陈汝豪

(山西焦煤霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 木瓜煤矿，山西 方山 033100)

1 工程概况

吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿开采的9号煤层为复杂结构煤层，煤层倾角4～8°，煤层厚度1.5～3.4 m，平均2.65 m，煤层中部含夹矸2～3层，煤岩类型为半亮型焦煤，9号煤层标高927～988 m，地面标高1 225～1 335 m，盖山厚度227～424 m。木瓜煤矿属于合并重组矿井，整合后的矿井设计资源储量为6685万t，矿井设计可采储量为4 171万t，生产能力为120万t/a，预计生产年限为24.83 a。木瓜煤矿采用斜井开拓方式，结合矿井现有井下开拓系统，设计采用一个水平开拓全井田，水平标高为+940 m。采用综合机械化采煤工艺，工作面长110 m，回采工作面采煤机截深选择0.6 m。根据木瓜煤矿自燃火灾风险评价报告，9号、10号煤层自燃倾向性等级为II类，均属自燃煤层，存在矿井自然发火危险性。为防止9号煤层开采过程中采空区遗煤自燃，本文采用程序升温氧化实验，确定9号煤层采空区自然发火的标志性气体，建立采空区遗煤自燃监测预报体系，为矿井安全生产保驾护航。

2 煤层自燃标志性气体实验测试及优选

当煤层具有自燃倾向时，回采工作面后方采空区遗留的煤炭，由于与空气接触，很容易发生煤层自燃现象。煤的自燃是一个渐进过程[1]，当易燃煤体与空气(氧气)接触以后，煤体表面将发生一系列的化学反应(氧化反应)，伴随着大量的热量和气体产生，产生的热量，会伴随着空气的流通向周围散失，当热量产生的速度大于其散失的速度时，热量就会逐渐积聚，最终导致自然堆积的煤体燃烧起来。在温度逐渐变化的过程中，不同温度状态下，化学反应产生的气体成分差异较大，因此可根据空气中特定气体的出现来进行煤炭自然发火的预测预报，这些气体通常称为标志气体。标志性气体分析法在全国多个矿区得到了广泛应用，相关的理论和工艺已相当完善，因此设计采用该方法进行木瓜煤矿9号煤层回采过程中的自燃预报。但由于不同矿井和煤质等条件下的煤体自燃的标志性气体差异非常大，为更加准确地对木瓜煤矿9号煤层采空区进行监测，现采用程序升温氧化实验，对不同温度条件下各种气体的产生情况进行分析，最终确定其标志气体。

2.1 实验方法和装置

采用“煤自燃特性综合测试系统”对木瓜煤矿9号煤层煤样进行相关实验，研究确定其标志气体，实验系统的组成如图1所示。主要仪器为煤样加热装置、温度控制装置和气体成分采集和分析装置[2]。实验过程：从井下取回适量的9号煤煤样，筛选出60～80目的颗粒50 g，将煤样放置在铜质煤样罐内，然后连接好气路，并检查气路的密封性，开始测试时向煤样罐里通入适量的干燥空气，通过程序逐渐提高煤样罐内的温度，升温梯次为1 ℃/min，温度由0 ℃逐渐升至280 ℃，温度每升高10 ℃进行一次气体取样，进行气体成分和浓度分析。

2.2 实验数据分析

2.2.1 CO、CO2气体产生规律

图2为9号煤煤样CO浓度随煤温的变化趋势，由图2可以看出，煤样在70 ℃到280 ℃的氧化过程中有规律地出现CO气体，温度大约在70 ℃时CO的浓度开始发生变化，在70～150 ℃时，CO的浓度呈缓慢平稳增长的趋势，说明此时煤体表面氧化速度逐渐增加；当温度超过150 ℃时，CO的产生量快速增长，煤样进入激烈氧化反应的阶段，此时即可认为煤体已经进入了自燃的阶段。因此可以将CO的浓度变化作为煤层自燃发火的判断依据，当产生CO而浓度较低时，说明煤层已经开始氧化反应，当CO浓度迅速增大时，即表示煤层将自燃。

图1 煤自燃特性综合测试系统原理结构

图2 9号煤煤样CO变化趋势

图3为9号煤煤样CO2浓度随煤温的变化趋势，由图3可以看出，当温度为30 ℃时，开始产生CO2，当温度为100 ℃时，CO2浓度开始变化，随着温度升高，其浓度逐渐增大。煤炭资源开采过程中，空气中CO2来源较广泛，如煤层裂隙内原本吸附的CO2、以及现场施工人员产生的，并且其性质较活泼，易溶于水，因此，CO2不宜作为本煤层的自然发火标志气体。

图3 9号煤煤样CO2变化趋势

2.2.2 烷烃气体产生规律

图4为9号煤煤样烷烃气体浓度随煤温的变化趋势，由图可以看出，C2H6气体开始出现的温度为150 ℃，C3H8气体开始出现的温度为160 ℃，C2H2、C2H4气体开始出现的温度为180 ℃；不同气体开始产生的浓度不同，C2H6、C3H8开始出现后，浓度随着温度变化呈规律性增长，而C2H2、C2H4开始产生后，其浓度剧烈的增长，因此可将C2H2、C2H4作为木瓜煤矿9号煤层的自然发火标志气体，C2H6、C3H8作为本煤层自然发火标志气体的辅助指标。

2.3 9号煤指标气体选择

1) 9号煤层回采期间，对采空区各种气体的浓度进行监测，温度在30～150 ℃时将CO作为标志性气体，当检测的CO浓度上升速度迅速增大，即表明采空区煤体温度已经上升到70 ℃以上，当监测到C2H4时，即说明温度已经上升到180 ℃以上，表明煤层的自然发火进入了加速氧化阶段，当检测到C2H2时，说明煤已发生了剧烈的化学反应。

2) C2H6、C3H8产生规律能够反映煤自燃特性，可以作为本煤层自然发火标志气体的辅助指标。

3 煤自燃监测系统应用

3.1 系统组成

木瓜煤矿9号煤层自燃监测系统主要分为井上和井下两个部分，井上设施负责对井下采集样本的分析和处理，井下设施进行井下空气的采集[3-4]，主要采集工作面后方采空区和采煤工作面的气体浓度，具体布置情况如图5所示，将空气成分采集装置(束管)布置在工作面回风巷，在采空区内共布置三个采样点，采样点间距约为50 m，即采空区的监测深度为150 m；在采煤工作面与回风巷拐点处布置一个采样点，对工作面的气体成分进行监测；停采线对应的回风巷内布置一个采样点，监测整个工作面的气体组成。

当回采工作面回采完毕后，在停采线对应的进风巷和回风巷内设置一个采样点，监测采空区内气体含量的变化，进行长期的监测预报工作。测点布置如图6所示。

图4 9号煤煤样烷烃气体产生规律

图5 工作面采空区“三带”观测测点布置

图6 工作面封闭后测点布置

3.2 监测系统管理措施

1) 加强检查和监测力度，通过与地面主机联网进行监测监控，工作面回采初期和回采至距离停采线较近时，加强管理，发现问题及时处理，将火灾消灭在萌芽状态。

2) 加强日常对采空区CO、烷烃气体和温度的监测，每月至少对采空区气体进行一次抽样化验，发现自燃及时采取针对性的灭火措施，回采工作面初期和末采阶段采用灌浆法进行采空区封闭措施，工作面架间喷洒阻燃剂进行防火。

3) 如井下有火区，则在火区的回风巷内和火区防火墙设火区观测站，由监测系统传感器采样监测。一旦发现回风流内CO气体和温度升高，则应引起重视，若连续检测到CO，且浓度及温度升高，则视为发火预兆，必须采取灭火措施，启动灭火预案。

4 结 语

通过程序升温氧化实验，确定了木瓜煤矿9号煤层采空区发火标志气体为CO、C2H4、C2H2，并将C2H6、C3H8作为本煤层自然发火标志气体的辅助指标，建立了采空区遗煤自燃监测预报体系，根据监测结果采用灌浆、喷洒阻燃剂等治理措施，对木瓜煤矿9号煤层工作面自然发火进行防治，取得了良好的应用效果。