1、煤层自然发火期、自燃标志性气体及工作面采空区自燃“三带”划分项目研究方案中国矿业大学安全工程学院二一六年五月1 研究内容1.1主要研究内容1) 测试煤层自然发火期；2) 研究煤层煤氧化过程中生成的气体与煤温之间的关系，筛选预报煤层自然发火的标志气体，确定预报临界参数，建立指标气体与煤温的对应关系；3) 测定工作面采空区内部温度、气体浓度随着工作面推进的变化规律，确定工作面采空区自燃“三带”；1.2研究目标1) 确定煤层自燃早期预报的指标气体及其预报临界参数；2) 查明工作面采空区自燃“三带”宽度；3) 掌握工作面采空区自燃规律。1.3技术路线1) 通过对相邻矿井开采同类煤层的自然发火规律调查，
2、并进行现场调研，分析煤炭自燃的发生规律及其影响因素；2) 现场采集煤样，通过实验测试研究，对煤层的自然发火危险性、氧化特性和自燃倾向性进行鉴定评价；3) 研究煤层氧化升温过程中各种气体的生成规律，确定工作面煤自燃预测预报标志气体；4) 进行工作面采空区自燃“三带”测定，研究采空区自燃规律；2 研究方法煤炭自燃火灾是矿井常见主要灾害之一。不仅可造成工作面停产，冻结已准备的煤炭资源，而且还可能造成大量人员伤亡。淮北矿区部分矿井如朱仙庄矿、桃园矿、许疃矿等开采煤层具有自然发火危险性，发火期为36个月。自然发火威胁矿井安全生产，因此，研究煤层自燃发火特征与防控技术是保证矿井安全生产的主要工作重点任务之
3、一。2.1 “三带”划分指标及方法的确定目前，确定划分“三带”的指标主要有三种：采空区漏风风速V（V0.24m/min为散热带；0.24V0.1m/min为自燃带；V0.1m/min为自窒息带）；采空区氧浓度（C）分布（认为C6%为窒息带，C6%为自燃带或散热带）；煤的氧化反应顺利进行的前提条件是的供氧速度大于耗氧速度，否则则氧化过程将受到抑制；温度升高速率。在较长的一段时间内采空区遗煤温升速度1/d，则为自燃带。本次试验采用现场安装检测指标参数的系统进行实际观测。测试采空区两种主要参数：即氧气等气体的浓度和测量采空区的温度。而束管及测温系统的布置存在2种模式：即沿工作面的采空区布置或沿进回风
4、巷道。对于本次试验，结合海孜煤矿的实际情况，采取沿工作面布置的方式。2.2测试系统简介2.2.1测试系统功能设计本系统主要是通过现场测试的方法研究划分采空区自燃“三带”的参数。系统具有以下功能：1) 测试采空区距工作面不同距离处遗煤温度，研究采空区中煤温随距工作面距离变化规律；2) 采集采空区距工作面不同距离处气样，研究采空区中氧气浓度等气体参数随距工作面距离变化规律；3) 通过采空区中遗煤温度和氧气浓度随距工作面距离变化规律，确定采空区三带形态和划分方法。2.2.2测试方法的选择采用集成温度传感器AD590对测点的温度进行测定。在采空区中预埋束管对测点的气体进行定时采集。气样在实验室用气相色
5、谱仪进行分析。气体分析成分为：CO、CH4、O2、CO2以及烷、烯烃类气体成分。2.2.3温度测试系统简介测温系统由温度传感器、导线和测温仪表组成。其中，选用AD590集成温度传感器，其系统工作原理：利用二次仪表电路产生一个与绝对温度成正比的电流输出，作为温度电流转换，该转换器能在430V电压范围内工作，相当于一个能产生1A/K的高阻电流源。当测温仪表与AD590相接时，可直接显示温度值。其温度上限为150，可以用于煤的自燃时期预测预报。为保证AD590在使用中的机械强度和防水、防潮、防腐蚀、绝缘等性能，需对AD590必要的处理，其处理加工如图1所示。将两根测量引线分别焊接在AD590 “”和
6、“”极上，焊接无误后，将AD590放入一个长35mm，内径6mm，壁厚1mm的紫铜管中，并用绝缘性能良好的瞬间环氧胶灌注密封。图1 封装后的AD590传感器1引线2焊接点36mm的紫铜管4AD5905瞬间环氧胶2.2.4气体测试系统简介测点的气体通过抽气泵罐装在取样袋中，在井上气体分析室内进行气体成份分析。研究采空区中测点的氧气、瓦斯（CH4）和CO等气体浓度随着工作面推进的变化规律。抽气系统与设备主要包括：1) 抽气束管本次试验所选用的束管为：矿用抗静电阻燃聚乙烯束管，型号:PEZKW8mm5，抗静电等级:1060/m，阻燃性能：有焰燃烧单根10s，无焰燃烧单根20s；适用于煤矿井下。束管一
7、端为测点，另一端与抽气泵相连。束管有不同的颜色。为便于准确地区分测点，安装时将记下通向各测点束管的颜色。2)抽气泵井下气样采集仪器用CFZ22（A）型为煤矿井下专用的防爆型气体自动负压采样器，采样器距离技术参数：3) 气相色谱仪本次对所采集的采空区气体分析仪器采用气相色谱仪。2.2.5测试系统的保护图2 保护套管设置图1. 2吋保护套管；2. 预设取样束管；3 .测温导线；4.快速接头；5.AD590温度传感器 ；6.气孔；7. 隔离密封；8.气体采集器。 为了防止温度传感器、测温导线及预设气体取样管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管，将测温导线和气体取样
8、管设于保护套管内。(1)顺槽保护套管顺槽保护套管设在回风顺槽内，可利用原有4注浆管或4吋钢管作为测温导线和气体采取管的保护套管。(2)工作面保护套管工作面保护套管采用4吋钢管，每4m为一节。套管间的连接采用快速接头。为节约成本，也可采用井下旧的水管。(3)采样器及取样管头的保护为了防止AD590温度传感器被采空区冒落的煤岩砸坏以及防止取样胶管被压实或被粉煤堵塞以致无法抽取气样，应对AD590温度传感器和预设取样管头进行保护。具体如如图2所示。(4)保护管套的位置为了不干扰正常的工作面生产和运输，保护套管的铺设位置为： 回风顺槽的保护套管，沿回风顺槽铺设在外侧底部； 回采工作面的保护套管沿回采工
9、作面铺设在液压支架后部运输溜子靠采空区侧，在放顶清理浮煤后进行铺设工作。2.3工作面测点布置结合工作面的实际，并从保证测定结果的可靠性、施工方便和经济性等方面考虑，系统布置如图3所示。由于液压支架排列较紧密，才空区无法铺设管路，测点只能布置在机风巷位置。图3 测点布置图(单位：m)铺设方法：将4吋无缝钢管截成每根4m长，两端焊接快速接头，套管沿两部架子之间的空隙放入架后的空间，再将束管管缆和测温导线一齐穿入套管内，套管之间用快速接头连接牢固，采样器探头部位用坑木加以保护。为了对系统进行观测，在回风巷测定系统的外终端设立一个观测站。站内安设抽气泵和温度传感器的接线板。具体测点布置根据工作面实际情
10、况进行调整。2.4采空区“三带”实测与分析1）测定时间正常情况下每日测取一次温度和气体成份数据，早班入井测定。若有异常，则根据具体情况而定，可在异常测点每日测取2-3次数据。通过束管系统直接抽取气样送入气相色谱仪分析（同时在井下抽取采空区气样至球胆中，带到地面送入气相色谱仪分析，以便对照比较）并每日测定温度一次，从而得出随工作面推进采空区的温度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等重烃气体的浓度变化规律。2）考察内容在煤矿正常回采通风的条件下，进行回采工作面的煤氧化温度及气体成份规律、煤炭氧化自燃“三带”及煤炭氧化自然规律考查。3)记录每日工作面的推进速度，以便推算测点距工作面的距离。4）数
11、据的记录与整理根据参数测定记录每天的温度（t）和气体成份（CO、O2、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等）变化情况，测定参数记录表见表5。根据变化曲线分析采空区煤炭氧化规律、采空区气体分布变化规律及煤炭自然氧化“三带”，所需设备及材料见表6所示。表5参数测定记录表序号检测点取样时间气体成分（%）温度测点距工作面距离O2N2COCO2CH4C2H6C2H2C2H412345表6 自燃三带测定所需设备及材料一览表序号名称规格型号单位数量备注1温度传感器AD590由中国矿业大学提供2温度测试仪表万用表由中国矿业大学提供3温度测试导线由中国矿业大学提供4采样束管（或单管）由中国矿业大学提供5抽气泵由中国矿业大学提供6取样球芯由中国矿业大学提供72寸保护钢管120m/每层由矿方提供
