DOI ：10.13347 /j. c n k i. mkaq .2021.01.033
王文清，邢真强，郭佳策.寸草塔煤矿22煤层自然发火标志气体及自燃预警值研究[J].煤 矿安全，2021，52( 1):173-176,183.
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neous combustion in 22#coal seam of Cuncaota Coal M ine[j]. Safety in Coal Mines, 2021, 52( 1): 173-
176, 183.
寸草塔煤矿22煤层自然发火标志气体
及自燃预警值研究
王文清\邢真强2’3，郭佳策2’3
(1.国家能源投资集团神东煤炭集团寸草塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯017209;2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，
辽宁抚顺1丨3122;3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺丨13122)
摘要：寸草塔煤矿22煤层为变质程度较低的不黏煤，低温氧化条件下C0产生量较大。结合 22301工作面煤层赋存的实际情况，通过实验室测试分析，优选了 22煤层自然发火标志气体，通 过理论计算，构建了工作面正常推采条件下回风隅角C0体积分数值的预测模型，现场实测了采
空区自燃火灾关键技术参数，确定了工作面回风隅角C0体积分数预警值，规范和完善工作面回
风隅角C0气体超限防治技术。
关键词：低变质煤；低温氧化；C0临界值；采空区自燃“三带”；气体超限 中图分类号：TD75+2.2 文献标志码：B文章编号：1003-496X(2021)01-0173-04
三氯氢硅Study on indicator gas and early warning value of spontaneous combustion in 22# coal seam of
Cuncaota Coal Mine
WANG Wenqing1, XING Zhenqiang2,3, GUO Jiace23
i\.Cuncaota Coal Mine, National Energy^ Investment Refco Group Shendong Coal Group Corporation, Ordos017209, China;
2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun113122, China;
3.State Key Laboratory of Coal Mine Sc^ety Technology, Fushun113122, China)
A bstract：Coal seam 22#of Cuncaota Coal Mine is non-sticky coal with lower metamorphism, and the CO production is large under low temperature oxidation condition. Combined with the actual situation of coal seam occurrence in 22301 working face, through laboratory test and analysis, the indicator gas of spontaneous combustion in 22#coal seam is optimized. Based on theoretical calculation, the prediction model of CO concentration in the comer of return air under nornial advancing and mining conditions of working face is constructed, the key technical parameters of spontaneous combustion fire in goaf are measured on site, the early warning value of CO concentration in the comer of return air of working face is determined, and the control technology of CO gas overrun in the corner of return air of working face is standardized and improved.
Key words: low metamorphic coal; low temperature oxidation; CO threshold; “ three zones’’of goaf s
pontaneous combustion; gas overrun
自燃火灾是矿井火灾的主要体现形势，其中采 空区自燃火灾占矿井自燃火灾总数的60%。我国存 在自然发火危险性的矿井约占矿井总数的3/4，煤 炭自然发火产生的有毒有害气体严重威胁着矿井工 作人员的生命健康，同时由于火灾引发的煤尘、瓦斯 爆炸等次生灾害后果更为严重[1_2]。
C0由于其具有易检测性、规律性、灵敏性等特 性，通常用于煤炭自燃火灾的早期预警工作。《规 程》规定，工作面回风隅角C0体积分数24x10“是 职业健康指标，不是自然发火临界指标。由于煤层赋 存条件、煤种、开采工艺方法、开采技术装备的不同，在很大程度上影响着标志气体C0临界值的确定。
•
173-
减压阀，
隔热层'
因此，标志气体C 0的临界值应该在实验室测试，现 场统计分析的基础上综合确定131。
神东矿区是我国13个亿吨矿区之一，煤层多为 浅埋藏、（易）自燃煤层赋存，主要开采的煤种为低 阶长焰煤和不黏煤，煤种变质程度较低，煤层最短自 然发火期仅为18 d ，受采空区复杂漏风影响，遗煤 低温氧化条件下C 0产生量较大，通风负压及大气 压力双重作用影响下，造成该区域生产工作面回风 隅角C 0体积分数不同程度“超限”，给自然发火监 测预警工作带来干扰，同时给现场制定科学有效的 防灭火措施，以及回风隅角C 0管控措施带来了困 惑，严重影响矿井安全生产。
寸草塔煤矿作为国家能源投资集团神东煤炭集 团主力矿井之一，矿井主采22煤，属不黏煤，吸氧量 为0.72 C m 3/g ，为容易自燃煤层，最短自然发火期47
d ，采空区遗煤存在低温易氧化的特点。1 22煤层自然发火预报指标体系1.1煤样程序升温氧化实验
煤样采集是标志性气体优选成功与否的基础。
按照煤样采集标准采集寸草塔煤矿22煤层煤样，煤 样采集地点为22301工作面，按照煤样制备标准制 备实验样品。
自然发火标志气体测试装置主要由样品储存装 置、程序控温装置、气体定量供给装置、数据自动采 集装置组成，可在一定程度上实现煤层自燃绝热氧化 条件，精准采集分析煤样自燃热解气体产物^1。自 然发火标志气体测试装置如图1。
出气管
程II 氧气瓶图1
自然发火标志气体测试装置
F ig.l
T e st d e v ice fo r n a tu ra l ig n itio n m a rk g a s
1.2标志气体分析及优选
采集22煤层煤样氧化自燃热解的气体产物，进 行气体成分和体积分数分析。煤样在氧化升温过程
中，〇)、(：02、〇14、(：2116、(：扎、札等气体出现的温度 区间为30〜220冗，并且气体的产生量随煤温的升高 呈现一定的规律。其中，C 0的出现温度为30丈，且 其产生量贯穿于整个氧化反应过程中，其产生量在 60尤以前较小，但在60~70 =0寸，C 0、C 02气体产生 量规律呈现指数上升，说明煤样已经开始加速氧化， 煤样反应机理由物理吸附向化学吸附以及化学反应 进程转变，CH 4的出现温度为30 ^，CH 4产生量规 律呈现先增加后减小，H 2的出现温度为120
气一棵树上的两种果实
体产生量呈现单一递增趋势，C 2H 6的出现温度为60 1，(：孔的出现温度为100 1，(：2凡、(：孔产生量规 律呈现指数上升，C 2Hft 、C 2H 4、H 2的出现，说明了煤样 与〇2发生了较强的化学反应，C 2H 2的出现温度为 220丈，说明此时的煤样已经与02化学反应已经转 向激烈状态。
通过对22煤层煤样氧化热解的气体变化规律 总结分析，结合自然发火标志气体指标优选标准，选 取寸草塔煤矿22煤层自然发火标志气体为C 0、
C 2H 4、H 2、C 2H 2，其中，C 0的出现说明采空区遗煤已 经处于低温氧化状态，应当加强气体监测工作，并做 到定点、定时、定人；如果检测到C 0体积分数持续 稳定上升，说明遗煤已经进人快速氧化状态，应当加 强自燃预测预报工作，并采取有效火灾预防措施；如 果在检测到C 0的基础上，气样中含有C 2H 4、H 2，说 明遗煤已经进人加速氧化状态，必须立即实施行之 有效的防灭火措施；如
果气样中检测到C 2H 2，表明遗
煤已经进入激烈氧化状态，采空区很可能已经出现明 火，防灭火措施需谨慎得当，防止次生灾害的发生。 1.3 C 0产生速率 1.3.1实验
煤样
C 0
产生速率
在煤样程序升温氧化实验过程中，假设风流仅 沿样品储存装置的轴向流动，可认为样品储存装置 轴向d *位置样品的C 0产生速率为：
S v m A x ,=q A c
(1 )
式中:S 为样品储存装置的横截面积，cm 2;%，代
表C 0的产生速率，mL /(mirTm 3);9为实验通气量，
mL /min ;c 为煤氧化过程中的C 0产生量，10*。
将式（1)进行积分可得：
| Sva)d*= j^. (]dc河南金蝉养殖
(2 )
式中：c ,、c 2分别为样品储存装置进口和出口气
"%卩热器1__1
控制
器及
§
*1100
显示
U
JOOO
数据采集器
温度探头
-进气管
气
体预热铜管
阀
量阻力流压
流
气压稳稳
铜质罐体撒石
•17 4.
30
80
100
120
160
180
200
220
温度/t
图2
煤样C O 产生速率与温度关系曲线
F ig.2
R ela tio n c u r v e b e tw e en C O p ro d u ctio n rate and
te m p er a tu r e o f c o a l sa m p le
从图2可知，22煤层实验煤样温度区间在30~ 220 T ；的前提下，区间各温度点对应的C 0产生速率 为 0.55~11 800 m U (m in.m 3)。1.3.2自燃临界态CO 产生速率
研究表明，煤自燃按时间顺序分为：低温缓慢自 热阶段、快速氧化阶段，二者之间转折点所对应的温 度称之为临界温度，由C 0生成率可以发现，当煤温 超过临界温度值以后，反应速率加快，温度急剧升
高，C 0产生量急剧加大。因此，出煤样处于自燃 临界温度时C 0的产生速率，并结合其它参数得出 煤层自燃预警浓度，并采取针对的防灭火措施具有 重大意义l 9-n l 。
寸草塔煤矿22煤层煤样温度超过60~70 t 后， 煤样C 0产生速率急剧增加，因此，推断22煤层煤 样的临界温度为60~70弋。
经计算，煤样自燃临界温度为60 1,0)临界体 积分数为8x 10'C 0产生速率为4.6 m L 7( min • m 3)。
2工作面回风隅角CO 安全友自燃预警值模型构建
研究表明，在工作面正常回采条件下，工作回风
隅角C 0来源主要为采空区遗留低温氧化所产生。 因此，建立工作面正常回采时，回风隅角C 0体积分 数[C 0]预测数学模型如下：
qq 1_ ^k \l \+k7 lj)LH ( 1—<p )vca
(4)
v Q
体中的CO 产生量，10、L 为样品储存装置的装煤 高度，cm 。
整理式（1)、式(2)可得如下关系式：
计算出22煤层煤样在不同温度下C 0的产生 速率，煤样C 0产生速率与温度关系曲线如图2 3
式中A 为采空区氧化升温带内遗煤氧化修正 系数，小于U 综采工作面为0.15~0.35);/，为采空区 氧化升温带的宽度，m ;A 2为采空区散热带遗煤氧化 修正系数，在正常漏风条件下，一般取0.5~0.7;/2为 采空区散热带的宽度，m ;<p 为煤炭回采率〜，为
煤体在常温（临界温度）状态下的C 0产生速率，
mU (min *m 3);A 为工作面倾向长度，m ;//为煤层厚 度，m ;()为工作面供风量nrVmin ;77为漏风系数，一
般取 0.06~0.1。
3采空区自燃“三带”现场观测分析
3.1 工作面概况
数据挖掘论文寸草塔矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍
洛旗境内，位于毛乌素沙漠北缘，井田西部为侵蚀性 丘陵地貌，井田东部由于受毛乌素沙漠影响，地表多 为流动性或半固定波状沙丘覆盖，湾兔沟自西北向 东南纵贯全井田。
22301综采工作面为22煤三盘区首采工作面， 工作面走向长度3 914.2 m ，倾向长度300.5 in ，煤层
T 均厚度2.6 m ，回采高度2 m ，日推进度9.947 5
m ，遗煤厚度200~400 mm ，工作面风量设计配风量978.3 mVmin ，采用“U ”型全负压抽出式通风方式。 3.2采空区自燃“三带”分布规律测试方案
在22301工作面两巷道靠外帮预埋3芯束管， 束管敷设长度300 m ，束管外套DN 50无缝焊管加 以保护，束管进气端外套三通保护支管保护，支管抬 高2 m ，采用锚杆配合冲孔铁板将支管固定于煤壁 上。将束管出气端与矿井红外束管监测系统相连接， 实时在线分析采空区气体浓度，同时，记录采空区各 束管采样点与工作面的位置关系。3.3 采空区气体变化分析
随工作面推进，采空区C 0和02体积分数变化 规律如图3。以02体积分数18%和7%为划分指标， 22煤层采空区散热带及氧化升温带总宽度为丨25
m ，工作面正常推采过程中，回风隅角CO 体积分数
在GO -W h K T 6波动变化；采空区内C 0体积分数 在(40~200)><1〇4波动变化，其中高体积分数C O 于 工作面后部60~70 m 范围内采空区积存，工作面后 部150 m 范围内采空区C 0体积分数稳定至40x 10'4
回风隅角C 0体积分数预测及C 0超限的控制技术
4.1 工作面推采条件下回风隅角C 0体积分数预测
结合式(4)，经计算得到的22301工作面正常推采时工作面回风隅角C 0体积分数预测值见表1。
第52卷第1期2021年1月
Safety in Coal Mines
Vol.52 No.Jan. 2021
(
7
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u -l .qi u )
/
讲铟胡^0:>
•
175-
强工作面两巷道漏风通道封堵工作，采用高分子泡沫 墙对工作面采空区两线侧进行封堵，高分子泡沫墙体 厚度不小于1.5 m ，高分子泡沫墙封堵距离一般为
300 m0
3)改变工作面区域流场负压点，改变采空区流 场。减少工作面进风侧通风设施，增加工作面回风侧 通风设施，进行回风侧增阻调节，减少漏风通道两端 的压差，进而减少采空区气体向工作面回风隅角运移 积聚。采空区回风侧预埋气体抽放管路，采用瓦斯移 动式抽放泵抽放采空区气体，进一步改变采空区负压 流场，进一步减少采空区CO 体积分数。5
结语
1)
寸草塔煤矿22煤层煤自燃预测预报标志气体
体系为 CO 、H2、C2H4、C2H 2。
2) 划分了 22煤采空区自燃“三带”分布范围，其 中散热带宽度为22~35 m ，氧化带宽带为92~125 m 。
3) 22煤工作面正常回采时回风隅角CO 安全体 积分数为81x 10^自燃预警体积分数为325x 10'
4)
提出了包括降风减压、封堵漏风、改变采空区
漏风流场等防控C 0超限措施。参考文献(References ):
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测点与工作面的距离/m
图3
22301工作面采空区气体变化曲线
F ig.3
C h a n g e c u r v e s o f g a s in g o a f o f 22301 w o r k in g fa ce
表 1
22301工作面正常推采条件下回风隅角
C O 体积分数预测值
T a b le 1
P r e d ictio n v a lu e o f C O c o n c e n tr a tio n in c o rn er
o f retu rn a ir u n d e r n o r m a l p u sh o v e r m in in g c o n d itio n o f
22301 w o r k in g fa ce
煤自燃温度C 0产生率C O 体积分数实测值
程度范围况
/
(m L 'm i n 'T n 3)
预测值/1〇<
/10^常温条件15-200.488170-90
临界温度
70
4.52
325
由表1可以看出，基于22301工作面回风隅角
C 0安全及自燃预警体积分数预测模型，计算得出
22301工作面回风隅角C 0安全体积分数预测值为 81 x 10'现场实测值为(70〜90 )x 10'误差在合理区间 内。因此可以认为22301工作面正常回采条件下，回 风隅角C 0安全指标体积分数为81x 10'推断得出， 若回风隅角C 0测值达到325x 10'表明22煤采空区 遗煤已经达到临界温度，处于加速氧化状态，
且温度 会急速上升，短时间内可超过临界温度，将发生氧化 自燃，应立即采取相关防灭火措施。
4.2 工作面回风隅角C 0超限的控制技术措施
结合22301工作面赋存条件、通风方式、开采工 艺等特点，提出的回风隅角C 0超限管控技术措施
如下
1) 降风减压。在满足工作面安全生产的前提下, 减小工作面的配风量，降低向采空区漏人的风量，从 而减少采空区遗煤的氧气的供给条件，进一步降低采
空区遗煤的氧化进程。
2) 井上下封堵漏风。加强地表漏风通道查，采 用大型机械回填和人工回填相结合的方式开展地表 回填工作，确保回填工作不得滞后工作面150 m 。力口
第52卷第1期2021年1月
Safety in Coal Mines
Vol.52 No.l Jan. 2021
10^
• 176-
(下转第183
页)
第52卷第1期2021年1月
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作者简介：谷拴成（1963—），陕西扶风人，教授，博士研究生导师，博士，毕业于中国矿业大学，从事巷道支护理论方面的研究工作。
(收稿日期：2019-11-22；责任编辑：朱蕾）
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作者简介：王文清（ 1968—），内蒙古包头人，工程师，1989年毕业于内蒙古煤炭工业学校，从事煤矿通风管理方面的工作。
(收稿日期：2020-04-09；责任编辑：陈洋）
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