南庄矿工作面通风及自然发火分析研究

荣江海

（南庄煤炭集团有限责任公司南庄分公司，山西 阳泉 045000）

火灾作为五大灾害之一严重影响着煤矿的正常开采生产过程，而采空区煤体由于其开采过后形成了空旷地带，氧气等气体浓度富集在此，常常发生自燃，通常情况下合理控制工作面推进速度便不会对工作面的正常生产造成影响，根据这一特点，通过测定进风侧及回风侧中各影响气体的浓度变化情况对南庄矿8824工作面的煤层自然发火情况进行分析研究，以保证为该工作面的安全生产提供依据。

1 矿井概况

南庄矿8824工作面采用放顶煤采煤工艺，全部垮落法处理采空区，该面地质储量约220万t，设计可采储量190万t，工作面预计服务年限13个月。在经有关机构对煤矿瓦斯等级进行评估以及对二氧化碳涌出量进行结果鉴定发现，南庄矿井瓦斯绝对涌出量约136 m3/min，相对涌出量约31 m3/t；二氧化碳绝对涌出量约8.2 m3/min，相对涌出量约1.8 m3/t。符合高瓦斯矿井的鉴定指标[1]，在实际开采工程中应加强通风以及瓦斯防治工作，该矿煤层自然发火气体极其浓度（体积分数，下同）已由实验测得，见下表1。现对南庄矿8824工作面各项气体浓度进行分析处理。

表1 自然发火气体及其各温度下浓度

2 通风系统构成及煤层赋存特性

2.1 进风路线

地面→主副井筒→井底车场→运输大巷→区段运输平巷→8824工作面→区段回风平巷→回风大巷→风井井筒→地面。

2.2 反风路线

地面→风井井筒→回风大巷→区段回风平巷→8824工作面→区段进风平巷→轨道运输大巷→井底车场→主副井筒→地面。

2.3 工作面煤层赋存特征

该8824工作面地质结构复杂但煤层赋存较为稳定，总煤层厚度平均6 m左右，倾角7°左右变异系数≤25%，含两层矸石，上层0.2 m、下层0.4 m，以泥岩砂泥岩为主。该煤层水分4.5%、灰分21%、挥发分10%、发热量27 MJ/kg、含硫量1%属于无烟煤品质。煤层顶底板特性见表2。煤层直接顶为容易破碎的泥岩厚度约1 m，抗压强度13 MPa；基本顶厚度达6 m，以砂岩为主，抗压强度35.5 MPa；底板砂泥岩厚度4.6 m，矿压强度17.9 MPa。可以看出该煤具有自然发火倾向，采空区遗煤在长期风化等影响下会产生自燃现象[2]。且南庄矿的地质条件较为复杂，但煤层赋存比较稳定，在正常通风系统供风过程中，特别容易发生风量的泄露问题，因此应对实际供风量进行监测，并设置局部通风机对区段平巷等风量无法保障区域进行风量的充足供应。

表2 8824工作面煤层顶底板特性示意表

3 工作面气体浓度测定

3.1 测定内容及原理

根据采集工作面推进过程中气体的赋存浓度组分来判定煤体自然发火的温度及气体组成，以达到对工作面自然发火的监测防治效果。自然发火通常是煤与氧气发生接触时因化学反应放出热量导致的煤体温度上升自燃，其一般过程为缓慢氧化、加速氧化、剧烈氧化三个阶段[3]，如下页图1示，其中，Tb为煤样着火点，Tc为煤样高温点。通过煤体氧化自燃这一过程可以看出，煤体在温度升高的过程中需要一定的外界空气条件，可通过测算气体组成及浓度，计算出煤体自燃的临界温度及气体条件，达到判断煤体自燃发生条件等效果。

图1 煤体自然发火的三个阶段

3.2 浓度测定分析

3.2.1 氧气浓度

经对8824工作面回风侧氧气浓度进行监测，回风平巷最低处氧气浓度在19.56%左右，采空区整体随着回采深入氧气浓度呈现下降趋势，在距离采空区100 m左右降至12.56%左右，而深入至190 m处氧气浓度仅剩8%；进风侧由于新鲜风流的影响氧气浓度较高，在采空区90 m处氧气浓度降至18%，当距采空区240 m处氧气浓度降至8%左右。

3.2.2 一氧化碳浓度

在工作面的正常开采过程中，一氧化碳的浓度有着先升后降的规律性变化趋势，在距离采空区25 m处，回风侧一氧化碳浓度（体积分数，下同）为64×10-6，此处氧气浓度在12%左右，符合煤体自然发火条件；此后一氧化碳浓度有着下降趋势，在距离采空区190 m处测得其浓度在86×10-6；同样进风侧由于新鲜风流一氧化碳整体浓度偏小，在采空区40 m以内，由于其浓度过低难以检测，直至150 m左右浓度才有明显的数值显示，在距离采空区230 m左右进行数据监测显示浓度值为89×10-6，该值也为其浓度最大值。

3.2.3 二氧化碳浓度

在8824工作面回采过程中，距离采空区25m处二氧化碳浓度（体积分数，下同）达2 228×10-6，随着工作面推进，其浓度整体呈现增大趋势，回风侧浓度在180 m处可达1.8×10-2，进风侧达到2.0×10-3左右。可以看出煤体空隙中析出了一部分原生二氧化碳，浓度随开采推进逐渐增大。

3.2.4 甲烷浓度

工作面推进过程中，甲烷整体浓度同样呈现上升趋势，且采空区浓度明显较高，回风侧最大值可达6.6%。进风侧由于风流影响较大，甲烷监测不太明显。而且经分析可知整体监测甲烷大多为煤层游离态瓦斯，仅少部分为煤层氧化原因产生的。

整理以上数据，对各气体浓度监测的数据可见表3和表4。

表3 进风侧各气体浓度汇总表

表4 回风侧各气体浓度汇总表

3.3 数据分析结论

氧浓度对煤体的氧化有着一定影响，根据南庄矿高瓦斯矿井及煤层自然发火特性，分析得出其下限氧气的浓度为8%；氧气浓度在21%、10%、8%时的煤体自然温度分别在78℃、85℃、98℃。合理控制供风量可对煤层自然发火事故的产生起到抑制作用。

根据上述数据可以看出，氧浓度的不同，可以将8224工作面自然区域进行划分：进风侧，在0~100 m为散热带，距离工作面较近，氧气浓度较高。在100~240 m范围内可以划为氧化升温带，为煤自然发火的关键区域，整体宽度140 m左右。大于这个值为窒息带，由于氧气浓度过低基本不会发生氧化还原反应；回风侧由于本身污风氧气含量较低，只有0~13 m这一短距离为散热带。13~190 m长达180 m左右的氧化升温带，大于这一数值为窒息带；而在采空区中部区域，数据较平均，0~50 m的散热带，50~210 m范围160 m的氧化升温带，大于这一数值为窒息带，见图2。

图2 南庄矿自然发火带分布示意图（m）

可以看出两者的不对称性，进风侧略窄，140 m的氧化升温区域，回风侧较宽为180 m。氧化带距离回风下隅角较近，在开采生产过程中，自然发火的主要影响在于回风侧自燃带遗留煤体。采空区氧化区域的宽度与通风量有很大关系，随着通风量的增加，氧化升温带会逐步向采空区深部移动，且宽度会逐渐缩小，因此合理的通风可以保证将自然发火区域推移至不影响工作面正常推进的范围内，以避免采空区遗煤自然发火现象的发生。

因此根据这一数值特征，可以将南庄矿的最小安全推进速度定位2.7 m/d，以避免自然发火的影响，确保煤矿安全生产。

4 结论

1）通过对南庄矿工作面各气体浓度测定可以得出为避免煤体自然发火对煤矿开采生产的影响，应在8825工作面回风隅角处设置风障，以达到对风流的引导作用减少氧化升温带长度。

2）该工作面的回采最小需风流的计算量在1 160 m3/min，因此在实际供应中应将风量减小到这一数值。

3）最小安全推进速度为2.7 m/d，而实际工作面的推进速度在4 m/d，较符合安全推进速度，但应随实际情况进行灵活调整，在到停采线前或者特殊情况下应减少推进速度，并采取相应预防措施保证工作面安全生产。