2015年2月Feb.,20151概况西沙河矿9#煤层属于自燃煤层，自然发火期为3个月左右。煤层厚度为11.40~16.06m，平均厚度14.25m。1901工作面为西沙河矿的首采工作面，2010-06-13开始推采，工作面倾向长180m，走向长689m。初采期间，工作面切眼处地质结构复杂（存在背斜褶皱构造），倾角大（局部区域达16°）。工作面受地质条件限制，推进速度相对较慢。且1901工作面上覆煤层中的4#煤层（原24101、24102两个采面的采空区）在2006-2007年曾经发生过两次严重的自然发火现象，于2008年安全封闭。现在从取样孔检查，无CO气体涌出，密闭墙处无高温点，返水管的水温无变化。为了更好地掌握矿井煤炭自然发火规律，消除危害，为综放工作面实施防灭火方案提供理论依据，在1901工作面构建综采工作面自然发火预测预报技术体系。2自然发火预测预报技术2.1预测技术预测技术是指在煤还没有出现自然发火征兆之前，采用煤自燃危险区域判定法、综合评判预测法、数学模型预测法等方法提前判断松散煤体自燃的危险程度、自然发火期及最易自燃区域的一种技术［1］。以煤自燃危险区域判定理论为依据，西沙河矿9#煤层采用红外探测预测技术预测煤炭自燃的程度和确定其位置。探测点布置在1901工作面巷道横向和纵向上，测站间距6~7m，每个测站分别从巷道两帮、顶底板4个测点进行探测。当出现自燃征兆时要根据实际情况增加测点，从而获得更加准确的自燃位置［2-3］。2.2预报技术煤层自然发火预报技术是指在煤层开采后,根据煤氧化放热过程中的温升、标志气体等参数变化情况，判别自燃状态，较早发现自燃征兆的技术。目前，预报方法主要有标志气体分析法、测温法两类；预报的手段主要有人工取样监测分析预报和实时监测预报系统。2.2.1标志气体分析法西沙河矿9#煤层部分气体的浓度随温度变化分布情况如图1所示。研究表明，烯烃和炔烃以及CO是煤自然发火过程中碳氧化反应的产物，这几种气体组分在煤吸附气体中是不存在的（亦有吸附气体中有CO的报道，但极为少见），因此，用仪器分析和检测煤在自燃过程中释放出的这几种气体组分，不仅能doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2015.01.001综采放顶煤工作面自然发火预测预报技术体系研究孙洪波1，刘彤旭2，王凯3，赵红红3（1.山西中煤西沙河煤业有限公司，山西朔州036002；2.中煤电气有限公司，北京101300；3.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116）［摘要］结合西沙河矿的实际情况，通过采取煤炭自燃早期预测预报技术，建立束管监测系统、辅助监测系统和实时监测系统，针对西沙河矿1901综采工作面构建了综采放顶煤工作面自然发火预测预报技术体系，经过现场应用，取得了良好的效果。该体系为综采放顶煤工作面煤炭自然发火预测预报提供了有效技术手段。［关键词］综采放顶煤工作面；自然发火；防灭火；预测预报［中图分类号］TD75+2.1［文献标识码］A［文章编号］1672-9943(2015)01-0001-03基金项目：江苏省自然科学基金青年基金（BK20130203）专论与综述图19#煤层煤样部分气体浓度随温度的变化规律能源技术与管理EnergyTechnologyandManagement2015年第40卷第1期Vol.40No.11中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2015年2月Feb.,2015孙洪波，等综采放顶煤工作面自然发火预测预报技术体系研究够早期预报矿井火灾，而且能够预报煤炭自然氧化进程。由图1可知，温度达到30℃时，9#煤层煤样在氧化过程中开始出现CO、CO2，在低温阶段两者浓度较小，且随着煤温度的升高而上升。其中70～110℃阶段，浓度上升较快，100~130℃阶段浓度上升变缓，120℃之后气体浓度几乎呈指数趋势上升，说明此时煤已经开始迅速氧化，物理吸附已经越来越弱而化学吸附和化学反应占据了主要位置。C2H4在90℃时开始出现，初始浓度较低。随着温度的升高生成量逐渐增加，到130℃时C3H8开始出现，且生成量随温度的升高呈指数增加趋势。分析其他气体浓度随温度的变化，得出30℃时CH4开始出现，说明煤样中原来存在少量CH4，其生成量随着煤的氧化加剧而增加。氧化过程中出现了C2H4、C2H6和C3H8，说明煤与氧发生了较强的化学反应。在30~190℃内没有出现C2H2，说明该气体出现的温度高于190℃，一旦检测到C2H2则表明煤已经发生剧烈的化学反应。因此，9#煤层煤样应以CO作为指标性气体，并辅以C2H6、C2H4、C3H8和C2H2来掌握煤炭自燃情况：CO的出现说明煤已经发生氧化反应；C2H4和C2H6出现表明煤温已经达到90℃；C3H8出现表明煤温已经达到130℃；C2H2的出现说明煤温已经超过190℃。CO的变化趋势可以判断煤自燃的阶段。如果CO浓度上升速率较慢，说明煤温还在100～130℃之间，否则在130℃以上［4］。2.2.2测温法巷道松散煤体及周围介质温度的升高直接反映着煤的氧化程度。现有的预报煤自然发火测温方法分为两种：一种是用检测到的温度进行预报，另一种是根据温度的变化特性，煤所处的环境和条件对自然发火的可能性进行预报。目前，探测煤的自然发火的测温仪主要有红外线测温仪和温度传感器两种。①红外线测温仪：红外线预测预报技术能够有效测量煤堆、露头、巷壁煤柱的自燃，已在多国成功应用于井下自燃火灾。但是该技术只能探测出物体表面与仪器垂直物体的温度，而且要求中间无遮挡物，因此，不适应于巷道松散煤体内部或相邻采空区内部的温度检测［5］。②温度传感器:目前常用的温度传感器有热电阻、热电偶、AD590温度传感器、光纤测温器等［6］。在西沙河9#煤层工作面进、回风顺槽的上下隅角和采空区两巷埋设温度探头，加强对采空区煤体氧化升温的监控。同时也可埋设采空区采样束管，亦可根据不同深度采空区的气样成分预测自然发火的状态。3监测监控系统建立3.1束管监测系统为了达到准确、及时地对煤层自燃火灾进行早期预报，有的放矢地采取预防煤层自燃火灾的措施，进而避免自燃事故的发生，1901工作面采用矿井火灾束管监测系统作为煤层火灾监测与早期预报的重要装备［7］。目前地面束管监测系统存在管路维护难、技术人员配备欠缺、采样测定滞后、系统管理不健全、全套设备所需费用高等诸多问题，西沙河矿使用山东淄博祥龙测控科技开发有限公司研制开发的KSS-200矿井火灾气体束管采样系统，该系统具有体积小、重量轻、束管管路短，便于井下安装、管理和维护等优点，而且能够在井下对重点危险区域进行现场连续采样，通过现场和实验室分析，有效监测火灾气体成份的变化。3.1.1系统组成KSS-200矿井火灾气体束管采样系统能够有效预测预报中小型矿井自然发火，同时对于大型矿井高产高效工作面的自然发火预测预报及火灾治理过程中火灾信息的连续检测也能起到明显作用。该系统主要由以下3部分组成：抽气束管、抽气泵、采样柜，如图2所示。1.水位计；2.压力控制阀；3.出气口；4.压力表；5.连接法兰；6.连接管道；7.皮管；8.水泵出气口；9.水泵进气口；10.皮管；11.负压表；12.流量计；13.八路控制开关；14.气体采样口；15.出水口图2束管监测设备组成3.1.2设备安设位置及采样点布置9#煤层束管监测设备安设在综采工作面的辅2中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2015年2月Feb.,2015助回撤通道处，如图3所示。1901工作面长度为800m，根据西沙河矿实际情况，采空区气体成份测定范围大约距工作面150m，约50m设一个测点，各测点保持采空区内部进、回风侧各3采样点，上下顺槽同时观测。图3束管监测采样点布置示意图3.1.3监测数据1901工作面各项气体指标如下：工作面回风上隅角：CO：18×10-6，CH4：0.42%，O2：18.3%，CO2：0.34%，温度：17.3℃。1901工作面采空区束管气体色谱分析：CO：74×10-6，CH4：0.1248%，O2：7.31%，N2：90.8703%，CO2：1.6877%，C2H6：0.0316%，C2H4：0.0000%，C2H2：0.0000%。3.2辅助监测系统鉴于束管监测系统的不足之处，辅以人工检测的方法：①人工检定管测定；②采集气样色谱仪分析。为确保防火技术的可靠性，除设主监测系统外，还需建立一套辅助监测系统。该辅助监测系统主要包括化验室和气相色谱仪，对各种气体进行准确的化验分析。这是辅助防火的有效措施。3.3实时监测监控系统西沙河矿引进了由江苏江煤科技发展有限公司开发的KJ-379型监测监控系统，该系统自使用以来运行良好。2012年8月对矿井使用的系统进行了升级，目前使用的是KJ-379A型监测系统，KJ-379A能够接入各种类型的模拟量传感器：如瓦斯、一氧化碳、风速、温度、湿度、负压、烟雾、水位、电流、电压等，还能接入各种类型的开关状态传感器：如风门、风筒、主扇、局扇、皮带跑偏、打滑等设备的开停传感器。目前整个矿井有12个检测分站，总共有56个监测探头，CO探头有4个（其中综采工作面有1个，工作面回风顺槽1个，北翼集中回风巷1个，总回风井1个），CH4探头有10个（主要安设在各工作面及回风口处）。监测监控系统24h对井下的各测点进行监控，并且有专业人员24h在监测监控室值班，每班填写4次记录。只要井下有超限地点，地面监测系统就报警，值班人员将立即汇报矿调度室进行处理。4结论（1）2011年11月，西沙河矿1901工作面顺利完成撤架收面，并对工作面顺槽进行了密闭，同时依据自然发火预测预报体系提供的数据进行了闭后灌浆工作，闭后采空区无CO及高分子气体。（2）西沙河矿通过采取煤炭自燃预测预报技术和建立监测监控系统，针对1901综采工作面构建自然发火预测预报体系，取得了良好的效果。这一创新性应用进一步完善了自然发火预测预报技术，现场应用证明了自然发火预测预报体系具有很好的现场适应性，能够满足煤矿防灭火工作的需要。［参考文献］［1］鲜学福.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述［J］.中国工程科学，2001，3（12）：28-31.［2］沈强.浅谈矿井防灭火检测设备的应用及改进［J］.陕西煤炭，2008，12（2）：36-40.［3］张飞，范文胜，徐丽，等.超长综放面煤炭自然发火的预测与控制［J］.煤矿安全，2010（11）：37-40.［4］肖旸，王振平.煤自燃指标气体与特征温度的对应关系研究［J］.煤炭科学技术，2008，36（6）：47-50.［5］房江华.小红沟矿急倾斜特厚煤层自然发火预测预报技术研究［D］.西安：西安科技大学，2012.［6］苗法田，程卫民，孟祥军，等.超长综放工作面终采线处煤炭自燃防治技术［J］.煤炭科学技术，2006，34（4）：38-40.［7］谢中朋，宋晓燕.综放工作面遗煤自然发火及早期预报技术［J］.矿业安全与环保，2013，40（3）：121-124.［作者简介］孙洪波（1981-），男，工程师，毕业于中国矿业大学安全工程专业，主要从事矿井通风与安全、井内火灾治理理论与技术方面研究工作。［收稿日期：2014-08-14］能源技术与管理EnergyTechnologyandManagement2015年第40卷第1期Vol.40No.13中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net