晉牛煤礦采空區(qū)自然發(fā)火的防治

豆兵利

(山西晉煤集團(tuán)臨汾晉牛煤礦投資有限責(zé)任公司)

煤炭是我國(guó)的主要能源，煤炭產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展與我國(guó)的能源安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系緊密，礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，其中又以煤自然發(fā)火最為嚴(yán)重。煤炭自然發(fā)火主要發(fā)生在采空區(qū)等浮煤容易堆積的地點(diǎn)，這些地點(diǎn)隱蔽性好，有充足的氧氣，熱量容易得到積聚，不易察覺［1］。因此，研究和分析回采面采空區(qū)遺煤、漏風(fēng)、氣體成分、溫度等參數(shù)變化，并采取經(jīng)濟(jì)有效的防滅火措施，提前預(yù)防煤自然發(fā)火，是礦井防滅火工作的重要內(nèi)容［2-5］。

1 礦井概況

山西晉煤集團(tuán)臨汾晉牛煤礦投資有限責(zé)任公司由6個(gè)煤礦重組而成，設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為90萬t/a，可采煤層為2#、9#+10#+11#煤層。2#煤層大部分已于整合前開采，煤層厚度平均為1.10 m，距9#+10#+11#煤層最近79.06 m。9#+10#+11#煤層為礦井主采煤層，厚度4.24 ～7.30 m，平均 5.14 m，煤層頂板為K2石灰?guī)r或泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。9#+10#+11#煤層開采時(shí)，最大絕對(duì)瓦斯涌出量7.38 m3/min，最大相對(duì)瓦斯涌出量3.90 m3/t，為瓦斯礦井。煤塵具有爆炸性，自燃傾向性為Ⅱ類，屬自燃煤層。晉牛煤礦采用中央并列式通風(fēng)系統(tǒng)，共布置3個(gè)井筒，主斜井、副斜井進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)立井回風(fēng)，采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方式。為綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

2 自然發(fā)火危險(xiǎn)分析

2.1 自燃傾向性

根據(jù)資質(zhì)單位鑒定，晉牛煤礦主采煤層的自燃傾向性屬于Ⅱ類自燃煤層，具體數(shù)據(jù)見表1。

煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法(GB/T 20104—2006)中分類指標(biāo)規(guī)定，煤樣干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf＞18%時(shí)，Ⅰ類容易自燃煤層吸氧量為Vd＞0.70 mL/g，Ⅱ類自燃煤層吸氧量為 0.40＜Vd≤0.70 mL/g。由此可知，晉牛煤礦主采煤層自燃傾向性雖屬于Ⅱ類自燃，接近于Ⅰ類，煤自然發(fā)火防治工作應(yīng)予以重視。

表1 9#+10#+11#煤層自燃傾向性等級(jí)

2.2 主采煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體確定

通過對(duì)晉牛煤礦主采煤層煤樣的自然發(fā)火標(biāo)志氣體試驗(yàn)，煤自燃氧化氣體主要有CO、CO2、C2H4、C3H6和C2H2等。

(1)CO。CO是煤氧化過程中出現(xiàn)最早的氧化氣體產(chǎn)物，CO產(chǎn)生的臨界溫度約61℃，并貫穿于整個(gè)自然氧化過程。在245℃以前，CO氣體濃度變化規(guī)律與煤溫之間呈現(xiàn)出單一遞增關(guān)系［6］;當(dāng)煤溫超過245℃以后，增長(zhǎng)更加明顯;458℃以后進(jìn)入加速氧化階段。

(2)C2H4、C3H6。C2H4、C3H6是煤自然氧化產(chǎn)生的主要烯烴組份，其濃度變化也是隨煤溫升高而增大。在煤的吸附氣體中，沒有C2H4氣體組份。C2H4和C3H6氣體其臨界溫度分別在159和208℃左右，產(chǎn)生C2H4后，煤樣開始進(jìn)入加速氧化階段;C3H6的產(chǎn)生預(yù)示著煤自然氧化進(jìn)入激烈氧化或燃燒。煤溫在達(dá)到245℃以后短時(shí)間內(nèi)升至458℃以上，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤礦井下自然發(fā)火過程中，應(yīng)特別注意C2H4和C3H6的產(chǎn)生以及比重變化，以便在最有效的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火的治理工作。

(3)C2H2在煤氧化自燃后期是最主要的指標(biāo)氣體。晉牛煤礦主采煤層試驗(yàn)煤樣在458℃時(shí)產(chǎn)生C2H2氣體，濃度為 0.41×10-6。C2H2的出現(xiàn)說明煤開始激烈氧化或燃燒。因此，當(dāng)出現(xiàn)C2H2氣體時(shí)，采取措施時(shí)一定要謹(jǐn)慎，避免引發(fā)爆炸等災(zāi)害性事故。

2.3 煤自然發(fā)火的臨界氧氣濃度

煤自然發(fā)火與氧氣濃度密切相關(guān)，氧濃度的變化決定了煤最終能否引發(fā)自燃火災(zāi)。

將試驗(yàn)煤樣分別在 20.9%(空氣)、10.0%和7.0%氧氣濃度環(huán)境下進(jìn)行自然發(fā)火模擬試驗(yàn)。伴隨氧濃度下降，各自然發(fā)火指標(biāo)氣體產(chǎn)物濃度在某一溫度時(shí)呈下降趨勢(shì)。空氣環(huán)境下(氧濃度為20.9%)，試驗(yàn)煤樣 C2H4氣體出現(xiàn)在159℃，CO、C2H4濃度快速增加;當(dāng)氧濃度降到10.0%時(shí)，CO、C2H4的增長(zhǎng)趨勢(shì)受到一定抑制，說明采空區(qū)氧濃度降到10.0%時(shí)，煤的氧化受到阻礙，但煤仍會(huì)氧化甚至燃燒;當(dāng)氧濃度降到7.0%時(shí)，試驗(yàn)煤樣仍發(fā)生氧化，但試驗(yàn)過程中沒有出現(xiàn)C2H2氣體，說明煤樣已不能引起燃燒。試驗(yàn)過程中檢出 CO、C2H4、C3H6、C2H2時(shí)的煤溫如表2所示。

表2 不同供氧濃度試驗(yàn)中主要指標(biāo)氣體組份檢出溫度

煤自燃氧化過程中，一個(gè)重要的熱力學(xué)特性是煤溫度的變化，煤氧化程度可以由煤溫的變化直觀體現(xiàn)，如1所示。

圖1 自然發(fā)火模擬試驗(yàn)煤樣溫升

由圖1可以看出，氧濃度為20.9%時(shí)，煤溫曲線表現(xiàn)出顯著的激烈階段;氧濃度為10.0%時(shí)，也存在激烈氧化階段，但煤氧化程度相對(duì)于空氣條件下減弱較大;氧氣濃度為7.0%時(shí)，煤溫明顯低于空氣條件，且氧化程度更弱。

2.4 煤自然發(fā)火綜合分析

由于9#+10#+11#煤層1303工作面是晉牛煤礦的首采工作面，據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，井田范圍內(nèi)原礦井及周邊礦井未發(fā)生過煤自然發(fā)火事故。后期開采過程中，井下風(fēng)量和壓力逐漸增大，會(huì)產(chǎn)生大范圍采空區(qū)，采空區(qū)大量遺煤與氧氣接觸，發(fā)生煤與氧氧化反應(yīng)，存在煤自然發(fā)火隱患。

(1)該礦采用放頂煤開采方法，采空區(qū)遺煤量大于一次采全高方法，并且采空區(qū)空間大，漏風(fēng)量增多，回采過程中，存在本工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火危險(xiǎn)。

(2)回采工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽一次性掘出，服務(wù)時(shí)間長(zhǎng)，受采動(dòng)壓力影響等，易發(fā)生小范圍頂板冒落，這些地點(diǎn)氧氣充足，漏風(fēng)小，熱量容易積聚，導(dǎo)致巷道頂部浮煤自燃。

(3)采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角在液壓支架前移時(shí)，巷幫處遺煤不易垮落，且漏風(fēng)通道通暢，容易發(fā)生煤自然發(fā)火。

(4)礦井開采后期，采空區(qū)逐漸增多，頂板壓力主要集中在保護(hù)煤柱上，當(dāng)煤柱支撐不住時(shí)，將被壓碎，形成漏風(fēng)通道，增加漏風(fēng)，容易造成工作面周邊采空區(qū)遺煤自燃。如封閉采空區(qū)積存有CO等毒害氣體，受負(fù)壓影響，將向工作面涌出，造成人員傷害。

3 自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)措施

3.1 建立井下束管火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)是礦井火災(zāi)防治的前提，晉牛煤礦建立了地面型束管火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，連續(xù)對(duì)回采工作面采空區(qū)、回風(fēng)隅角、回風(fēng)順槽及總回風(fēng)巷等地點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)氣體主要為O2、CO、C2H4、C2H6、C2H2等，根據(jù)色譜分析結(jié)果，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)井下火災(zāi)，保障井下作業(yè)環(huán)境的安全，預(yù)防井下火災(zāi)和瓦斯事故的發(fā)生、發(fā)展。

3.2 人工取樣

人工取樣是礦井常用的檢測(cè)手段之一，具有靈活、便捷的優(yōu)點(diǎn)，常作為束管監(jiān)測(cè)的補(bǔ)充。由瓦檢員利用取氣袋，定期定點(diǎn)或不定期不定點(diǎn)進(jìn)行取樣，送至地面色譜分析實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣體分析。

4 自燃火災(zāi)防治措施

(1)合理開拓。①合理進(jìn)行巷道布置，減少煤柱留設(shè)，降低自燃隱患;②提高工作面回采率，減少丟煤，加快回采速度，縮短采空區(qū)暴露時(shí)間，盡快將采空區(qū)甩至窒息帶;③掘進(jìn)煤層巷道時(shí)，對(duì)冒頂區(qū)采用泥漿等進(jìn)行充填;④對(duì)廢棄巷道建立防火墻密閉，并定期檢查密封性，要求防火墻不漏風(fēng)，同時(shí)留設(shè)觀測(cè)孔。

(2)優(yōu)化通風(fēng)。①風(fēng)門、風(fēng)墻設(shè)置在地質(zhì)環(huán)境好的地點(diǎn)，避免引起采空區(qū)及周邊煤柱裂隙漏風(fēng);②防火墻、密閉嚴(yán)控質(zhì)量，定期檢查，發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)裂隙及時(shí)維修;③降低工作面兩端壓差，減小采空區(qū)漏風(fēng);④同一地點(diǎn)兩道以上風(fēng)門不能同時(shí)打開，風(fēng)門不能自動(dòng)關(guān)閉時(shí)人工及時(shí)關(guān)閉，增加風(fēng)流穩(wěn)定性。

(3)灌漿防滅火。在回風(fēng)立井附近設(shè)地面黃泥注漿站，利用制漿機(jī)制備泥漿，用管道經(jīng)過回風(fēng)立井、回風(fēng)大巷、回風(fēng)順槽送到工作面，灌漿量為42 m3/h。由于煤層埋深較淺，自流灌漿不能滿足泥漿輸送能量要求，采用泥漿泵加壓輸送至井下回采工作面采空區(qū)。

(4)阻化劑防火。為預(yù)防采空區(qū)部分區(qū)域漿液難以覆蓋遺煤，在回采工作面回采期間，從架間對(duì)采空區(qū)遺煤進(jìn)行噴灑阻化劑，增加煤的惰性，降低遺煤氧化速率，進(jìn)一步降低采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)程度。

(5)堵漏風(fēng)防火。為減少采空區(qū)漏風(fēng)，減小氧化帶寬度，達(dá)到預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火最佳效果，在工作面進(jìn)回風(fēng)端頭用蛇皮袋裝矸石或土，在工作面進(jìn)回風(fēng)隅角進(jìn)行堆積，阻擋風(fēng)流向采空區(qū)流入，每推進(jìn)30 m構(gòu)筑一道堵漏風(fēng)墻。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合運(yùn)用火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控及各種防滅火措施，對(duì)晉牛煤礦煤自然發(fā)火起到了良好的預(yù)防效果，降低了煤礦自然發(fā)火危險(xiǎn)性，促進(jìn)了煤礦安全生產(chǎn)，保障了人員生命安全。

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