1、第2期基于乌东煤矿采空区“三带”气体特征的煤自燃早期预警研究王磊1，吴兵2，李超2（1.国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐830000；2.中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京100083）摘要：采空区煤自燃是影响矿井安全生产的重大灾害之一，不仅会产生有毒有害气体，还会诱发瓦斯爆炸等次生灾害，造成严重的人员伤亡和重大的经济损失。本文通过对乌东煤矿B1+2煤层煤样的程序升温实验和现场测定，确定了采空区自燃“三带”范围和不同区域自然发火标志气体预警阈值。研究发现，CO为自然发火主要标志气体，C2H4/C2H6和C3H8/C2H6为辅助指标，CO浓度阈值为散热带最大
2、值和平均值均为210-6%，氧化带最大值为1.810-5%，平均值为1.0810-5%，采用多重指标阈值提高了预测预警体系的可靠性，为矿井火灾防治提供了新思路和理论参考依据。关键词：自然发火；标志气体；预测预警；阈值；自燃“三带”中图分类号：TD75文献标识码：A文章编号：2096-7691（2023）02-023-05作者简介：王磊（1990），男，硕士，工程师，现任职于国家能源集团新疆能源有限责任公司乌东煤矿，主要从事煤矿火灾防治研究工作。Tel：17799140829，E-mail：引用格式：王磊，吴兵，李超.基于乌东煤矿采空区“三带”气体特征的煤自燃早期预警研究 J.能源科技，2023
3、，21（2）：23-27.0引言煤的自燃是引发矿井火灾的重要危险因素之一1-3，我国超过80%的开采煤层存在自燃倾向4-5，每年超 4 000 余起灾害是由煤层自燃引起，严重威胁矿山安全生产，造成严重的经济损失和人员伤亡，煤层自燃是目前实现安全生产亟须解决的问题6-10。煤自燃标志性气体是监测煤自燃的重要指标，孙振武等11-14分别通过实验方法对煤自然发火标志性气体临界值及优选做了深入研究，但 CO 等标志性气体的产生受煤层条件、采掘方法、开采环境等多种因素的影响15，实验研究结果还需要进一步现场测试验证；朱玉等4，16-17通过实验和实测对标志气体的分布规律进行了探索，但没有划分区域继续探讨
4、；孙留涛等18-20对煤层自燃“三带”划分进行了深入研究，没有对“三带”中标志气体的临界值进行探讨。因此，本文通过程序升温实验和不同点位现场测试的方式探究了乌东煤矿B1+2煤层自然发火的标志性气体及阈值，划分自燃“三带”，根据标志气体阈值和“三带”划分建立煤自燃早期级预警体系，为乌东煤矿B1+2煤层自然发火的预测预警提供理论基础和科学依据。1工作面概况+450 m B1+2工作面为本项目B1+2煤层测定对象工作面，位于南区工业广场保护煤柱以东，其东边界为采区边界煤柱，西边界为工业广场保护煤柱，北面98 m是B3+6煤层，南面为B1+2煤层的底板，北面为B1+2煤层的顶板；上部距石门以东 02
5、520 m 为+475 mB1+2煤层综放采空区，采用全部陷落法管理，已基本塌实。该工作面开采水平为+450水平，布置B1、B2两条主要进回风巷，采用“U”型全风压通风系统，配风量770 m3/min。工作面走向长度2 520 m，宽度30 m，阶段高度为25 m（+450+475 m），平均厚度为30 m，可采储量约172.4 万 t，倾角为8689。顶煤采用自然垮落法落煤，采空区采用全部垮落法处理方式。2自然发火标志气体程序升温实验测定2.1煤样选取与制备煤样选自乌东煤矿南区+450 m B1+2工作面采空区煤壁，现场封存转移至实验室，破碎筛选1 g粒径为100 目的颗粒为实验样本。2.2
6、实验过程如图1所示，煤自然发火气体产物模拟实验装第21卷 第2期Vol.21 No.22023年4月Apr.2023第2期置，将制备好的煤样放入样品管内，连接好实验仪器并检查气密性，供气流量设为 100 cm3/min；25 80 时升温速率设为0.5/min，80 200 时升温速率设为1.0/min，200 300 时升温速率设为2.0/min；每隔20 min通过定量进样器将气体样本输送至色谱仪中，计算出口处气体浓度。1234567891-控温仪；2-温度记录仪；3-电炉和样品管；4-定量进样器；5-G2800T色谱仪；6-G2700F色谱仪；7-甲烷转化炉；8-时间延迟器；9-色谱数据
7、处理机图1煤自然发火气体产物模拟实验装置流程2.3氧化气体产物实验结果及分析煤样氧化过程中主要研究了CO、C2H4、C3H6、CH4、C2H6、C3H8和C2H2等气体的浓度随煤温变化的规律。图2为CO、C2H4、C3H6、CH4、C2H6、C3H8和C2H2浓度随温度变化关系，由图2可得，煤氧化过程中CO最早出现并伴随整个氧化过程，CO浓度的曲线随温度的升高始终呈现增加的趋势，25 时CO的浓度开始出现变化。当温度低于223 时，CO浓度与温度的关系基本符合指数关系，拟合关系式为y=0.028e0.071x，拟合优度为0.998；当温度高于223 时，CO浓度增长打破先前的规律，以更快的速度
8、增长。工作面中出现CO气体，应及时跟踪监测，CO浓度出现明显上升趋势或突然增加，应当立即采取措施。CH4、C2H4、C3H6、C2H6、C3H8和C2H2的浓度曲线随温度的升高也呈现增加的趋势，温度达到 106 时开始出现 C2H4，温度达到106 时C2H6和C3H8浓度均有明显增加趋势，煤样的氧化速率开始加速；温度达到190 时开始出现C3H6气体，煤样温度迅速升至最高温度，煤样氧化反应更加剧烈，实际生产中一旦监测出C3H6气体应立即采取有效防治措施控制；温度达到340 时出现C2H2气体，同时CH4出现大幅度上升。图3是煤样自然发火过程中的烯烷比（C2H4/C2H6）和链烷比（C2H6/
9、CH4，C3H8/CH4，C3H8/C2H6）。由图 3 可知，烯烷比值和链烷比值随温度的变化呈现出一定规律性，由于煤矿中CH4的来源主要为煤吸附的涌出，煤氧化过程产生的CH4占采空区CH4总量的极小部分，影响CH4浓度变化的主要因素为采掘工作导致的煤吸附CH4的涌出，因此不选用C2H6/CH4，C3H8/CH4作为煤自燃的标志气体指标。C2H4/C2H6的比值范围为0.0650.330，190 时达到最大值0.330，C3H8/C2H6的比值范围为0.1420.409，190 时达到最大值0.409，C2H4/C2H6和C3H8/C2H6可以作为自然发火辅助指标，当C2H4/C2H6的比值达
10、到0.330或C3H8/C2H6的比值达到0.409，说明工作面煤层已出现190 高温，有较大的自然发火风险，应立即采取措施。煤温/180 200 220 240 260 280 300 320 340 3600.450.400.350.300.250.200.150.100.05烯烷比0.50.40.30.20.10.0C2H4/C2H6C2H6/CH4C3H8/CH4C3H8/C2H6链烷比图3煤样自然发火过程中的烯烷比和链烷比综上所述，乌东煤矿B1+2煤层自然发火的标志性气体有CO、C2H4、C3H6、C2H6、C3H8和C2H2，其中CO为主要标志气体，C2H4/C2H6和C3H8/C
11、2H6为辅助指标。3工作面不同测点标志气体现场测试3.1监测点布置乌东煤矿+450 m B1+2工作面为“U”型全风压通风工作面，流经采空区的漏风会汇集进入采空区回风侧，回风侧气体组分浓度能够反映整个采空区煤自然发火情况，因此，只对采空区回风侧进行了实测。图4是工作面监测点布置，监测点均布置在工作面回风顺槽，从距离回风隅角70 m位置开始由外向内铺设2根取气束管，束管外用 79 mm 双抗 PVC 管进行保护，1 号监测点设置在回风隅角，2号监测点布置在距离1 号监测点30 m位置处，监测点结构如图5所示，每个监测点设置一个取气三通，取气三通高出底板1 m，防止监测点被水或煤泥堵塞，监测点内设
12、有测温热电偶，持续监测采空区不同位置的温度。在对采空王磊等：基于乌东煤矿采空区“三带”气体特征的煤自燃早期预警研究温度/010020030040050012 00010 0008 0006 0004 0002 000060050040030020010001.61.41.21.00.80.60.40.20.0COCH4C2H6C3H8C2H2C2H4C3H6CO浓度/（10-4%）图2煤样升温氧化过程中CO、C2H4、C3H6、CH4、C2H6、C3H8和C2H2浓度与煤温间关系24第2期区内进行自然发火标志气体实测的同时，利用M40多种气体检测仪和菲利尔TG165红外热成像仪对工作面、架间、
13、回风隅角、回风流的自然发火标志气体及温度进行了检测。采空区束管及温度采样点测温导线、束管及保护套管30 m回风巷工作面采空区进风巷2 号1 号图4采空区采样点平面布置透气孔保护套管束管连接件封泥1 000 mm测温热电偶图5采空区采样点结构3.2实测结果分析图6是采空区监测点CO浓度随埋深变化曲线。由图6可知，CO随埋深的变化有着明显的规律变化，1 号监测点中的CO浓度呈现递增的趋势，CO浓度最大值为1410-4%，2 号监测点的CO浓度曲线有先增加后减小的趋势，变化较为明显，CO浓度最大值为1810-4%。在现场实测中，回风流、6号7号架、8号9 号架、10 号11 号架和 12 号13 号
14、架均未监测出CO，2号3号架、4号5号架和回风隅角监测出少量CO，如图7所示，2号3号架和4号5号架的CO浓度在0210-4%波动，浓度低且不连续，回风隅角有CO的浓度较高，最高达到510-4%，其曲线变化呈现出不连续增长，稳定性较差。综上所述，架间和回风流中的CO浓度较低，灵敏度较低，回风隅角的CO浓度相对较高，但是呈现不连续增长，稳定性差，架间、回风流和回风隅角的CO浓度变化不适合应用于煤自燃早期预警，采空区监测点中CO浓度变化具有连续性和一定的规律性，可应用于煤自燃早期预警。埋深/m05101520253020151050CO浓度/（10-4%）1 号测点2 号测点图6采空区监测点CO浓
15、度随埋深变化曲线时间/d02468101214543210CO浓度/（10-4%）2 号3 号架间后部4 号5 号架间后部回风隅角图7架间及回风隅角CO浓度曲线3.3采空区自燃“三带”划分自燃“三带”的划分还没有统一的指标参数，目前最常采用氧气浓度法进行自燃“三带”划分，即O2体积分数18%为散热带，O2体积分数7%为窒息带，否则为氧化带。图8是监测点的O2体积分数随采空区距离变化曲线。由图8可知，O2体积分数随着埋深的增加呈现单调递减的趋势，距离工作面02.7 m时1号监测点的O2体积分数18%，距离工作面27.7 m时2号监测点的Q2的体积分数下降到7%以下，且O2体积分数曲线稳定。为了更
16、有效地防控该工作面煤层的自然发火，综合两个监测点O2体积分数的实测数据，B1+2工作面的自燃“三带”划分结果如下：散热带02.7m，氧化带2.727.7 m，窒息带为距离工作面超过27.7 m的区域。埋深/m051015202530窒息带氧化带散热带2220181614121086O2/%1 号测点2 号测点7%8%图8监测点O2体积分数随采空区距离变化曲线4基于采空区“三带”煤自燃早期预警4.1煤自燃早期预警阈值确定图9为煤自燃“三带”中CO浓度分布。由图9可知，散热带中CO浓度在0210-4%内，0点为人为设25第2期定实际未埋入，因此散热带中的 CO 平均浓度为210-4%；氧化带中CO浓度为210-4%1810-4%，CO平均浓度为10.810-4%，窒息带对于煤自燃早期预警的指导意义较低，暂不考虑窒息带煤自燃指标气体的阈值问题。综上所述，基于采空区“三带”煤自燃早期预警阈值分别为：散热带监测最大值大于210-4%或监测平均值大于 210-4%；氧化带监测值大于1810-4%或监测平均值大于10.810-4%。埋深/m05101520253020151050CO浓度/（10-4
