基于指标气体和红外探测技术的整合矿井火区划分.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 基于指标气体和红外探测技术的整合矿井火区划分 于树江ꎬ杨成轶ꎬ徐纪元ꎬ朱红青 中国矿业大学北京 资源与安全工程学院ꎬ北京 １０００８３ 摘 要针对资源整合矿井早期粗放式开采导致采空区大量留煤ꎬ易引起煤炭自燃问题ꎬ以北祖煤矿 ４＋９ 煤层为研究对象ꎬ通过指标气体试验对火区燃烧情况进行研究并采用红外探测技术对巷道顶煤 表面高温区域进行划分ꎬ结果表明ＣＯ、Ｃ２Ｈ４和 Ｃ２Ｈ６可以作为北祖煤矿 ４＋９ 煤层自燃的指标气体ꎬ 火区温度在 ８０１１０ ℃ꎬ且火区有自北向南扩展趋势ꎮ 研究结果为打钻探测、堵漏等提供了参考ꎮ 关键词火区ꎻ指标气体ꎻ自燃ꎻ红外探测技术ꎻ高温区域 中图分类号ＴＤ７５ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００５５－０３ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｎ Ｆｉｒｅ Ａｒｅａ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ＹＵ Ｓｈｕ￣ｊｉａｎｇꎬＹＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ￣ｙｉꎬＸＵ Ｊｉ￣ｙｕａｎꎬＺＨＵ Ｈｏｎｇ￣ｑｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇ １０００８３ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏａｌ ｌｅｆｔ ｉｎ ｔｈｅ ｇｏａｆ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｉｎｅ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｍｉｎｉｎｇꎬｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｃａｕｓｅ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ.Ｔａｋｉｎｇ Ｎｏ􀆱 ４＋９ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｆ Ｂｅｉｚｕ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ａｓ ａ ｓｔｕｄｙ ｓｕｂｊｅｃｔꎬｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅ ａｒｅａ ｗａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｇａｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎬａｎｄ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄ￣ ｗａｙ ｒｏｏｆ ｆａｃｅ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔꎬＣＯ、Ｃ２Ｈ４ａｎｄ Ｃ２Ｈ６ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｔａｋｅｎ ａｓ ｔｈｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｇａｓ ｆｏｒ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ Ｎｏ􀆱 ４＋９ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｆ Ｂｅｉｚｕ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅꎬｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｆｉｒｅ ａｒｅａ ｗａｓ ８０１１０ ℃ꎬａｎｄ ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ａｒｅａ ｅｎｌａｒｇｅｄ ｆｒｏｍ ｎｏｒｔｈ ｔｏ ｓｏｕｔｈ.Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｌｕｇｇｉｎｇ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｆｉｒｅ ａｒｅａꎻｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｇａｓꎻｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎꎻｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅꎻｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｒｅａ 收稿日期２０１４－０３－２６ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.０１５ 作者简介于树江１９６３ꎬ男ꎬ黑龙江双鸭山人ꎬ博士研究生ꎬ高级工程师ꎮ Ｅ－ｍａｉｌ２３２２１５５１３０＠ ｑｑ􀆱 ｃｏｍ 引用格式于树江ꎬ杨成轶ꎬ徐纪元ꎬ等.基于指标气体和红外探测技术的整合矿井火区划分[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５５５－５７ꎬ６１. ＹＵ Ｓｈｕ￣ｊｉａｎｇꎬＹＡＮＧ Ｃｈｅｎｇ￣ｙｉꎬＸＵ Ｊｉ￣ｙｕａｎꎬｅｔ ａｌ.Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｎ Ｆｉｒｅ Ａｒｅａ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ Ｇａｓｅｓ ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５５５－５７ꎬ６１. ０ 引 言 我国是煤炭资源和生产大国ꎬ在我国乡镇煤矿 进行资源整合和走上正规化之前ꎬ小煤矿一般采用 房柱式开采ꎬ机械化程度较低ꎬ采出率仅为 ２０％ ３０％ꎬ导致采空区存在大量遗煤ꎬ从而形成大规模的 自然发火危险区域ꎬ加之管理不规范ꎬ火区地质开采 资料缺乏ꎬ井下巷道错综复杂ꎬ连通情况不详ꎬ其火 区位置、范围和发展趋势都难以确定[１－３]ꎬ这些都给 资源整合矿井火区治理工作造成巨大困难ꎮ 笔者在 北祖煤矿煤层发火基本状况的分析基础上ꎬ对 ４＋９ 煤层煤样进行程序升温试验ꎬ研究其自然发火指标 气体及变化规律ꎬ并在发火区域范围内进行气体采 集并用气相色谱仪分析气样ꎬ通过对比指标气体分 析火区燃烧所处大致阶段ꎬ并根据红外热像仪现场 实测结果分析北祖煤矿 ９２０９ 运输巷顶板煤层火区 温度范围和发展状况ꎬ从而快速圈划巷道表面高温 区域ꎬ为后续打钻探测、堵漏和灭火提供参考ꎮ １ 矿井概况 北祖煤矿系资源整合矿井ꎬ在开采初期ꎬ因技术 相对落后ꎬ多采用巷采法ꎮ 巷采过程中ꎬ一旦揭露煤 层就开始采掘ꎬ如果遇到复杂地质构造或顶板冒落 等问题ꎬ就转向其他区域进行采掘ꎬ煤炭开采缺乏基 本的回采设计与规划ꎮ 因此ꎬ现存老巷错综复杂ꎮ 北祖煤矿 ４＋９ 煤层埋深较浅ꎬ分布在其内部的老巷 道通过上部裂隙与地面贯通的可能性比较大ꎻ同时ꎬ 老巷道内的遗煤较多ꎻ如果这些老巷的蓄热条件较 ５５ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 好ꎬ极易发生煤炭自燃ꎬ对下部煤层的开采危害很 大ꎮ 该矿在资源整合以后ꎬ全面采用综合机械化开 采技术ꎬ针对上述特点也采取了一定的防治上部老 巷道煤炭自燃的措施ꎬ如事先探测危险区域范围ꎻ揭 露老巷后及时密闭处理等ꎮ 但在 ９２０９ 运输巷掘进 过程中ꎬ仍然发现了煤炭自燃的迹象ꎮ 第 ２ 次揭露 老巷时ꎬ上部漏顶并有煤屑掉落ꎬ煤屑呈暗红色ꎬ温 度高达 １００ ℃ 左右ꎮ 通过球胆取样化验ꎬ发现 ＣＯ 体积分数严重超标ꎬ为 ２ ６２５１０ －６ ꎮ 因此急需对煤 层火区进行监测并采取措施进行防灭火ꎮ ２ 程序升温指标气体分析 煤在氧化自燃过程中ꎬ不仅放出一定的热量ꎬ而 且还释放出 ＣＯ、Ｃ２Ｈ４和 Ｃ２Ｈ６等碳氢化合物ꎬ且分解 的气体成分及其浓度与煤温之间有一定的对应关 系[４]ꎮ 指标气体分析法就是通过测定煤层发火过 程中产生的一系列反应煤炭氧化和燃烧程度的指标 气体ꎬ随着煤温升高ꎬ其产生量将发生显著变化ꎬ因 此ꎬ可以利用指标气体产生量的变化来进行煤层火 灾早期预报及分析火区发育程度[５]ꎮ 然而ꎬ由于井 下现场条件错综复杂ꎬ要全面地对煤炭自燃过程中 产生气体的成分及浓度变化与温度的对应关系进行 试验研究ꎬ难以只实现[６－７]ꎬ因此仅在实验室模拟现 场条件下进行了试验研究ꎮ ２􀆱 １ 试验系统 将煤样粉碎一定的粒度ꎬ装入程序控温箱进行 程序升温ꎬ检测煤炭自燃过程中不同温度时释放气 体成分的变化[８]ꎬ试验系统如图 １ 所示ꎮ 柱形反应 罐ꎬ罐长 ２５ ｃｍ、直径 ９􀆱 ５ ｃｍ、装煤量为 ２００ ｇꎮ １压力泵ꎻ２三通ꎻ３压力表ꎻ４稳压阀ꎻ５减压阀ꎻ６除尘 器ꎻ７进气混合仓ꎻ８煤样罐ꎻ９隔热层ꎻ１０程序控温箱ꎻ １１气体预热铜管ꎻ１２加热器ꎻ１３风扇ꎻ１４出气混合仓 图 １ 试验系统示意 ２􀆱 ２ 指标气体分析 根据 ＧＢ/ Ｔ ４８２２００８煤层煤样采取方法 [９] 采取工作面新鲜煤样ꎬ并密封运至实验室ꎮ 按照 ＧＢ ４７４２００８煤样的制备方法 [１０] 要求ꎬ将煤样破碎 并筛分ꎬ分别称取粒度为 １􀆱 ２５１􀆱 ６、１􀆱 ６２􀆱 ０、２􀆱 ０ ３􀆱 ５、３􀆱 ５５􀆱 ０、５􀆱 ０７􀆱 ０ ｍｍ 的煤样各 ４０ ｇ 并进行 混合ꎬ共计 ２００ ｇꎮ 首先装载煤样ꎬ在氮气保护和 １０５ ℃下恒温干燥 ９ ｈꎬ待煤温冷却至室温后通入流 量 ６０ ｍＬ/ ｍｉｎ 的氮氧混合气体ꎬ由质量流量计控制ꎬ 氧气、氮气体积分数分别为 ２１％和 ７９％ꎬ煤温从 ３０ ℃开始每隔 １５ ℃抽取气体ꎬ使用气相色谱仪分析其 成分和含量ꎬ记录数据至 １８０ ℃结束ꎮ 具体升温过 程如下先以 １ ℃ / ｍｉｎ 的速度将煤温升高 １５ ℃ꎬ然 后保持煤温恒定 １０ ｍｉｎ 左右后ꎬ再以约 １ ℃ / ｍｉｎ 的 速度将煤温升高 １５ ℃ꎬ然后保持煤温恒定 １０ ｍｉｎ 左右ꎬ依次类推ꎮ 应用上述试验方法ꎬ在不同入口氧气体积分数 的条件下ꎬ对测试松散煤样进行程序升温试验ꎬ并在 一定温度下对出口气体进行采集ꎬ使用气相色谱仪 对气体组分及浓度进行分析ꎬ结合实际情况ꎬＣＯ２和 ＣＨ４两种气体实际中易受外部环境的影响[１１]ꎬ不宜 作为指标气体ꎬ而 ＣＯ、Ｃ２Ｈ４和 Ｃ２Ｈ６三种气体则较为 敏感ꎬ可以作为指标气体ꎬ三者与煤温关系如图 ２ 所 示ꎬ由图 ２ａ 可以看到ꎬ在温度大约 ３０ ℃ 开始生成 ＣＯꎬ生成量的总体趋势与温度呈指数关系ꎬ随着煤 温的升高 ＣＯ 的产生速率增大ꎬ特别是在温度 １３０ ℃左右出现急速增长ꎮ 由图 ２ｂ 可知在将煤样升至 １００ ℃之前几乎不产生 Ｃ２Ｈ４ꎬ将煤样升温至 １１０ ℃ 以后出现 Ｃ２Ｈ４ꎬ特别在 １３０ ℃ 左右出现急速增长ꎻ 在温度大约 ７０ ℃开始生成 Ｃ２Ｈ６ꎬ随着煤温升高产 生速率也随之增大ꎬ但在升至 １４０ ℃之后 Ｃ２Ｈ６浓度 开始急剧减少ꎬ整个试验温度范围内体现出极强的 规律性ꎬ与温度之间存在较好的指数关系ꎮ 因此可 以通过检测这 ３ 种气体浓度ꎬ判断火区的大概温度ꎬ 以分析判断火区发展变化情况ꎮ 图 ２ ＣＯ、Ｃ２Ｈ４、Ｃ２Ｈ６浓度随温度变化曲线 ３ 气体监测与分析 为了对火区的温度进行预判ꎬ在某一时刻对发 ６５ 于树江等基于指标气体和红外探测技术的整合矿井火区划分２０１４ 年第 ５ 期 火区域一定范围内的气体进行采集ꎬ并应用气相色 谱仪进行分析ꎬ北祖煤矿 ４＋９ 煤层 ９２０９ 运输巷与 ９２１１ 回风巷共同掘进ꎬ考虑 ９２０９ 运输巷与 ９２１１ 回 风巷上覆煤层均分布有老巷ꎬ老巷遗煤发生自燃的 可能性很高ꎬ所以对 ９２０９ 运输巷与 ９２１１ 回风巷均 设采样点进行气体采集ꎬ回风大巷西回风巷口与北 祖煤矿资源整合前小煤矿开采所留老回风巷相连ꎬ 在此处也设气体采样点ꎬ具体的气体采样点如图 ３ 所示ꎬ９２０９ 运输巷 ２１ 号风筒处采样点 １、４２ 号风 筒与 ４３ 号风筒间采样点 ２、４６ 号风筒处采样点 ３的 ＣＯ 体积分数分别为 １１０ －６ 、２１０ －６ 、７１０ －６ ꎬ ９２１１ 回风巷 ９８、８４、６２ 号排水管处采样点 ４６的 ＣＯ 体积分数分别为 ２１０ －６ 、１０１０ －６ 、３１０ －６ ꎬ９２１１ 回风巷 ２６、２７ 号风筒处采样点 ７、８的 ＣＯ 体积分 数分别为 １０１０ －６ 、２１０ －６ ꎬ西回风巷口采样点 ９ ＣＯ 体积分数为 １３８１０ －６ ꎮ 图 ３ 气体采样点分布 由图 ３ 可以看出ꎬ９２０９ 运输巷和 ９２１１ 回风巷 由于上部发火的采空区漏风以及防爆机车通过等原 因会造成其具有稳定的低浓度 ＣＯ１１０ －６ ３ １０ －６ ꎬ在巷道内的具体漏风位置附近 ＣＯ 浓度会相 应提高ꎬ但由于巷道中稀释较严重并没有检测到其 他指标气体ꎮ 而在西回风巷口位置ꎬＣＯ 体积分数高 达 １３８ １０ －６ ꎬ且监测出了体积分数为 ８ １０ －６ 的 Ｃ２Ｈ６ꎬ这是因为上覆老采空区与此位置通过巷道联 通ꎬ封闭不严就会造成掘进工作面的漏风经老巷从 该口漏出ꎬ漏风较多ꎬ稀释也没有其他位置严重ꎬ浓 度较高ꎮ 根据以上情况判断ꎬ由于在火区漏风气体 中监测出了 Ｃ２Ｈ６而没有检测到 Ｃ２Ｈ４ꎬ考虑到低浓 度 Ｃ２Ｈ４被稀释或吸附而未检出的可能ꎬ火区最高温 度应该在 ８０１１０ ℃ꎮ ４ 巷道顶煤火区区域圈划及高温点定位 利用红外热像仪[８]进行井下巷道自燃火源的 探测及火区发展趋势的观测[１２－１５]ꎮ 北祖煤矿目前 主要开采 ４＋９ 煤层ꎮ 在 ９２０９ 工作面掘进过程中发 现巷道上部有煤层自然发火现象ꎬ北祖煤矿在 ９２０９ 运输巷揭露老巷发生漏顶区段巷道进行整体喷浆处 理ꎬ喷浆完成后发现该区域温度仍明显高于其他区 域ꎮ 使用 ＹＲＨ２５０ 型本安性红外热像仪对该区段 巷道顶板表面进行观测ꎬ较为直观记录温度并进行 软件分析比较ꎮ 以一周时间为间隔ꎬ对 ９２０９ 工作面运输巷顶板 煤层高温区域自南向北进行定点观察ꎬ煤体红外热 像如图 ４ 所示ꎮ 由图 ４ 可看出整个火区范围的温度 变化以及中心点的最高温度ꎮ 从图 ４ａ 可以看出顶 板煤层表面最高温度为 ３１􀆱 ７３ ℃ꎬ从图 ４ｂ 可以看出 顶板煤层表面最高温度为 ３８􀆱 ９９ ℃ꎬ对比图 ４ 中的 ２ 幅图发现ꎬ顶板煤层表面温度有明显升高趋势ꎬ ９２０９ 运输巷掘进工作面顶板是实体煤ꎬ其红外成像 温度分布基本一致ꎬ火区温度明显高于其他区域ꎬ煤 体温度明显升高ꎬ高温区域有明显扩展趋势ꎮ 图 ４ 煤体红外热像 ５ 结 论 １通过程序升温试验发现ꎬ北祖煤矿 ４＋９ 煤层 煤样从 ３０ ℃就开始出现 ＣＯꎬ而 Ｃ２Ｈ４和 Ｃ２Ｈ６分别 在 １１０ ℃和 ８０ ℃之后开始出现ꎬ且 ３ 种气体较为敏 感ꎬ可以作为指标气体ꎮ 通过检测这 ３ 种气体浓度ꎬ 可以判断火区的大概温度ꎮ ２在连通 ４＋９ 煤层老采空区的西回风巷口监 测出了 Ｃ２Ｈ６而没有检测到 Ｃ２Ｈ４ꎬ说明火区最高温 度应该在 ８０１１０ ℃ꎬ考虑到低浓度 Ｃ２Ｈ４被稀释或 吸附而未检出的可能ꎬ但温度也不会大幅度超过该 范围ꎮ ３利用红外热像仪在前后一周时间观测 ９２０９ 掘进运输巷揭露老巷处的顶板煤层ꎬ发现该处煤层 表面最高温度从 ３１􀆱 ７３ ℃升高至 ３８􀆱 ９９ ℃ꎬ表面高 温区域明显扩展ꎬ结合红外观测点走向ꎬ可以推断 ９２０９ 掘进运输巷上覆煤层火区有自北向南扩展趋 势ꎬ为后续打钻探测、堵漏和灭火提供参考ꎮ 参考文献 [１] 杨 旭.资源整合矿井封闭区域内自然发火危险区域探测与控 下转第 ６１ 页 ７５