煤自燃预测预报技术的应用实践

李国为

(1.陕西煤业化工集团神南矿业公司，陕西 神木 719300；2.煤炭绿色安全高效开采国家地方联合工程研究中心神南分中心，陕西 神木 719300)

0 引言

煤自燃预测预报技术是以实验室煤自燃基础参数测定为基础的现场应用技术。根据煤自燃过程中所表现出来的各种现象，可以对现场煤自然发火危险区域及煤自燃发展阶段进行预测预报，从而为制定相应的煤自燃火灾防治技术方案提供依据。其中自然发火危险区域判定主要指采空区自燃“三带”测定[1-2]。煤自然发火发展阶段预测预报系统分为地面色谱束管监测系统和井下传感器型束管监测系统2种类型。煤自燃早期的准确预测预报，可以及早采取防灭火措施，将自然火灾消灭在萌芽状态，以免造成严重后果。

1 矿井概况

1.1 井田概况

张家峁井田位于陕西省榆林市神木市北部，井田距神木市约36 km，井田面积51.98 km2，开采深度由1 170 m至910 m标高。矿井设计生产能力6.0 Mt/a，设计服务年限为71.57 a，核定生产能力为10.0 Mt/a。井田含煤地层为侏罗系中统延安组(J2y)，含可采和局部可采煤层共有7层，分别为2-2、3-1、4-2、4-3、4-4、5-2、5-3号煤层。矿井采用平硐开拓，3条大巷均布置在5-2煤层中。目前，矿井布置二个生产水平，采用走向长壁后退式采煤法、综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板，掘进方法为综合机械化掘进工艺。

1.2 现有防灭火设施

目前矿井的防灭火设施主要有：束管监测系统、井下移动式制氮系统(600 m3/h)、阻化液喷洒系统、罗克休材料封堵密闭材料。2套井下移动式注浆(胶)系统，注浆能力分别为5 m3/h和10 m3/h。

1.3 煤层自燃倾向性

2013年8月，中煤科工集团重庆研究院有限公司依据《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》(GB/T20104-2006)和《煤的真相对密度测定方法》(GB/T217-2008)分别对2-2、3-1、4-2和5-2煤层煤样自燃倾向性进行了鉴定，各煤层最短自然发火期分别为33 d、32 d、65 d和35 d，本次以5-2煤层作为研究对象，分析采煤工作面最小日推进度及自然发火指标气体和临界值。

2 自然发火预测预报实施方案

2.1 工作面束管监测系统

束管布设路径：矿井采用8芯束管，束管路径从束管监测系统的硐室(测试室)经工作面回风巷到达工作面采空区，布设路径为：井下气体采样分析柜(硐室)→5-2煤大巷→15201工作面回风巷→工作面上隅角→工作面采空区。真空泵、气体采样分析柜和控制箱全部布置在井下硐室内。

束管采样头布设：在15201工作面前方回风巷中沿巷道底板靠近保护煤柱煤壁处布设一趟8芯束管，沿回风巷向外每隔50～80 m设置一个采样头。以上采样头一旦进入采空区即开始取气分析，直至采样头取样分析结果表明该位置已经进入窒熄带，或因为管路被砸断等原因导致分析数据无意义为止，束管采样头布设位置如图1所示。另外，该矿井回采工作面都按两进一回设计工作面通风方式，所以可以在胶带运输巷和辅助运输巷之间的密闭墙内，通过密闭墙的观测孔采集采空区内气体化验分析，得到采空区煤层自燃变化情况，增加分析的准确性、代表性。

图1 束管采样头布设图

采样头连接：束管采样头与套管必须密封连接，防止抽取到套管内气体(密封段可采用聚氨酯材料密封)，附近应用大块矸石或木跺防护，以防止浮煤、水、泥浆堵管，采样头连接如图2所示。

图2 采样头连接示意图

2.2 CO传感器设置及人工检测

CO传感器设置：①CO传感器应垂直悬挂在巷道上方风流稳定的位置，距顶板(顶梁)不得大于300 mm，距巷壁不得小于200 mm，应安装在维护方便、不影响行人和行车的地点；②工作面回风巷必须设置CO传感器，CO报警浓度为0.002 4%；③带式输送机滚筒下风侧10～15 m处应设置CO传感器，CO报警浓度为0.002 4%；④自燃观测点、封闭火区防火墙栅栏外也宜设置CO传感器，CO报警浓度为0.002 4%；⑤采区回风巷、一翼回风巷、总回风巷应设置CO传感器，CO报警浓度为0.002 4%。

人工检测：每天3班，每班使用便携仪测定工作面、上隅角、进回风巷中的O2、CH4、CO浓度和温度，发现问题及时报告，以便及时采取相应措施进行处理。检测到CO异常情况时，使用束管监测系统加强监测，并人工取样到地面实验室进行色谱分析。

3 15201工作面自燃“三带”的划分

3.1 工作面自燃“三带”划分方案确定

采空区遗煤自燃必须要有足够的浮煤厚度，使浮煤氧化产生的热量得以积聚；要有足够的氧气浓度能使浮煤产生足够的氧化热以提供煤体升温所需热能；漏风强度不能过大，以免产生的热量让风流带走。

根据张家峁煤矿5-2煤层属于容易自燃中厚煤层的特点，参考国内外的一些划分依据，结合15201工作面推进速度快，综合分析采空区一氧化碳、甲烷、二氧化碳气体、温度、距离地表深度、通风、漏风情况等，确定采用氧气来作为划分采空区煤炭氧化自燃“三带”的指标气体。

氧气浓度具体划分标准为：散热带的氧气浓度大于18%；氧化升温带的氧气浓度10%～18%；窒熄带的氧气浓度小于10%。

3.2 采空区浮煤分布

15201工作面采用一次采全高，单一走向长壁综合机械化采煤法，全部跨落法处理顶板，推进方式为后退式，采空区所丢浮煤量较少，除了回风巷、胶带运输巷所处位置丢煤较多外，其他空间丢煤少。按煤层平均厚度为5.5 m，采高为5.3 m，煤层垮落后的空隙为0.3，则得到工作面采空区最厚的浮煤厚度为1.56 m，最薄的浮煤厚度为0.26 m。采空区浮煤大致区域分布如图3所示。

图3 采空区浮煤厚度区域分布示意图

3.3 数据分析

15201工作面进行自燃“三带”所观测得到的数据见表1。依据散热带的氧气浓度大于18%、氧化升温带的氧气浓度为10%～18%、窒熄带的氧气浓度小于10%，而浮煤厚度h≤0.3m处的采空区都划为散热带或窒熄带[3]，依据此标准，即得到15201工作面采空区浮煤自燃“三带”，见表2和如图4所示。

3.4 划分结果

根据采空区浮煤划分标准，和上限漏风强度学说，从而确定了该面的采空区自燃“三带”。15201工作面采空区的氧化升温带仅分布在进、回风巷两道，每处的宽度约在7 m左右；而其他区域，由于浮煤厚度普遍只有0.26 m或氧气浓度过低(小于10%)，因此，其他区域为散热带或窒熄带。具体情况如图4所示。

表1 采空区所测得的数据表

表2 采空区自燃“三带”范围表

图4 采空区浮煤自燃“三带”划分结果图

3.5 15201工作面极限推进速度确定

综采工作面采空区散热带到采空区窒熄带的最大距离(即氧化升温带最大宽度)Lmax=180 m。依据实验室检测结果，5-2煤的最短自然发火期35 d，可知采空区可能发生自燃的工作面极限推进速度为

因此，当采煤工作面的推进速度大于5.14 m/d时，采空区无自然发火危险；当工作面连续超过35 d推进速度均小于5.14 m/d，采空区将有自然发火危险。

而工作面实际日平均推进速度为7～8 m/d，大于5.14 m/d，因此在正常回采条件下，不会引起15201工作面采空区浮煤自燃。

3.6 15201工作面采空区自燃“三带”划分评价

工作面漏风：散热带内浮厚度大于0.3 m和氧气浓度大于18%的长度在160～170 m，在这一宽度范围内，按实际工作面的推进度为7～8 m/d计算，停留时间较长，工作面推进20～24 d后，采空区浮煤才进入氧化升温带；这也说明了该工作面漏风特别严重，给防灭火工作带来难题。

浮煤容易自燃：氧化升温带宽度为170～180 m，在这一宽度范围内，氧气浓度为10%～18%，浮煤厚度大于0.3 m，属于浮煤容易自燃区域。因为该区域既有充足的供氧条件，又有适宜的漏风强度和浮煤厚度，从而具备良好的蓄热环境，使该区域的浮煤容易自燃。而按实际工作面的推进度为7～8 m/d计算，该区域停留时间较长，停留时间为23～26 d。

浮煤散失自燃：当工作面推进超过350 m后，各测点氧气浓度均下降到10 %以下，采空区浮煤才进入氧化窒熄带，在氧化升温带已氧化发热的浮煤进入窒熄带后，由于氧气浓度的降低，氧化速度锐减，产生的热量低于浮煤向环境散发的热量，最终使浮煤不能集聚热量，散失自燃可能，直到窒熄。

地表风流影响：老顶为互层状的粉砂岩与细粒砂岩，深灰色厚层状，缓坡状及小型交错层理，底部含有植物叶片化石，含白云母碎片，厚26.5～75 m。顶板岩石抗压强度平均为23.1 MPa，属不稳定型～较稳定型。因此，采空区顶板垮落时，冒落的顶板压实程度较差，给工作面漏风提供了通道。同时，工作面所回采煤层到地表距离仅在60～220 m之间，工作面回采后，裂隙直通地表，受矿井负压通风影响，使地表风流能通过裂隙直接向工作面漏风，增加了采空区的漏风量，从而加宽了采空区的浮煤自燃的散热带和氧化升温带的宽度。

3.7 5-2煤层自然发火指标性气体和临界值

根据实验室所测得的各煤层最短自然发火期、筛选的煤自燃指标气体[4-6](CO、C2H4)和工作面现场所测得的采空区自燃“三带”等防灭火基础参数，结合现场束管监测系统设置和检测、CO传感器设置和检测、人工检测和工作面煤层自燃预测预报管理，建立了煤自然发火分级预警体系，完善了矿井煤层自燃预测预报体系。

在30～130 ℃之间，可以选择CO作为该温度段内的标志气体；在120～200 ℃之间，可以选择烯烃作为该温度段内的标志气体指标。

4 结论

(1)自然发火预测预报对防治矿井内火灾至关重要，利用自然发火指标性气体来预测预报要注意其实用性、及时性和可靠性，特别是指标气体的选择和临界值的确定，必须根据矿井的实际情况，通过对各种煤样做大量的分析实验，来选择适合的指标气体，确定其临界值。

(2)在30～130 ℃之间，可以选择CO作为该温度段内的标志气体。当通风量变化不大的情况下，CO浓度上升到日常量1倍时，说明自燃煤炭的温度已经达到90 ℃左右。特别注意的是只要发现井下CO持续存在且浓度是不断增加的，就是煤炭自燃的征兆。

(3)在120～200 ℃之间，可以选择烯烃作为该温度段内的标志气体指标。由于C2H4的灵敏度较高，准确性较好，一般来说只要检测到C2H4，便可以判定自然发火进入了加速氧化阶段。