此，常常發(fā)生自燃，通常情況下合理控制工作面推進速度便不會對工作面的正常生產(chǎn)造成影響，根據(jù)這一特點，通過測定進風側(cè)及回風側(cè)中各影響氣體的濃度變化情況對南莊礦8824工作面的煤層自然發(fā)火情況進行分析研究，以保證為該工作面的安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 礦井概況

南莊礦8824工作面采用放頂煤采煤工藝，全部垮落法處理采空區(qū)，該面地質(zhì)儲量約220萬t，設(shè)計可采儲量190萬t，工作面預計服務(wù)年限13個月。在經(jīng)有關(guān)機構(gòu)對煤礦瓦斯等級進行評估以及對二氧化碳涌出量進行結(jié)果鑒定發(fā)現(xiàn)，南莊礦井瓦斯絕對涌出量約136 m3/min，相對涌出量約31 m3/t；二氧化碳絕對涌出量約8.2 m3/min，相對涌出量約1.8 m3/t。符合高瓦斯礦井的鑒定指標[1]，在實際開采工程中應加強通風以及瓦斯防治工作，該礦煤層自然發(fā)火氣體極其濃度（體積分數(shù)，下同）已由實驗測得，見下表1?，F(xiàn)對南莊礦8824工作面各項氣體濃度進行分析處理。

表1 自然發(fā)火氣體及其各溫度下濃度

2 通風系統(tǒng)構(gòu)成及煤層賦存特性

2.1 進風路線

地面→主副井筒→井底車場→運輸大巷→區(qū)段運輸平巷→8824工作面→區(qū)段回風平巷→回風大巷→風井井筒→地面。

2.2 反風路線

地面→風井井筒→回風大巷→區(qū)段回風平巷→8824工作面→區(qū)段進風平巷→軌道運輸大巷→井底車場→主副井筒→地面。

2.3 工作面煤層賦存特征

該8824工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜但煤層賦存較為穩(wěn)定，總煤層厚度平均6 m左右，傾角7°左右變異系數(shù)≤25%，含兩層矸石，上層0.2 m、下層0.4 m，以泥巖砂泥巖為主。該煤層水分4.5%、灰分21%、揮發(fā)分10%、發(fā)熱量27 MJ/kg、含硫量1%屬于無煙煤品質(zhì)。煤層頂?shù)装逄匦砸姳?。煤層直接頂為容易破碎的泥巖厚度約1 m，抗壓強度13 MPa；基本頂厚度達6 m，以砂巖為主，抗壓強度35.5 MPa；底板砂泥巖厚度4.6 m，礦壓強度17.9 MPa?？梢钥闯鲈撁壕哂凶匀话l(fā)火傾向，采空區(qū)遺煤在長期風化等影響下會產(chǎn)生自燃現(xiàn)象[2]。且南莊礦的地質(zhì)條件較為復雜，但煤層賦存比較穩(wěn)定，在正常通風系統(tǒng)供風過程中，特別容易發(fā)生風量的泄露問題，因此應對實際供風量進行監(jiān)測，并設(shè)置局部通風機對區(qū)段平巷等風量無法保障區(qū)域進行風量的充足供應。

表2 8824工作面煤層頂?shù)装逄匦允疽獗?/p>

3 工作面氣體濃度測定

3.1 測定內(nèi)容及原理

根據(jù)采集工作面推進過程中氣體的賦存濃度組分來判定煤體自然發(fā)火的溫度及氣體組成，以達到對工作面自然發(fā)火的監(jiān)測防治效果。自然發(fā)火通常是煤與氧氣發(fā)生接觸時因化學反應放出熱量導致的煤體溫度上升自燃，其一般過程為緩慢氧化、加速氧化、劇烈氧化三個階段[3]，如下頁圖1示，其中，Tb為煤樣著火點，Tc為煤樣高溫點。通過煤體氧化自燃這一過程可以看出，煤體在溫度升高的過程中需要一定的外界空氣條件，可通過測算氣體組成及濃度，計算出煤體自燃的臨界溫度及氣體條件，達到判斷煤體自燃發(fā)生條件等效果。

圖1 煤體自然發(fā)火的三個階段

3.2 濃度測定分析

3.2.1 氧氣濃度

經(jīng)對8824工作面回風側(cè)氧氣濃度進行監(jiān)測，回風平巷最低處氧氣濃度在19.56%左右，采空區(qū)整體隨著回采深入氧氣濃度呈現(xiàn)下降趨勢，在距離采空區(qū)100 m左右降至12.56%左右，而深入至190 m處氧氣濃度僅剩8%；進風側(cè)由于新鮮風流的影響氧氣濃度較高，在采空區(qū)90 m處氧氣濃度降至18%，當距采空區(qū)240 m處氧氣濃度降至8%左右。

3.2.2 一氧化碳濃度

在工作面的正常開采過程中，一氧化碳的濃度有著先升后降的規(guī)律性變化趨勢，在距離采空區(qū)25 m處，回風側(cè)一氧化碳濃度（體積分數(shù)，下同）為64×10-6，此處氧氣濃度在12%左右，符合煤體自然發(fā)火條件；此后一氧化碳濃度有著下降趨勢，在距離采空區(qū)190 m處測得其濃度在86×10-6；同樣進風側(cè)由于新鮮風流一氧化碳整體濃度偏小，在采空區(qū)40 m以內(nèi)，由于其濃度過低難以檢測，直至150 m左右濃度才有明顯的數(shù)值顯示，在距離采空區(qū)230 m左右進行數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示濃度值為89×10-6，該值也為其濃度最大值。

3.2.3 二氧化碳濃度

在8824工作面回采過程中，距離采空區(qū)25m處二氧化碳濃度（體積分數(shù)，下同）達2 228×10-6，隨著工作面推進，其濃度整體呈現(xiàn)增大趨勢，回風側(cè)濃度在180 m處可達1.8×10-2，進風側(cè)達到2.0×10-3左右?？梢钥闯雒后w空隙中析出了一部分原生二氧化碳，濃度隨開采推進逐漸增大。

3.2.4 甲烷濃度

工作面推進過程中，甲烷整體濃度同樣呈現(xiàn)上升趨勢，且采空區(qū)濃度明顯較高，回風側(cè)最大值可達6.6%。進風側(cè)由于風流影響較大，甲烷監(jiān)測不太明顯。而且經(jīng)分析可知整體監(jiān)測甲烷大多為煤層游離態(tài)瓦斯，僅少部分為煤層氧化原因產(chǎn)生的。

整理以上數(shù)據(jù)，對各氣體濃度監(jiān)測的數(shù)據(jù)可見表3和表4。

表3 進風側(cè)各氣體濃度匯總表

表4 回風側(cè)各氣體濃度匯總表

3.3 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

氧濃度對煤體的氧化有著一定影響，根據(jù)南莊礦高瓦斯礦井及煤層自然發(fā)火特性，分析得出其下限氧氣的濃度為8%；氧氣濃度在21%、10%、8%時的煤體自然溫度分別在78℃、85℃、98℃。合理控制供風量可對煤層自然發(fā)火事故的產(chǎn)生起到抑制作用。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，氧濃度的不同，可以將8224工作面自然區(qū)域進行劃分：進風側(cè)，在0~100 m為散熱帶，距離工作面較近，氧氣濃度較高。在100~240 m范圍內(nèi)可以劃為氧化升溫帶，為煤自然發(fā)火的關(guān)鍵區(qū)域，整體寬度140 m左右。大于這個值為窒息帶，由于氧氣濃度過低基本不會發(fā)生氧化還原反應；回風側(cè)由于本身污風氧氣含量較低，只有0~13 m這一短距離為散熱帶。13~190 m長達180 m左右的氧化升溫帶，大于這一數(shù)值為窒息帶；而在采空區(qū)中部區(qū)域，數(shù)據(jù)較平均，0~50 m的散熱帶，50~210 m范圍160 m的氧化升溫帶，大于這一數(shù)值為窒息帶，見圖2。

圖2 南莊礦自然發(fā)火帶分布示意圖（m）

可以看出兩者的不對稱性，進風側(cè)略窄，140 m的氧化升溫區(qū)域，回風側(cè)較寬為180 m。氧化帶距離回風下隅角較近，在開采生產(chǎn)過程中，自然發(fā)火的主要影響在于回風側(cè)自燃帶遺留煤體。采空區(qū)氧化區(qū)域的寬度與通風量有很大關(guān)系，隨著通風量的增加，氧化升溫帶會逐步向采空區(qū)深部移動，且寬度會逐漸縮小，因此合理的通風可以保證將自然發(fā)火區(qū)域推移至不影響工作面正常推進的范圍內(nèi)，以避免采空區(qū)遺煤自然發(fā)火現(xiàn)象的發(fā)生。

因此根據(jù)這一數(shù)值特征，可以將南莊礦的最小安全推進速度定位2.7 m/d，以避免自然發(fā)火的影響，確保煤礦安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1）通過對南莊礦工作面各氣體濃度測定可以得出為避免煤體自然發(fā)火對煤礦開采生產(chǎn)的影響，應在8825工作面回風隅角處設(shè)置風障，以達到對風流的引導作用減少氧化升溫帶長度。

2）該工作面的回采最小需風流的計算量在1 160 m3/min，因此在實際供應中應將風量減小到這一數(shù)值。

3）最小安全推進速度為2.7 m/d，而實際工作面的推進速度在4 m/d，較符合安全推進速度，但應隨實際情況進行靈活調(diào)整，在到停采線前或者特殊情況下應減少推進速度，并采取相應預防措施保證工作面安全生產(chǎn)。