0 引 言
煤层自燃是煤矿主要灾害之一。我国每年因采空区煤层自燃导致的矿井重特大事故时有发生，它容易诱发煤尘与瓦斯爆炸等二次灾害，严重威胁到井下人员生命安全[1-2]。研究表明[3-5]，煤自燃的实质就是煤的缓慢氧化放热与循环自热的过程。随着矿井机械化水平成熟，采空区遗煤量少、工作面推进速度快等逐步成为趋势，煤自燃危险性也因此大幅降低[6]。但综采工作面回撤期间，各种实际问题所造成的工作面回撤时间过长依然会造成采空区内遗煤氧化升温进而引起自燃[7]。因此，做好撤架期间煤自燃早期预测，及早发现火源并采取有效措施对于煤火灾害防治具有重大意义。
采空区煤自燃预测研究的关键在于能否准确预判火源位置及火源温度。但采空区煤自燃时的热效应极为复杂，因此要做到准确预判就必须结合矿井特点选择合理的预测方法。目前矿井煤自燃早期预测的主要方法有指标气体法、温度法、同位素测氡法等[8-10]。温度法虽然已经相对成熟，但易受风流、传感器的数量与布置范围等因素影响。同位素氡分析法比较精准，但在复杂地质条件下地表测氡技术常无法满足探测要求。指标气体法是最早应用于煤自燃早期预测的方法，目前也被最广泛使用。目前国内外常用的预测指标主要有CO、CH4、C2H4、H2、链烷比、格氏火灾系数等[11-13]。由于CO在煤自燃初期最为灵敏且容易探测，故在指标气体的优选方案中，常以CO为主、其他指标为辅[14-16]。其中，文献[17-18]提出了工作面推采过程中采空区CO产生量数学模型，为指标气体预测煤自燃提供重要思路。然而，上述研究主要针对常规工作面推采期间的煤火预测，对于工作面停采撤架期间的煤自燃预测方法，仍缺少理论研究。此外，在撤架期间的煤火防治技术方面，国内外学者针对不同采空区环境，从堵漏风、降温度、重监测等方面着手提出了一系列治理措施[19-20]。但到目前为止，关于超长综采工作面撤架期间防灭火技术却鲜有研究。
鉴于此，笔者以济宁二号煤矿9303工作面为工程背景，建立停采期间上隅角CO浓度数学模型，采用指标气体法对采空区自然发火程度进行了预测研究，并根据预测结果与工作面特点提出针对性防控措施且成功消除了煤自燃隐患，对相似工作面的采空区煤自燃早期预报与防治工作具有重要借鉴意义。
1 上隅角CO浓度数学模型
在煤层开采过程中，上隅角常出现CO积聚现象[21-22]。根据文献[17-18]，上隅角CO主要由3个部位产生：①采空区遗煤氧化；②工作面推进过程中破碎煤体氧化；③其他部位煤体氧化。数学表达式如下：
[CO]t=(W1+W2+W3)/QL
(1)
式中：[CO]t为回采期间上隅角CO浓度，mol/m3；W1为采空区遗煤氧化产生的CO量，m3/min；W2为回采过程中进入采空区的遗煤氧化所产生的CO量，m3/min；W3为煤层破碎过程中产生的CO量，m3/min；QL为采空区漏风风量，m3/min。
由于本文研究终采期间采空区遗煤氧化时的CO产生量，而W2为推采过程中进入采空区的遗煤氧化所产生的CO量，停采时已经没有遗煤进入采空区，故W2不应计入停采期间上隅角CO总浓度当中；W3一般情况下其含量远小于采空区煤体氧化所产生的CO量，故W3的含量可忽略。
W1表达式如下：
W1=αSX(1-η)φCO
(2)
故由式(1)、式(2)可得，停采期间工作面上隅角CO浓度数学模型：
[CO]c=αSX(1-η)φCO/QL
(3)
式中：[CO]c为停采期间上隅角CO浓度，mol/m3(将在后面第3.2节中预测值为通过CO相对分子质量换算得出)；α为氧化带修正系数，通常情况下综采工作面为0.3～0.5，取0.5；S为工作面煤层截面面积，m2；X为氧化带宽度，m；η为工作面采出率，%。φCO为温度为t时CO的释放速率，mol/(m3·s)。
2 煤升温氧化指标气体生成规律
2.1 煤样采集与制备
为获得该工作面采空区遗煤氧化过程中CO、C2H4的生成规律，从9303工作面选取煤样进行程序升温-色谱分析试验。由相似理论[23]，该试验煤样的指标气体生成规律与采空区遗煤自燃点基本一致。将原煤样在空气中破碎并筛分出粒度为：0～0.9、0.9～3.0、3.0～5.0、5.0～7.0、7.0～10.0 mm的5种煤样(记作1—5号)，并用5种粒度煤样各200 g组成均匀的混合煤样(记作mix)，共准备质量均为1 kg的煤样6种，具体参数见表1。分别对1—6号煤样利用程序升温箱进行加热升温试验，采集不同煤温时的气体并进行气相色谱分析。
表1 煤样参数
Table1 Coal sample parameters
煤样1号2号3号4号5号6号粒度/mm0～0.90.9～3.03.0～5.05.0～7.07.0～10.0mix平均粒径/mm0.451.954.006.008.504.18煤的质量/kg111111煤高/cm15.5016.5017.0017.5017.3015.50体积/cm3689.66689.66689.66689.66689.66689.66空隙率/%0.430.450.460.480.470.41
2.2 试验过程
该程序升温试验装置主要由供气装置、温控装置、煤样容器、气相色谱仪4个部分组成[24]。为使进气温度与煤样温度基本相同，在程序升温箱内盘旋2 m铜管，气流经旋管预热后进入煤样。试验过程中，保持供风量为120 mL/min，升温速度控制在0.3 ℃/min，当煤温每升高10 ℃，用针管采集不同煤温时产生的气体并进行色谱分析。考虑当温度达到要求后停止试验，打开炉门进行自然对流降温。通过对试验数据分析处理得到CO、C2H4生成规律与温度关系如图1所示。
图1 CO、C2H4与对应温度关系曲线
Fig.1 Relation curves between CO、C2H4 and corresponding temperature
2.3 试验结果分析
由图1a可以看出，试验过程中不同粒度煤样CO产生率随着煤温的升高整体均呈指数形式增长。在同一温度下，煤样的CO产生率会随着粒径的增大而减小。当煤温超过70 ℃左右，不同粒度煤样的CO产生速率均加快，故推断临界温度60～80 ℃；当煤温超过120 ℃左右时，CO产生率均急剧增加，故推断干裂温度为110～130 ℃。由图1b可以看出，3、5号煤样在110 ℃左右出现C2H4，其他煤样在120 ℃左右出现，故推断煤样在100～130 ℃开始裂解。
由于采空区内遗煤蓄热氧化条件复杂且较为隐蔽，遗煤粒度复杂多样，为模拟采空区真实环境下遗煤自燃，对同一温度下的不同粒度煤样的CO产生率取算数平均值，仅对各温度下的CO产生率算数平均值进行拟合处理，发现原数据点能较好地服从Exp3P2指数拟合模型，拟合结果如图1c所示，拟合参数见表2。
表2 指数拟合方程参数
Table 2 Parameters of exponential fitting equation
拟合模型Exp3P2方程y=exp(a+bx+cx3)a-8.120 28±0.435 96b0.094 81±0.005 67c-1.509 5×10-4±1.838 22×10-5
通过指数拟合可推断出不同特征温度下采空区遗煤氧化升温时的CO生成规律，具体数据见表3。
表3 不同煤温下CO生成规律
Table 3 Generating rule of CO at different coal temperatures
特征温度试验煤温/℃φCO/(10-11mol·m-3·s-1)常温条件≤30≤0.004 4临界温度60～800.049 7～0.213 1干裂温度110～1301.486 6～4.630 1
3 采空区火区监测与预测
3.1 工作面概况
济宁二号矿9303工作面属于极易自然发火煤层。工作面推进过程中共揭露正断层22条，造成采空区遗煤量大；在停采期间，工作面进风侧存在漏风；此外，由于工作面长、支架数量多等问题造成了撤架周期过长。在这些因素都为采空区遗煤自燃提供了有利条件。9303工作面具体参数如下：
开采方式长臂式机械化采煤通风方式U型开采水平-740 m水平自然发火期/d90～180(最短33)工作面倾斜长/m327.1工作面走向长/m1 624.6配风量/(m3·min-1)650煤厚/m1.5～4.5(平均2.68)日均推进速度/(m·d-1)4.21采出率/%80采空区漏风量/(m3·min-1)36
3.2 自燃“三带”观测与预测计算
采空区自燃“三带”的科学与准确划分是煤自燃防治研究的重要依据之一[25]。为准确预测9303上隅角CO浓度，根据煤自燃危险区域判定理论[26]，划分采空区煤自燃“三带”时取氧气体积分数C：①散热带C≥18%;②氧化升温带18%>C≥8%;③窒息带C<8%。通过预埋束管采集到的采空区气体经气相色谱仪分析采空区氧气浓度分布从而得到采空区自燃“三带”分布。
图2 束管样图及测点布置
Fig.2 Beam tube sample and measuring point arrangement
束管样图与测点布置如图2所示，将C—H测点预埋于工作面，两两间隔50 m，随着工作面的推进，6个测点进入采空区。工作面推进过程中每日定时采集气体数据，最后汇总分析如图3所示。
图3 C—H测点氧浓度分布
Fig.3 Oxygen concentration distribution of C—H measurement point
根据9303工作面采空区氧浓度分析可知，散热带宽度最大38 m，氧化带宽度最大112 m，窒息带宽度大于124 m。则将X=112 m代入式(7)，结合不同煤温下CO生成规律及工作面参数推导出采空区火区不同特征温度区间与对应范围的上隅角CO浓度预测值,见表4。
表4 CO浓度预测值
Table 4 Predictive value of CO concentration
火区温度/℃上隅角CO浓度预测值/10-6常温(≤30)≤36.30临界温度(60～80)410.02～1 758.05干裂温度(110～130)12 264.33～38 197.95
3.3 工作面监测气体分析
2017年3月31日，9303工作面回采完毕进入终采撤架阶段，工作面采用局部通风方式，风量减小至450 m3/min。为获得采空区自然发火情况，对工作面、上隅角及回风流CO、C2H4浓度进行实时束管监测，测点布置如图2b所示。
撤架过程中，2017年5月28日至6月4日工作面隅角及其回风流中束管检测到CO，如图4所示。根据整体数据波动可以得出，进入五月末，CO基本保持在正常水平，但到5月30日，166号架处气体出现异常，同时133号架气体也存在异常但整体水平低于166号架处，16—99号架气体浓度水平基本保持在正常水平，到5月31日，特征更为明显。此时，可以推断99—166号架段后方采空区氧化带附近存在火区，撤架工作也于5月31日暂停。
到6月3日上隅角检测到CO体积分数最高达到503×10-6，已经超过临界温度下限410.02×10-6，但未超过上限1 758.05×10-6，此时，可推断出采空区火区温度到达临界温度60～80 ℃，需立即采取防灭火措施。乙烯通常在110～130 ℃能被检测出来，是煤自然发火进程是否进入加速氧化阶段的标志气体[27]。但是在整个监测周期内，各测点均未检测到烯烃出现，与推断结果一致。
图4 各测点监测数据
Fig.4 Monitoring data of each measuring point
4 专项防灭火措施
截至5月28日，9303工作面回撤时间已经超过2个月，工作面共撤出57套支架，还有170套支架没有回撤，为保障撤架工作顺利进行，5月31日工作面回撤工作暂停，根据束管监测、预测结果，基于“堵漏风、降氧气、消高温”的基本方针对重点危险区域采取专项防控措施。
4.1 监测监控
1)停采回撤期间，检察员每天对工作面两隅角及回风流内气体进行取样分析1次，分析成分有CH4、CO2、CO、O2、C2H6、C2H4，发现有气体异常时及时采取措施进行处理。
2)通防工区将9303工作面采空区束管引入循环系统，每天循环监测一次，并做好记录形成报表，发现异常立即采取措施进行处理。
4.2 封堵减漏
1)架后顶板铺设风筒布。在距终采线后方20 m处，在顶板铺设钢丝网与风筒布，规格选用330 m×21 m，在工作面回采结束进入停采撤架期间，风筒布可以将采空区顶板与采空区之间隔离，可有效减少向采空区漏风，风筒布铺设如图5所示。
2)两隅角封堵及临时板闭封堵。工作面停采后，工作面在两隅角支架后部施工碎煤墙，厚度不小于1 m，宽度要充填未冒落的空间，上接顶板。碎煤墙验收合格后，对墙体进行全断面均匀喷涂赛福特，喷涂厚度要求不小于200 mm，以减少采空区漏风；进风巷施工木板密闭墙1道，回风巷2道，密闭施工结束对墙体喷涂赛福特，厚度不小于200 mm，墙内压注LFM；并在密闭处预留措施孔、观察孔以及取样束管等，两隅角碎煤墙封堵及1—3号板闭封堵位置如图5所示。
1—3为板闭
图5 风筒布及封堵工艺
Fig.5 Air duct cloth and sealing technology
4.3 惰化降温
1)液态二氧化碳防灭火工艺。液态二氧化碳在向采空区内压注时会产生相变同时能吸收大量热量，有效降低采空区自燃区域温度，体积迅速增大近560倍，从而置换出采空区的氧气并最终使采空区形成惰性环境，将火区“窒息”。液态二氧化碳灭火装置主要由气罐(采用CPW-20型)、平板车、罐体和控制阀组组成，利用9303工作面轨道、运输巷预留措施孔、注浆管工作面及面后30 m范围内采空区内压注。
2)注浆防灭火工艺。MEA防火剂是由水、MEA-1煤矿防灭火剂、阻化泡沫按照一定比例搅拌均匀配成的特制胶体，其耐高温性能、保水性能以及成胶后的致密性能优越，可有效提高阻燃效果。将MEA防火剂吸入注浆泵加压后，经巷道顶板上高位钻孔注入采空区内，钻孔位置选择在工作面133—166号架间顶板，终孔位置要求打至工作面架顶煤丢煤区域顶部，现场根据钻孔施工实际情况，可适当增加钻孔施工数量及钻孔设计参数。
5 应用效果分析
受超长工作面、断层影响，整个治理周期较长。由图6各测点监测孔气体数据可以看出，2017年6月3日至2017年8月10日期间99—166号架间CO数据波动依然较大，最高气体体积分数超过500×10-6，最低也在50×10-6以上，但整体呈现下跌趋势，表明架后采空区区域采取防火措施之后，遗煤自燃的发展趋势得以抑制；到8月10日之后，各测点CO数据趋势比较稳定，约在50×10-6以下，说明架后火区已经进入窒息阶段，煤自燃状况已经基本稳定。
到2017年9月，各测点气体数据已经符合《煤矿安全规程》规定，故开始启封密闭墙，按照既定方案成功撤出剩余支架。
图6 6—10月工作面气体数据监测
Fig.6 Monitoring of working face gas data from June to October
6 结 论
1)基于前人对推采期间的上隅角CO浓度预测研究推导出停采撤架期间的上隅角CO浓度预测数学模型。
2)通过程序升温-色谱分析试验得到工作面CO生成规律，推断出煤样的临界温度为60～80 ℃、干裂温度为110～130 ℃、采空区遗煤氧化升温标志气体随温度变化呈类指数增长。
3)根据试验得到的采空区标志气体产生规律，结合停采期间的CO浓度数学模型，计算并归纳出煤样不同特征温度下的CO预测浓度，将现场观测气体数据与预测数据对比分析，推断出99—166号架段后方采空区氧化带附近存在火区，自然发火水平达到临界温度60～80 ℃。
4)通过预测防控为一体的综合治理措施，成功解决了超长工作面停采撤架期间采空区自然发火问题，为同一地区相似工作面的煤火防治工作提供科学依据。
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