淺埋藏大采高綜放面遺煤自燃機(jī)理與防治研究

雷焱云

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西忻州036500）

淺埋藏大采高綜放面遺煤自燃機(jī)理與防治研究

雷焱云

（山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西忻州036500）

為了對(duì)淺埋藏大采高煤層的自然發(fā)火機(jī)理以及發(fā)火防治技術(shù)進(jìn)行研究，選擇磁窯溝煤礦10202工作面作為研究對(duì)象，對(duì)該工作面煤樣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。確定了該工作面應(yīng)以CO作為指標(biāo)性氣體，并輔以C2H6、C2H4、C2H2來掌握煤炭自然發(fā)火的情況，并且通過束管檢測(cè)系統(tǒng)，確定了該工作面自燃氧化“三帶”的劃分。針對(duì)該工作面煤層埋藏深度淺、一次采全高、具有自然發(fā)火危險(xiǎn)性等特點(diǎn)，提出了預(yù)防性灌漿和漏風(fēng)通道封堵的防火技術(shù)措施，以保證煤礦安全生產(chǎn)。

淺埋藏；大采高；發(fā)火機(jī)理；自燃防治

礦井火災(zāi)是煤礦主要的五大災(zāi)害之一，是誘發(fā)瓦斯或煤塵爆炸、造成重大人員傷亡事故的重要根源。隨著煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展，以及開采強(qiáng)度的加大，對(duì)于淺埋藏煤層而言，由于埋深淺，采空區(qū)冒落高度大，綜采回采后地表受到煤層開采影響，引起地面塌陷，使采空區(qū)形成許多與地表貫通的不易封閉的裂縫。在負(fù)壓通風(fēng)的作用下，礦井容易形成多源漏風(fēng)，從而增加了淺埋藏煤層采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性［1］。由于礦井火源發(fā)生地大多位于采空區(qū)或者煤柱內(nèi)等難以觀測(cè)的隱蔽地帶，所以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和控制火情比較困難。隨著隱蔽火源的逐漸蔓延與擴(kuò)大，不僅會(huì)燒毀大量煤炭，還會(huì)凍結(jié)大量的資源，從而造成煤炭資源的極大浪費(fèi)。同時(shí)，還有可能引發(fā)瓦斯或煤塵爆炸等一系列重大事故，對(duì)礦工的生命安全造成嚴(yán)重威脅，給國家經(jīng)濟(jì)帶來重大損失。磁窯溝10202工作面具有煤層厚度變化較大，煤層埋藏深度較淺；采用一次采全高綜采機(jī)械化采煤方法，采空區(qū)存在部分頂煤；煤層內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤的破碎程度較大、氧化表面積較大、氧化速度快等特點(diǎn)。因而，選擇磁窯溝10202工作面作為研究對(duì)象，對(duì)該工作面煤層采空區(qū)遺煤的自然氧化機(jī)理與自燃防治技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。

1 礦井開采條件

磁窯溝煤礦主采10-2煤層，10202工作面10-2煤層為特厚煤層，本煤層在該回采工作面內(nèi)賦存較不穩(wěn)定，煤層中含有4～5層夾矸，夾矸厚度0.15～1.43 m，夾矸平均總厚度為2.24 m，單層夾矸最大厚度為4 m，夾矸巖性多為泥巖及碳質(zhì)泥巖，較硬。工作面煤層頂板多為粗、中、細(xì)粒砂巖，有少量泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。工作面煤層底板為平均厚6.66 m的泥巖，呈灰黑色，層狀，固結(jié)性較好，質(zhì)較硬，易風(fēng)化，含大量植物莖、葉化石。再往下為11號(hào)煤層，平均厚度3.85 m。該工作面煤（巖）層呈單斜構(gòu)造賦存，大體向北西方向傾斜，煤層傾角為2°～8°，煤層平均傾角為4°10′，煤（巖）層中節(jié)理、裂隙中等發(fā)育。10-2號(hào)煤層采用長壁式（走向或傾斜）一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，采用全部垮落法管理頂板。煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為2.086 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.817 m3/t，CO2絕對(duì)涌出量為3.332 m3/min，CO2相對(duì)涌出量為1.303 m3/t。礦井為低瓦斯礦井。10-2煤層自燃傾向性為II類，最短自然發(fā)火期為97天。

2 磁窯溝煤樣實(shí)驗(yàn)室分析

大塊煤樣從磁窯溝煤礦10-2煤層10202工作面選取。在剝?nèi)ッ簶颖砻娴难趸瘜又?，將煤樣粉碎，然后選取100 g粒度為5 mm的煤樣放置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，進(jìn)行程序升溫及降溫實(shí)驗(yàn)。連接好進(jìn)、出氣氣路以及溫度探頭，并且檢查氣路的氣密性。通過程序控溫箱控制，對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到指定的測(cè)試溫度時(shí)，在恒定溫度5 min后采取氣樣，進(jìn)行氣體成分和濃度的分析［2］。對(duì)平磁窯溝礦10-2煤層煤樣實(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(shì)見圖1，圖2。

圖1 磁窯溝礦10-2煤樣CO和CO2變化趨勢(shì)圖

圖2 磁窯溝礦10-2煤樣CH4、C2H6、C2H4和C3H8變化趨勢(shì)圖

通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和趨勢(shì)圖發(fā)現(xiàn)，磁窯溝礦10-2煤層煤樣在30℃到220℃溫度范圍的氧化過程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2、CH4、C2H6、C2H2、C2H4和C3H8氣體，CO、CO2、CH4三種氣體均在30℃時(shí)即開始出現(xiàn)，并且氣體產(chǎn)物的生成量隨著煤溫的升高基本上呈現(xiàn)出指數(shù)上升趨勢(shì)。在低溫氧化階段，CO的生成量較小，煤溫達(dá)到110℃之后其生成量迅速增加，這說明該溫度下煤已經(jīng)開始迅速氧化，物理吸附已經(jīng)越來越弱，而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)則占據(jù)了主要位置。CH4的生成量隨著煤溫的升高呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在170℃時(shí)達(dá)到最大值，這是由于在加熱情況下煤樣中吸附的瓦斯釋放出來，170℃左右釋放量最大。C2H4在130℃時(shí)出現(xiàn)，濃度不大，但隨溫度升高呈現(xiàn)出規(guī)律的變化。C3H8氣體出現(xiàn)的較晚，煤溫達(dá)到160℃時(shí)才出現(xiàn)，此氣體的出現(xiàn)可以說明煤升溫氧化已發(fā)展到非常危險(xiǎn)的程度。C2H6在70℃出現(xiàn)，說明煤樣在該溫度開始發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)；C2H2與其它氣體相比，出現(xiàn)比較晚，在30℃～220℃還沒有出現(xiàn)，說明其出現(xiàn)的初始溫度高于220℃，一旦有C2H2出現(xiàn)則可以表明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。綜上分析，磁窯溝礦10-2煤層煤樣CO的出現(xiàn)并增大說明煤已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，煤溫達(dá)到30℃以上，C2H6的出現(xiàn)說明煤溫達(dá)到70℃，C2H4的出現(xiàn)表明煤溫已經(jīng)達(dá)到130℃，C2H2的出現(xiàn)則說明煤溫至少已經(jīng)達(dá)到220℃，所以該礦可以用CO作為指標(biāo)性氣體，并以C2H6、C2H4、C2H2作為輔助指標(biāo)來掌握煤炭自燃情況。

3 磁窯溝礦煤的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

為了研究在現(xiàn)有開采技術(shù)水平和通風(fēng)條件下磁窯溝10-2煤層的采空區(qū)浮煤氧化環(huán)境［3-4］，以10202綜放工作面作為研究對(duì)象。通過在井下鋪設(shè)束管觀測(cè)系統(tǒng)，采取氣體，同時(shí)結(jié)合氣相色譜技術(shù)，來對(duì)采空區(qū)氧氣以及其他氣體成分濃度隨工作面回采的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。觀測(cè)過程中測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖310202 采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置平面圖

由于工作面煤層賦存較厚，采用綜放開采，煤層開采時(shí)上覆煤巖受采動(dòng)影響比較大。在開采過程中，老頂初次來壓、垮落后，發(fā)生周期性來壓、垮落，上覆煤巖發(fā)生冒落、裂隙擴(kuò)展和整體移動(dòng)，使得采空區(qū)浮煤堆積相對(duì)破碎，易于蓄熱，浮煤自燃危險(xiǎn)性增強(qiáng)。而采空區(qū)煤呈破碎狀態(tài)且堆積到一定厚度是煤體自燃的必要條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)10202工作面實(shí)際開采情況，得出采空區(qū)的平均浮煤厚度分布情況。10202工作面采空區(qū)浮煤厚度等值線分布圖見圖4。

圖4 采空區(qū)浮煤厚度等值線分布圖

通過為期1個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)氣樣數(shù)據(jù)擬合分析以及結(jié)合采空區(qū)浮煤厚度的分析，按照最大最小原則，可得進(jìn)風(fēng)巷端與回風(fēng)巷端的自燃氧化“三帶”的范圍見表1。

表1 采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域?qū)崪y(cè)劃分表

通過對(duì)進(jìn)、回風(fēng)巷的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以得出，回風(fēng)巷的氧化帶寬度比進(jìn)風(fēng)巷窄，比進(jìn)風(fēng)巷更早進(jìn)入氧化升溫帶，這說明在回風(fēng)巷采空區(qū)的漏風(fēng)量小，容易積聚使浮煤氧化［5-6］，而進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)漏風(fēng)量大，漏風(fēng)覆蓋的區(qū)域廣，容易帶走浮煤自身氧化的熱量，延長了氧化時(shí)間，增加了氧化帶的寬度。

4 防滅火措施

4.1 灌漿防滅火技術(shù)

對(duì)于磁窯溝煤業(yè)公司，目前開采10-2煤層工作面采空區(qū)是自然發(fā)火最危險(xiǎn)的區(qū)域，因此，灌漿主管路應(yīng)針對(duì)10202綜采面采空區(qū)進(jìn)行鋪設(shè)。鋪設(shè)管路為：

地面灌漿站—主斜井—北膠運(yùn)大巷—二盤區(qū)輔運(yùn)大巷—10202工作面回風(fēng)順槽，線路總長度約3 400 m。在工作面回采過程中灌漿的具體安排如下：

1）工作面異常時(shí)埋管灌漿。

采用埋管灌漿法，在放頂前沿進(jìn)風(fēng)巷在采空區(qū)預(yù)先鋪好灌漿管（一般預(yù)埋10～20 m鋼管），預(yù)埋管一端通采空區(qū)，一端接高壓膠管。在正常生產(chǎn)條件下不注漿，但預(yù)埋管隨著工作面的推進(jìn)用回柱絞車逐漸牽引往外移［7-8］，使預(yù)埋管始終保持在采空區(qū)內(nèi)5～8 m；當(dāng)推進(jìn)緩慢時(shí)、非正常生產(chǎn)超過一天或回風(fēng)流中CO濃度上升超過24×10-6的情況下啟動(dòng)注漿系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌漿，直到工作面恢復(fù)正常生產(chǎn)為止。埋管灌漿示意圖見圖5。

圖5 埋管灌漿示意圖

2）采后閉墻插管灌漿。

在工作面兩端的密閉墻上分別預(yù)設(shè)1～2個(gè)d75 mm的注漿孔，實(shí)行“連續(xù)足量，充分灌注”，大量向閉后灌注漿液，同時(shí)可以起到堵漏風(fēng)作用，防止發(fā)生自燃火災(zāi)。

4.2 堵漏防滅火技術(shù)

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)三帶觀測(cè)的結(jié)果和對(duì)氧含量的考察，工作面回風(fēng)側(cè)以內(nèi)110 m才進(jìn)入采空區(qū)自熄帶，自燃帶寬度較大，表明采空區(qū)漏風(fēng)比較嚴(yán)重。前面已經(jīng)分析，采空區(qū)的主要漏風(fēng)特征是從進(jìn)風(fēng)巷側(cè)進(jìn)入，然后向靠近回風(fēng)側(cè)流出，因此，要實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的堵漏，就必須將采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)側(cè)和進(jìn)風(fēng)巷橫川加以堵漏。為防止工作面推過后采空區(qū)后方橫川漏風(fēng)，采用高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡封堵系統(tǒng)，以袋墻為框架填充高強(qiáng)度發(fā)泡混凝土，堵漏墻不僅起到堵漏作用，還可以加固煤柱，減少碎煤的產(chǎn)生。高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡堵漏采空區(qū)示意圖見圖6。

圖6 高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡堵漏采空區(qū)示意圖

5 結(jié)論

通過對(duì)磁窯溝煤礦10-2煤層煤樣的實(shí)驗(yàn)室測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，得到如下結(jié)論：

1）經(jīng)程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，當(dāng)檢測(cè)到CO氣體且濃度穩(wěn)定增加，說明已有煤溫度達(dá)30℃，煤氧化正在加速進(jìn)行，有發(fā)生自燃的危險(xiǎn)；檢測(cè)到C2H4說明已有煤溫度達(dá)到130℃；檢測(cè)到C2H2，則說明煤溫度大于220℃。

2）根據(jù)對(duì)10202工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該工作面的進(jìn)風(fēng)巷端自燃帶范圍為35～115 m，回風(fēng)側(cè)端為48～110 m。

3）結(jié)合磁窯溝的現(xiàn)場(chǎng)情況及漏風(fēng)狀況，提出了預(yù)防性灌漿防滅火措施；同時(shí)以袋墻為框架填充高強(qiáng)度發(fā)泡混凝土，通過封堵增加采空區(qū)后部漏風(fēng)風(fēng)阻，從而實(shí)現(xiàn)采空區(qū)漏風(fēng)量的控制。

［1］褚廷湘，余明高，楊勝強(qiáng).煤巖裂隙發(fā)育誘導(dǎo)采空區(qū)漏風(fēng)及自燃防治研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（1）:87-93.

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Study on Spontaneous Combustion Mechanism and Prevention of Remaining Coal for Shallow Buried and Large Mining Height Fully Mechanized Caving Face

Lei Yan-yun

In order to study the mechanism of spontaneous combustion and ignite prevention and control technology on the coal seam of shallow buried and large mining height,the 10202 working face of Ciyaogou coal mine is as the research object，and the coal sample of working face is analyzed in laboratory and measured on scene. It ensures working face mastering the situation of coal spontaneous combustion of which CO is priority and C2H6、C2H4、C2H2is auxiliary.The dividing of spontaneous combustion three zones is determined through the beam tube detection system.According to the characteristics of shallow burial,a mining overall height and danger of spontaneous combustion，the fire protection technical of preventive grouting and air leakage channel plugging are put forward to ensure the safety of coal mine production.

Shallow buried；Large mining height；Mechanism of ignition；Spontaneous combustion prevention and control

TD75+2.2

B

1672-0652（2014）11-0053-04

2014-09-25

雷焱云（1985—），男，山西朔州人，2007年畢業(yè)于大同大學(xué)，主要從事礦井一通三防方面的技術(shù)管理工作（E-mail）578945392@qq.com