束管監(jiān)測系統(tǒng)在煤層自燃預(yù)測預(yù)報中的應(yīng)用

張劍青

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦井田位于西山煤田的西北邊緣，地處山西省古交市。22208綜采工作面井下位于南二采區(qū)，北為22207工作面（現(xiàn)采），西鄰22206回采工作面（已采），北東接南二采區(qū)回風(fēng)巷、皮帶巷、軌道巷，南西為南翼上組軌道巷(現(xiàn)掘)、皮帶巷、回風(fēng)巷，其他為未采區(qū)。22208工作面所采煤層為2、3號煤，煤層穩(wěn)定，煤層厚度平均為3.4 m，煤層傾角平均7°。煤塵有爆炸危險性，煤的自然發(fā)火傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。22208工作面本煤層回采時絕對瓦斯涌出量為5.7 m3/min，鄰近層絕對瓦斯涌出量為2.53 m3/min。

2 煤層自燃標(biāo)志性氣體實(shí)驗(yàn)研究

煤樣選自鎮(zhèn)城底礦2號煤層22208綜采工作面。煤自然發(fā)火氣體產(chǎn)物模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程見圖1，由各項(xiàng)設(shè)備組裝而成。煤樣選取重量1 g、粒度100目的試驗(yàn)樣品，取樣間隔20 min/次，試驗(yàn)條件為供氣流量100 cm3/min。

圖1 煤自然發(fā)火氣體產(chǎn)物模擬實(shí)驗(yàn)裝置流程

煤自燃一般分為三個階段：緩慢氧化階段、加速氧化階段以及激烈氧化階段。若采用CO單一指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，將導(dǎo)致在某些階段可靠性降低；因此，應(yīng)探索其他以烯烴和烷烴氣體作為指標(biāo)氣體進(jìn)行輔助預(yù)測[1-2]。

實(shí)驗(yàn)過程中對所收集的2號煤層煤樣進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)對氣體成分、濃度和標(biāo)志性氣體進(jìn)行詳細(xì)分析。煤樣實(shí)驗(yàn)過程中的氣體生成情況進(jìn)行分析可得其濃度變化趨勢見圖2、圖3。

圖2 煤樣CO和CO2變化趨勢

圖3 煤樣CH4、C2H6、C2H4、C3H8和C2H2變化趨勢

通過上述煤樣實(shí)驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

（1）CO出現(xiàn)臨界溫度在38℃～193℃。

（2）C2H4和C3H6出現(xiàn)臨界溫度為225℃和244℃，C2H4出現(xiàn)表示煤進(jìn)入加速氧化階段，C3H6的出現(xiàn)表示煤進(jìn)入激烈氧化階段。

（3）在煤的氧化過程中，也會產(chǎn)生少量的C2H2，出現(xiàn)臨界溫度為323℃，此時已進(jìn)入完全燃燒階段。

3 束管監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 束管監(jiān)測系統(tǒng)建立

束管監(jiān)測系統(tǒng)由礦用色譜儀、束管系統(tǒng)、采集系統(tǒng)組成。地面設(shè)置氣體分析中心，束管從地面鋪設(shè)至井下采空區(qū)，采用氣泵采集采空區(qū)氣體，采用礦用色譜儀進(jìn)行分析，實(shí)時測定各測點(diǎn)的氣體組分濃度。束管監(jiān)測系統(tǒng)主要由地面氣體分析中心和井下束管取樣系統(tǒng)組成[3]。

氣體分析中心組成：

（1）真空泵，通過氣體取樣控制裝置匯接總管纜，將各監(jiān)測取樣點(diǎn)的氣體抽至氣體分析中心的分析儀器。

（2）氣體取樣控制部件，巡回取樣，逐點(diǎn)分析。

（3）專用氣相色譜分析儀，儀器由微機(jī)自動控制，可實(shí)現(xiàn)各點(diǎn)間不間斷循環(huán)采樣分析。實(shí)現(xiàn)煤礦氣體全組分的自動分析，礦井空氣、火災(zāi)氣體、瓦斯爆炸氣體的常量（%濃度）及微量（ppm濃度）組分的分析。分析常量：O2、N2、CH4、CO2； 微量：CO、C2H4、C2H6、C2H2。

井下采集氣體部分組成：采樣器、過濾器、束管。

井下工作面開切眼形成后，將采樣器及束管鋪設(shè)至井下，采樣器用木垛保護(hù)起來，束管用2號無縫鋼管保護(hù)，沿工作面兩巷進(jìn)行鋪設(shè)，連接到地面氣體分析中心，開啟氣泵后，將采空區(qū)氣體輸送至色譜儀，分析氣體成分。

3.2 束管鋪設(shè)方案

束管監(jiān)測系統(tǒng)建成后，可采集大范圍的氣體至氣體分析中心，在沒有布置束管采樣點(diǎn)的范圍內(nèi)，可采用人工氣囊取樣送至分析中心進(jìn)行分析判定。

（1）束管取樣頭布置

在22208工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷沿著壁面鋪設(shè)兩組束管，每組3根束管，各束管采樣頭的間距為20 m，每根束管分別固定上溫度傳感器。兩組束管分別接入束管監(jiān)測系統(tǒng)，利用抽氣泵通過束管把測點(diǎn)的氣樣抽至地面，利用氣相色譜儀進(jìn)行連續(xù)分析。每次下井時測量溫度傳感器的電阻值，按標(biāo)號記錄下來，升井后利用公式反算出溫度。

22208工作面束管監(jiān)測系統(tǒng)布置見圖4，具體步驟為：

圖4 22208工作面束管監(jiān)測

①將束管與溫度探頭進(jìn)行捆綁，并采用鋼套管對其進(jìn)行保護(hù)，然后將裝置布置于兩巷中，進(jìn)行采集氣體并測量采空區(qū)煤的溫度。

②在工作面兩巷共布置6個測點(diǎn)，每邊3個，間距為20 m。

（2）取樣頭

由于采空區(qū)內(nèi)存在冒落巖石、積水等情況，因此要對束管進(jìn)行鋼套管保護(hù)，在每個探頭部位焊接三通支管，三通管長度為0.5 m左右，與主管正交布置，在套管頂端布置8個左右5 mm的小孔，用于收集氣體，在束管取氣探頭處設(shè)置3個小孔，并包裹紗布防止泥漿堵管。束管取樣頭與套管必須密封連接，防止抽取到套管內(nèi)氣體（密封段可采用聚氨酯材料密封），附近應(yīng)用大塊矸石或木跺防護(hù)，以防止浮煤、水、泥漿堵管。取樣頭連接見圖5。

圖5 取樣頭連接

（3）套管

為了方便套管在井下運(yùn)輸，套管采用6 m長的分段，兩端帶有滑動法蘭盤，在設(shè)置取樣頭的位置采用三通進(jìn)行連接，為方便在三通位置設(shè)置取樣頭，三通末端帶有3個固定法蘭盤，三通直線段需要剖開。所有套管都采用直徑50 mm的鋼管進(jìn)行加工。取樣頭外面的套管前端必須封口并在前端0.25 m長范圍周邊鉆6～9個直徑為5 mm透氣小孔。

4 數(shù)據(jù)分析及采空區(qū)三帶劃分

現(xiàn)場實(shí)測通過預(yù)埋于采空區(qū)的束管采樣器及溫度傳感器，在回采工作面兩巷方向布置束管監(jiān)測點(diǎn)，間距為20 m。隨著工作面的推進(jìn)，監(jiān)測點(diǎn)依次進(jìn)入采空區(qū)三帶：“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”，通過監(jiān)測點(diǎn)抽取兩巷的氣體，并監(jiān)測采空區(qū)煤的溫度變化規(guī)律。采用氣相色譜儀進(jìn)行分析，根據(jù)采空區(qū)氣體濃度及溫度變化規(guī)律，確定采空區(qū)自燃三帶的分布范圍[4]。

分析采集得到的數(shù)據(jù)可知，回采工作面氧氣濃度降低速率隨著工作面推進(jìn)位置不同而不同，采空區(qū)靠近工作面回風(fēng)隅角的氧氣濃度隨著工作面的推進(jìn)逐漸下降，這是由于漏風(fēng)流氧濃度經(jīng)過采空區(qū)浮煤后氧化消耗造成的。

從采空區(qū)氧濃度分析，根據(jù)1號、2號、3號三個測點(diǎn)氧濃度可以得到22208工作面采空區(qū)自燃 “三帶”的范圍應(yīng)是從工作面后刮板輸送機(jī)向采空區(qū)的距離：散熱帶寬度為小于27.2 m； 氧化帶寬度為27.2～72 m；窒息帶為大于72 m。根據(jù)4、5、6三個測點(diǎn)氧濃度可以得到工作面采空區(qū)自燃“三帶”的范圍應(yīng)是從工作面后刮板輸送機(jī)向采空區(qū)的距離：散熱帶寬度為小于17.6 m；氧化帶寬度為17.6～67 m；窒息帶為大于67 m。采空區(qū)自燃“三帶”分布見表1。

表1 根據(jù)氧氣濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”

5 結(jié)語

針對鎮(zhèn)城底礦22208工作面煤層存在自燃風(fēng)險的問題，采用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測和工程經(jīng)驗(yàn)針對煤層自燃標(biāo)志性氣體及束管監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了研究：

1）工作面采空區(qū)CO出現(xiàn)臨界溫度在38℃～193℃；C2H4和C3H6出現(xiàn)臨界溫度為225℃和244℃；C2H4出現(xiàn)表示煤進(jìn)入加速氧化階段，C3H6的出現(xiàn)表示煤進(jìn)入激烈氧化階段；在煤的氧化過程中，也會產(chǎn)生少量的C2H2，出現(xiàn)臨界溫度為323℃，此時已進(jìn)入完全燃燒階段。

2）根據(jù)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的散熱帶寬度為小于27.2 m、氧化帶寬度為27.2～72 m、窒息帶為大于72 m；采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的散熱帶寬度為小于17.6 m、氧化帶寬度為17.6～67 m、窒息帶為大于67 m。