张剑青

（山西西山煤电股份有限公司镇城底矿，山西 古交 030203）

1 矿井概况

镇城底矿井田位于西山煤田的西北边缘，地处山西省古交市。22208综采工作面井下位于南二采区，北为22207工作面（现采），西邻22206回采工作面（已采），北东接南二采区回风巷、皮带巷、轨道巷，南西为南翼上组轨道巷(现掘)、皮带巷、回风巷，其他为未采区。22208工作面所采煤层为2、3号煤，煤层稳定，煤层厚度平均为3.4 m，煤层倾角平均7°。煤尘有爆炸危险性，煤的自然发火倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。22208工作面本煤层回采时绝对瓦斯涌出量为5.7 m3/min，邻近层绝对瓦斯涌出量为2.53 m3/min。

2 煤层自燃标志性气体实验研究

煤样选自镇城底矿2号煤层22208综采工作面。煤自然发火气体产物模拟实验装置流程见图1，由各项设备组装而成。煤样选取重量1 g、粒度100目的试验样品，取样间隔20 min/次，试验条件为供气流量100 cm3/min。

图1 煤自然发火气体产物模拟实验装置流程

煤自燃一般分为三个阶段：缓慢氧化阶段、加速氧化阶段以及激烈氧化阶段。若采用CO单一指标进行预测预报，将导致在某些阶段可靠性降低；因此，应探索其他以烯烃和烷烃气体作为指标气体进行辅助预测[1-2]。

实验过程中对所收集的2号煤层煤样进行升温氧化实验，根据实验所得的数据对气体成分、浓度和标志性气体进行详细分析。煤样实验过程中的气体生成情况进行分析可得其浓度变化趋势见图2、图3。

图2 煤样CO和CO2变化趋势

图3 煤样CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C2H2变化趋势

通过上述煤样实验，可以得到以下结论：

（1）CO出现临界温度在38℃～193℃。

（2）C2H4和C3H6出现临界温度为225℃和244℃，C2H4出现表示煤进入加速氧化阶段，C3H6的出现表示煤进入激烈氧化阶段。

（3）在煤的氧化过程中，也会产生少量的C2H2，出现临界温度为323℃，此时已进入完全燃烧阶段。

3 束管监测系统

3.1 束管监测系统建立

束管监测系统由矿用色谱仪、束管系统、采集系统组成。地面设置气体分析中心，束管从地面铺设至井下采空区，采用气泵采集采空区气体，采用矿用色谱仪进行分析，实时测定各测点的气体组分浓度。束管监测系统主要由地面气体分析中心和井下束管取样系统组成[3]。

气体分析中心组成：

（1）真空泵，通过气体取样控制装置汇接总管缆，将各监测取样点的气体抽至气体分析中心的分析仪器。

（2）气体取样控制部件，巡回取样，逐点分析。

（3）专用气相色谱分析仪，仪器由微机自动控制，可实现各点间不间断循环采样分析。实现煤矿气体全组分的自动分析，矿井空气、火灾气体、瓦斯爆炸气体的常量（%浓度）及微量（ppm浓度）组分的分析。分析常量：O2、N2、CH4、CO2； 微量：CO、C2H4、C2H6、C2H2。

井下采集气体部分组成：采样器、过滤器、束管。

井下工作面开切眼形成后，将采样器及束管铺设至井下，采样器用木垛保护起来，束管用2号无缝钢管保护，沿工作面两巷进行铺设，连接到地面气体分析中心，开启气泵后，将采空区气体输送至色谱仪，分析气体成分。

3.2 束管铺设方案

束管监测系统建成后，可采集大范围的气体至气体分析中心，在没有布置束管采样点的范围内，可采用人工气囊取样送至分析中心进行分析判定。

（1）束管取样头布置

在22208工作面进风巷、回风巷沿着壁面铺设两组束管，每组3根束管，各束管采样头的间距为20 m，每根束管分别固定上温度传感器。两组束管分别接入束管监测系统，利用抽气泵通过束管把测点的气样抽至地面，利用气相色谱仪进行连续分析。每次下井时测量温度传感器的电阻值，按标号记录下来，升井后利用公式反算出温度。

22208工作面束管监测系统布置见图4，具体步骤为：

图4 22208工作面束管监测

①将束管与温度探头进行捆绑，并采用钢套管对其进行保护，然后将装置布置于两巷中，进行采集气体并测量采空区煤的温度。

②在工作面两巷共布置6个测点，每边3个，间距为20 m。

（2）取样头

由于采空区内存在冒落岩石、积水等情况，因此要对束管进行钢套管保护，在每个探头部位焊接三通支管，三通管长度为0.5 m左右，与主管正交布置，在套管顶端布置8个左右5 mm的小孔，用于收集气体，在束管取气探头处设置3个小孔，并包裹纱布防止泥浆堵管。束管取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。取样头连接见图5。

图5 取样头连接

（3）套管

为了方便套管在井下运输，套管采用6 m长的分段，两端带有滑动法兰盘，在设置取样头的位置采用三通进行连接，为方便在三通位置设置取样头，三通末端带有3个固定法兰盘，三通直线段需要剖开。所有套管都采用直径50 mm的钢管进行加工。取样头外面的套管前端必须封口并在前端0.25 m长范围周边钻6～9个直径为5 mm透气小孔。

4 数据分析及采空区三带划分

现场实测通过预埋于采空区的束管采样器及温度传感器，在回采工作面两巷方向布置束管监测点，间距为20 m。随着工作面的推进，监测点依次进入采空区三带：“散热带”、“氧化带”与“窒息带”，通过监测点抽取两巷的气体，并监测采空区煤的温度变化规律。采用气相色谱仪进行分析，根据采空区气体浓度及温度变化规律，确定采空区自燃三带的分布范围[4]。

分析采集得到的数据可知，回采工作面氧气浓度降低速率随着工作面推进位置不同而不同，采空区靠近工作面回风隅角的氧气浓度随着工作面的推进逐渐下降，这是由于漏风流氧浓度经过采空区浮煤后氧化消耗造成的。

从采空区氧浓度分析，根据1号、2号、3号三个测点氧浓度可以得到22208工作面采空区自燃 “三带”的范围应是从工作面后刮板输送机向采空区的距离：散热带宽度为小于27.2 m； 氧化带宽度为27.2～72 m；窒息带为大于72 m。根据4、5、6三个测点氧浓度可以得到工作面采空区自燃“三带”的范围应是从工作面后刮板输送机向采空区的距离：散热带宽度为小于17.6 m；氧化带宽度为17.6～67 m；窒息带为大于67 m。采空区自燃“三带”分布见表1。

表1 根据氧气浓度划分采空区自燃“三带”

5 结语

针对镇城底矿22208工作面煤层存在自燃风险的问题，采用实验室试验、现场监测和工程经验针对煤层自燃标志性气体及束管监测系统应用进行了研究：

1）工作面采空区CO出现临界温度在38℃～193℃；C2H4和C3H6出现临界温度为225℃和244℃；C2H4出现表示煤进入加速氧化阶段，C3H6的出现表示煤进入激烈氧化阶段；在煤的氧化过程中，也会产生少量的C2H2，出现临界温度为323℃，此时已进入完全燃烧阶段。

2）根据束管监测数据分析可知，采空区进风侧的散热带宽度为小于27.2 m、氧化带宽度为27.2～72 m、窒息带为大于72 m；采空区回风侧的散热带宽度为小于17.6 m、氧化带宽度为17.6～67 m、窒息带为大于67 m。