章 飛

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室，重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

煤礦開采方式是影響煤炭自燃的主要因素之一，采用下分層綜放開采方式時煤炭自燃危險性愈發(fā)突出[1]，易發(fā)生二次氧化[2]；下分層巷道破碎導(dǎo)致漏風(fēng)情況復(fù)雜，發(fā)火范圍大且難以被準(zhǔn)確預(yù)測[3]；下分層撤架時間長，采空區(qū)遺煤易蓄熱自燃；上分層隱蔽火源極易落入下分層采空區(qū)，尤其是后刮板輸送機(jī)和上隅角附近[4]，易導(dǎo)致瓦斯或煤塵爆炸，發(fā)生重大安全事故?？梢?，特厚煤層下分層綜放開采技術(shù)使得煤自燃的預(yù)防和治理的難度加大。

目前國內(nèi)外相關(guān)人員主要依據(jù)采空區(qū)溫度及氧氣體積分?jǐn)?shù)實測自燃“三帶”[5]。諸多學(xué)者提出了劃分自燃“三帶”的臨界溫度值和氧氣體積分?jǐn)?shù)參數(shù)[6]。秦榮宏等[7]以O(shè)2和CO體積分?jǐn)?shù)為指標(biāo)，針對孟巴礦劃分了下分層遺煤自燃危險范圍；張辛亥等[8]研究了厚煤層分層采煤過程中采空區(qū)自燃“三帶”；鄧軍等[9]研究了厚煤層下分層綜放工作面采空區(qū)遺煤的自燃因素；張檢波[10]分析了下分層回采時導(dǎo)致煤自然發(fā)火的因素；賈航[11]通過絕熱氧化實驗，對煤氧化現(xiàn)象進(jìn)行了研究，表明再次氧化時煤的升溫速度會有所提升，且更具有自燃傾向性。

筆者通過煤自燃程序升溫實驗分析下溝礦4#煤層煤的自燃氧化特性和極限參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷下溝礦ZF1801工作面在末采期間上、下分層采空區(qū)遺煤的自燃危險區(qū)域，對類似條件下采空區(qū)自燃火災(zāi)的防治具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

下溝礦ZF1801工作面采用下分層綜放開采方式開采，主采4#煤層，采厚為12 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為28 d。工作面平均風(fēng)量為1 026 m3/min，絕對瓦斯涌出量為 2.79 m3/min。工作面傾向長度為91 m，走向長度為1 040 m，距終采線65～580 m的實體煤上方依次回采了C1805、C1803、C1801共3個高檔普采工作面。下溝礦ZF1801工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 下溝礦ZF1801工作面巷道布置示意圖

ZF1801工作面開采至上分層C1801工作面采空區(qū)下方后，CO氣體濃度出現(xiàn)異常，在回風(fēng)巷內(nèi)CO的體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升至(160～344)×10-6，工作面 31#支架前CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)112×10-6，上隅角CO體積分?jǐn)?shù)高達(dá)(83～226)×10-6，表明ZF1801工作面在末采期間防滅火形勢十分嚴(yán)峻。

2 遺煤自燃極限參數(shù)研究

2.1 煤自燃程序升溫實驗系統(tǒng)

煤自燃程序升溫實驗系統(tǒng)主要包括：動態(tài)配氣系統(tǒng)、溫度控制及測量系統(tǒng)、煤樣氧化燃燒裝置、定量取樣系統(tǒng)、氣相色譜儀和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。煤自燃程序升溫實驗系統(tǒng)如圖2所示。

1—三通閥門；2—流量計；3—氣阻；4—穩(wěn)壓閥；5—干空氣瓶；6—氮氣瓶；7—充氣罐；8—穩(wěn)流閥；9—壓力表；10—溫控儀；11—凈化管；12、13—熱電偶；14—氧化爐；15—樣品管；16—溫度記錄儀；17—氣相色譜儀；18—定量取樣器；19—時間延遲器；20—色譜儀；21—甲烷轉(zhuǎn)化爐；22—數(shù)據(jù)處理終端。

2.2 實驗條件及過程

實驗煤樣取自下溝礦4#煤層新暴露的煤壁，密封后送至實驗室。稱取100 g粒度小于0.15 mm的煤樣，在溫度80～85 ℃條件下真空干燥后脫氣至 13 Pa 以下，再持續(xù)干燥6 h。用SDTGA5000a工業(yè)分析儀對煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，結(jié)果見表1。

表1 4#煤層煤樣工業(yè)分析數(shù)據(jù)

實驗時取1 g煤樣放入樣品管中，連接、檢查氣路后在充氣罐內(nèi)配制O2體積分?jǐn)?shù)為21%的混合氣體。打開充氣罐閥門，將氣壓調(diào)至0.1 MPa、供氣流量100 mL/min，利用溫控儀將氧化爐溫度控制在30～360 ℃?？刂?0～80 ℃階段的升溫速率為0.5 ℃/min，80～200 ℃階段的升溫速率為1.0 ℃/min，200～360 ℃階段的升溫速率為2.0 ℃/min。利用定量取樣器每隔10 min采集1次氣樣。

2.3 遺煤耗氧速率和放熱強(qiáng)度變化規(guī)律

在煤氧化自燃過程中，耗氧速率與放熱強(qiáng)度是衡量煤自燃能力的重要指標(biāo)[12-13]。根據(jù)文獻(xiàn)[14]給出的煤樣平均耗氧速率公式計算出4#煤層煤的耗氧速率隨溫度的變化規(guī)律，擬合曲線符合高斯型函數(shù)，如圖3所示。

圖3 煤的耗氧速率隨溫度的變化規(guī)律

由圖3可以看出，在溫度為30.00～410.56 ℃時，煤的耗氧速率隨煤溫升高呈指數(shù)增長；在溫度為 30.00～200.00 ℃時，耗氧速率隨溫度緩慢升高，此時處于緩慢氧化發(fā)展階段；當(dāng)溫度超過200.00 ℃時，耗氧速率幾乎直線攀升，煤進(jìn)入加速氧化階段并發(fā)生自燃；在溫度為410.56 ℃時，耗氧速率達(dá)到峰值8.45 mol/(m3·s)，煤自燃最為激烈；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，耗氧速率逐漸降低。

根據(jù)鍵能守恒原理[15-16]建立的煤氧化放熱強(qiáng)度公式對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到4#煤層煤的放熱強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，同樣對其進(jìn)行高斯擬合，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 煤的放熱強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律

由圖4可知，煤的放熱強(qiáng)度與耗氧速率有相似的變化規(guī)律，在溫度為30.00～200.00 ℃時，隨著溫度的升高，煤氧化放熱強(qiáng)度緩慢增加；在溫度為200.00～440.47 ℃時，放熱強(qiáng)度呈線性驟然上升，在440.47 ℃時，放熱強(qiáng)度達(dá)到峰值16.56 MJ/(m3·s)；當(dāng)溫度超過440.47 ℃時，放熱強(qiáng)度逐漸減小。

2.4 遺煤自燃極限參數(shù)

滿足煤自燃的外界因素極限條件被稱為極限參數(shù)，主要包括[17]：最小遺煤厚度hmin、下限氧體積分?jǐn)?shù)Cmin和上限漏風(fēng)強(qiáng)度Qmax。松散遺煤發(fā)生氧化自燃的極限條件為[18]：

(h>hmin)∩(C>Cmin)∩(Q

(1)

式中:h為采空區(qū)遺煤厚度，m；C為采空區(qū)遺煤內(nèi)氧的體積分?jǐn)?shù)，%；Q為采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度，m3/(m2·s)。

1)最小遺煤厚度

最小遺煤厚度hmin主要受煤氧化放熱強(qiáng)度、漏風(fēng)強(qiáng)度和溫度影響[19]。設(shè)采空區(qū)遺煤產(chǎn)熱速率與放熱速率處于動態(tài)平衡，最小遺煤厚度計算公式如下：

(2)

式中:ρg為空氣密度，kg/m3；Cg為空氣比熱容，J/(g·℃)；q(Tm)為溫度Tm時煤氧化放熱強(qiáng)度，J/(m3·s)；Tm、Ty為采空區(qū)遺煤、巖體溫度，℃；λm為遺煤導(dǎo)熱系數(shù)，J/(m·s·℃)。

下溝礦ZF1801綜放工作面采空區(qū)遺煤平均孔隙率取0.46，遺煤導(dǎo)熱系數(shù)為0.092 J/(m·s·℃)，冒落煤巖溫度取25 ℃，空氣密度取1.196 kg/m3，4#煤層煤的密度為1 460 kg/m3。將實驗數(shù)據(jù)代入式(2)，可計算得到不同溫度和不同漏風(fēng)強(qiáng)度條件下的最小遺煤厚度，結(jié)果如圖5所示。

圖5 最小遺煤厚度變化規(guī)律

由圖5可知，最小遺煤厚度隨漏風(fēng)強(qiáng)度的增加而不斷升高，但隨采空區(qū)遺煤溫度的增加呈先升高后降低的趨勢，遺煤溫度在90 ℃時其值達(dá)到最大。

2)下限氧體積分?jǐn)?shù)

下限氧體積分?jǐn)?shù)Cmin主要受煤氧化放熱強(qiáng)度、遺煤厚度、周圍散熱條件和煤巖體原始溫度影響，其計算公式為[20]：

(3)

式中C0為標(biāo)準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)，取值為21%。

取采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度Q為0.02 m3/(m2·s)，將實驗數(shù)據(jù)代入式(3)，可計算得到不同溫度和不同遺煤厚度條件下的下限氧體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 下限氧體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

由圖6可知，下限氧體積分?jǐn)?shù)隨遺煤厚度的增加而降低，當(dāng)遺煤厚度為0.2 m，遺煤溫度為90 ℃時，下限氧體積分?jǐn)?shù)為28.21%，已超過新鮮空氣中的氧體積分?jǐn)?shù)。故該情況下采空區(qū)遺煤厚度小于0.2 m時不會發(fā)生自燃。

3)上限漏風(fēng)強(qiáng)度

上限漏風(fēng)強(qiáng)度Qmax既受煤氧化放熱強(qiáng)度的影響，又受煤體和風(fēng)流溫差的影響，其計算公式如下[21]：

(4)

將實驗數(shù)據(jù)代入式(4)，可計算得到不同溫度和不同遺煤厚度條件下的上限漏風(fēng)強(qiáng)度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 上限漏風(fēng)強(qiáng)度變化規(guī)律

由圖7可知，上限漏風(fēng)強(qiáng)度隨遺煤厚度的增加而逐漸升高。當(dāng)遺煤厚度一定，遺煤溫度為90 ℃時，上限漏風(fēng)強(qiáng)度最低。經(jīng)過計算，當(dāng)遺煤厚度為0.08 m，溫度為90 ℃時，漏風(fēng)強(qiáng)度為負(fù)值，此時遺煤氧化所產(chǎn)生的熱量已全部散失，遺煤不會升溫自燃。

3 上下分層采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測

3.1 氣體監(jiān)測點布置

為盡早預(yù)報采空區(qū)遺煤自熱狀況，在ZF1801工作面距終采線100 m時，加強(qiáng)氣體監(jiān)測。通過束管對下分層ZF1801工作面采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測。ZF1801工作面進(jìn)入上分層C1801工作面采空區(qū)后，通過在兩巷頂板及煤壁向上分層C1801工作面采空區(qū)施工鉆孔取樣監(jiān)測。ZF1801與C1801工作面采空區(qū)監(jiān)測點位置如圖8所示。

(a)ZF1801工作面采空區(qū)監(jiān)測點布置

3.2 采空區(qū)氣體分布規(guī)律

根據(jù)ZF1801工作面采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)束管氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到ZF1801工作面采空區(qū)不同深度條件下O2與CO體積分?jǐn)?shù)變化情況，如圖9所示。

(a)O2體積分?jǐn)?shù)

從圖9(a)可以看出，隨著ZF1801工作面推進(jìn)，O2體積分?jǐn)?shù)在0～10 m和100～180 m內(nèi)緩慢變化，在10～100 m內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)迅速降低。在ZF1801工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)55 m處O2體積分?jǐn)?shù)已降至18.00%，在145 m處僅為3.79%。在回風(fēng)側(cè)125 m處O2體積分?jǐn)?shù)降至3.07%。

從圖9(b)可以看出，在ZF1801工作面采空區(qū) 0～20 m和150～180 m內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)變化不大；在20～150 m內(nèi)隨深度增加CO體積分?jǐn)?shù)先升高后降低，在70 m處達(dá)到最高；進(jìn)、回風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)分別為71×10-6、142×10-6，說明采空區(qū)中部存在煤自燃危險區(qū)域。整體上回風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)約為進(jìn)風(fēng)側(cè)的2倍，這是因為回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)速率小，煤氧化產(chǎn)生的熱量便于積蓄，從而加快了煤的氧化反應(yīng)。

通過ZF1801工作面兩巷的上分層鉆孔氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到上分層C1801工作面采空區(qū)不同深度條件下O2與CO體積分?jǐn)?shù)變化情況，如圖10所示。

(a)O2體積分?jǐn)?shù)

從圖10(a)可以看出，上分層C1801工作面采空區(qū)距工作面越近O2體積分?jǐn)?shù)越大，由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)靠近O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，進(jìn)、回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)最高分別為18%、12%，這是由于進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量大，上下分層采空區(qū)溝通，ZF1801工作面頂板破碎，新鮮風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)巷流入上分層C1801工作面采空區(qū)所致。

圖10(b)則顯示出上分層工作面采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)普遍高于下分層，最高可達(dá)450×10-6。在兩巷上方，距工作面越近CO體積分?jǐn)?shù)越高，工作面前60 m高于200×10-6，因此該區(qū)域應(yīng)作為防滅火重點區(qū)域。未采實體煤上方采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)在工作面前20～60 m內(nèi)較高，尤其是回風(fēng)側(cè)30 m處，其平均值達(dá)250×10-6，應(yīng)加強(qiáng)防滅火措施。

3.3 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

通過O2體積分?jǐn)?shù)測算法計算采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度，計算公式如下[22]：

(5)

根據(jù)實驗結(jié)果可知，4#煤層的煤在25 ℃的耗氧速率為4.832×103mol/(cm3·s)，結(jié)合實測O2體積分?jǐn)?shù)和埋深計算出上下分層進(jìn)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度，其變化情況如圖11所示。

(a)下分層ZF1801工作面采空區(qū)

由圖11(a)可知，下分層ZF1801工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度大于回風(fēng)側(cè)，并隨著深度增加漏風(fēng)強(qiáng)度逐漸減小，進(jìn)、回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)范圍分別為0～80、0～40 m，因此應(yīng)在進(jìn)風(fēng)側(cè)前80 m范圍內(nèi)采取封堵措施，以減小采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度。

由圖11(b)可知，上分層C1801工作面采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度較小，漏風(fēng)強(qiáng)度隨與工作面距離的增加而逐漸減小。工作面前方20 m范圍內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度最大，此范圍內(nèi)應(yīng)力集中且煤體破碎，是主要的供氧通道。

4 上下分層采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域判定

由于ZF1801工作面上下分層會發(fā)生物質(zhì)、能量的擴(kuò)散和交換，故存在2個自燃危險區(qū)域。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的劃分方法，對上下分層采空區(qū)遺煤自燃“三帶”進(jìn)行劃分，進(jìn)而判定ZF1801工作面回采時采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域分布特點。通過下溝礦4#煤層煤自燃程序升溫實驗和對遺煤自燃極限參數(shù)的分析，得到不同遺煤厚度h、下限氧體積分?jǐn)?shù)Cmin和上限漏風(fēng)強(qiáng)度Qmax，結(jié)果見表2。

表2 采空區(qū)遺煤自燃極限參數(shù)

現(xiàn)場實測下分層ZF1801工作面采空區(qū)遺煤平均厚度為1.4 m，兩巷側(cè)為2.0 m；上分層C1801工作面采空區(qū)遺煤平均厚度為1.0 m。根據(jù)遺煤厚度、氧氣體積分?jǐn)?shù)和漏風(fēng)強(qiáng)度，結(jié)合4#煤層在不同遺煤厚度條件下的下限氧體積分?jǐn)?shù)和上限漏風(fēng)強(qiáng)度，計算出ZF1801工作面采空區(qū)危險區(qū)域的關(guān)鍵點，從而確定遺煤自燃危險區(qū)域。采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域如圖12所示。

圖12 上下分層工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域

從圖12可以看出，下分層ZF1801工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域：進(jìn)風(fēng)側(cè)43～145 m，寬102 m；回風(fēng)側(cè)20～125 m，寬105 m；采空區(qū)中部43～122 m，寬79 m。表明自燃危險區(qū)域在進(jìn)風(fēng)側(cè)的范圍廣，在回風(fēng)側(cè)距工作面最近，影響工作面的安全回采。下分層ZF1801工作面采空區(qū)遺煤多，更有利于遺煤氧化蓄熱。上分層C1801工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域：中部最廣，范圍為20～80 m，寬60 m；在兩巷側(cè)距工作面最近，范圍為0～40 m，寬40 m，一旦出現(xiàn)遺煤二次自燃現(xiàn)象，上分層C1801工作面采空區(qū)隱蔽火源可能落入下分層ZF1801工作面采空區(qū)，不利于工作面安全生產(chǎn)。

由圖12可知，上下分層工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域最大寬度Lmax為105 m。采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)平均值為13.09%，則實驗值與實測值相似系數(shù)τ為1.6，4#煤層在25 ℃時煤的最短自然發(fā)火期τmin為 28 d，ZF1801工作面最小安全推進(jìn)速度計算公式如下：

(6)

因此，當(dāng)ZF1801工作面推進(jìn)速度低于2.34 m/d且停采28 d以上時，采空區(qū)遺煤可能發(fā)生氧化升溫，存在自燃危險性，應(yīng)嚴(yán)格控制ZF1801工作面的推進(jìn)速度。

5 結(jié)論

1)4#煤層煤的耗氧速率和放熱強(qiáng)度隨溫度的變化符合高斯型函數(shù)。隨遺煤厚度增加，下限氧體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，而上限漏風(fēng)強(qiáng)度逐漸升高；當(dāng)遺煤厚度一定時，極限參數(shù)在遺煤溫度達(dá)到90 ℃最低。綜合各極限參數(shù)變化特征，采空區(qū)遺煤厚度小于0.08 m時遺煤不會發(fā)生自燃。

2)下分層ZF1801工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域在回風(fēng)側(cè)20～125 m，寬105 m，距工作面最近；上分層C1801工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域在兩巷側(cè)距工作面最近，范圍為0～40 m，寬40 m，當(dāng)遺煤發(fā)生二次自燃時，隱蔽火源可能落入下分層ZF1801工作面采空區(qū)，從而影響工作面安全生產(chǎn)。

3)當(dāng)ZF1801工作面推進(jìn)速度低于2.34 m/d且停采28 d以上時，采空區(qū)遺煤可能發(fā)生氧化升溫，存在自燃危險性，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制ZF1801工作面的推進(jìn)速度。