石港煤礦綜放工作面綜合阻燃技術(shù)研究

黃 金齊文躍郝德永李百宜

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221008；3.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點試驗室，江蘇省徐州市，221008）

石港煤礦綜放工作面綜合阻燃技術(shù)研究

黃 金1，3齊文躍2，3郝德永2，3李百宜2，3

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221008；2.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇省徐州市，221008；3.中國礦業(yè)大學煤炭資源與安全開采國家重點試驗室，江蘇省徐州市，221008）

針對瓦斯與煤自燃災害并存綜放工作面采空區(qū)遺煤自燃問題，選取石港煤礦15109綜放工作面為研究對象，通過試驗測定15#煤層自燃傾向性屬于二類，14#煤層自燃傾向性屬于一類，以CO濃度的變化趨勢判斷煤自燃的階段；分析得到煤層性質(zhì)、采空區(qū)遺煤量、瓦斯抽采漏風等因素共同導致遺煤自燃；提出瑞米材料堵漏、MgCl2阻化防火、注氮惰化處理、MEA高分子阻化等綜合阻燃技術(shù)。應用結(jié)果表明：工作面各測點位置CO濃度最高為0.0018%，處于較低水平，無自然發(fā)火跡象，防火效果顯著。

綜放工作面 遺煤自燃 自燃傾向 堵漏 阻化防火 注氮惰化

在瓦斯和煤層自燃災害并存的煤礦中，往往在解決瓦斯問題的同時，由于瓦斯抽采和瓦斯排放所帶來的破裂煤體和采空區(qū)漏風易引起自燃，煤體自燃又成為瓦斯事故的引火源；反過來，防治自燃所采取封堵隔離等技術(shù)措施均不利于瓦斯卸壓抽采和排放。因此，綜合研究礦井瓦斯與煤層自燃災害的防治技術(shù)，避免防治技術(shù)相互影響，對煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

近年來，一些專家在對煤層自燃的研究取得了許多重要成果。舒新前、彭本信等從化學反應動力學方向研究了煤氧化自燃機理；李增華、梁曉瑜等從煤的分子結(jié)構(gòu)與化學反應方向研究了煤的自燃機理；周福寶研究瓦斯與煤自燃共存致災機理，并提出了利用氮氣阻燃防爆技術(shù)；李宗翔研究瓦斯涌出與煤層自燃關(guān)系，提出瓦斯涌出量導致煤層自然發(fā)火期降低；王凱等研究了易自燃采空區(qū)瓦斯與火災共治，提出瓦斯抽采加速煤層自燃。雖然相關(guān)專家在瓦斯與煤自燃致災機理等方面進行了深入研究，但往往采用單一防治措施，對瓦斯抽采條件下綜放面采空區(qū)易自燃煤層綜合阻燃技術(shù)還未深入研究。本文以陽泉礦區(qū)石港煤礦15109綜放面為研究對象，對瓦斯與煤自燃共存災害綜合阻燃技術(shù)進行研究。

1　煤層指標性氣體及自燃傾向試驗

煤層自然發(fā)火標志性氣體是指煤體在不同燃燒階段會生成一定含量特有的氣體，通過測定特有氣體的含量，判定煤體燃燒階段，進而對煤層自然發(fā)火進行預警。本文通過試驗測定煤樣自然發(fā)火的指標性氣體，制定井下氣體檢測體系。

1.1試驗測試系統(tǒng)

采用2001型煤自燃特性測試儀試驗系統(tǒng)進行煤樣自然發(fā)火指標性氣體試驗，該試驗系統(tǒng)主要由氣流控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、煤樣燃燒系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、GC4000A型氣相色譜儀分析系統(tǒng)、除濕降溫裝置和數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等構(gòu)成，測試儀系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　2001型煤自燃特性測試儀系統(tǒng)

選取15109綜放面15#煤層和鄰近14#煤層的大塊煤體，均勻破碎成標準粒徑后，分別用煤樣罐各裝取50 g煤樣，標記為1#煤樣和2#煤樣。首先將1#煤樣放置于實驗箱中，檢查通氣管路，確認密封性后，調(diào)試其余系統(tǒng)，將通風氣流穩(wěn)定在50 ml/min。啟動上部加熱器和通風機，當溫度達到要求后，穩(wěn)定5 min以上，通過出氣系統(tǒng)采集煤樣生成氣體，經(jīng)橡膠管連接到GC4000A型色譜儀上進行氣樣分析。1#煤樣測試完畢后，采用相同的方式測試2#煤樣。

1.2指標性氣體

15#煤層煤樣和14#煤層煤樣升溫氧化過程中氣體產(chǎn)物及其濃度變化見表1。從表1中可知:

（1）兩煤樣在27～195℃的氧化過程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、CO2，隨溫度的升高，CO濃度呈指數(shù)上升趨勢，CO2先升高后降低再快速上升；

（2）兩煤樣均無原生的CH4；

（3）煤樣加熱初期開始產(chǎn)生CO，濃度較低，呈緩慢增長趨勢。當1#煤樣溫度達到140℃時CO含量開始迅速增長，當2#煤樣溫度達到120℃時CO含量開始迅速增長，說明該階段內(nèi)煤體氧化速度加快；

（4）由于CO2濃度不是單一升高或降低趨勢，無法作為指標性氣體，而CO濃度隨溫度升高而升高，并且濃度大小合理，易于監(jiān)測，所以，兩種煤樣均選擇CO作為指標性氣體。

通過監(jiān)測CO濃度的變化趨勢，確定煤層自燃階段。

表1　15#、14#煤層煤樣升溫氧化過程中臨界溫度時的氣體濃度　10-4%

1.3煤層自燃傾向

石港煤礦15#煤層煤樣吸氧量為0.71 cm3/g，自燃傾向性等級屬于二類，容易自燃，最短自然發(fā)火期為76 d。14#煤層煤樣吸氧量為1.25 cm3/g，自燃傾向性等級屬于一類，容易自燃，最短自然發(fā)火期為33 d。

2　采空區(qū)自然發(fā)火原因

2.1地質(zhì)條件

石港煤礦15109綜放工作面走向長度721 m，傾向長度157 m。主采15#煤層，傾角5°～28°，平均18°，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復雜，平均厚度6.41 m，回采率為87%。煤層直接頂為厚度0.74 m黑色泥巖，直接頂上部為厚度0.35 m煤層，距15#煤層上方5.11 m處為14#煤層，厚度為1.03 m。

2.2采空區(qū)遺煤

15109工作面采用綜放開采技術(shù)回采煤炭，采出率低，僅能達到87%，15#煤層平均遺煤厚度達到0.83 m。由于放頂煤開采技術(shù)的限制，工作面兩巷頂煤不放煤，兩巷遺煤厚度達到3.40 m。除此之外，煤層頂板上方存在兩層厚度分別為0.35 m和1.03 m煤層。由于15#煤層的開采，頂板大面積垮落，頂板煤層進入采空區(qū)，造成遺煤厚度增加。因此，采空區(qū)大量遺煤的存在為采空區(qū)煤層自燃提供了基礎。

2.3采空區(qū)漏風

石港煤礦為高瓦斯礦井，15#煤層及其鄰近煤巖層均為高瓦斯賦存區(qū)，15109工作面瓦斯涌出量最高達145 m3/min以上。為治理瓦斯災害，分別在距15#煤層上部6.55 m、57.36 m的巖層中布置了瓦斯尾巷和高抽巷。工作面開采后，頂板垮落，裂隙發(fā)育溝通上部瓦斯尾巷和高抽巷。瓦斯尾巷和高抽巷采用負壓通風，與工作面通風壓力形成風壓差，工作面的風流經(jīng)過裂隙帶進入后部采空區(qū)，為遺煤自燃提供了氧氣。

3　煤層綜合阻燃技術(shù)

石港煤礦15109綜放面在工作面端部、防火措施巷和內(nèi)錯尾巷等位置利用多種防滅火技術(shù)綜合防治采空區(qū)遺煤自燃。

3.1瑞米材料控制采空區(qū)漏風

工作面漏風為采空區(qū)提供了充足的氧氣，是導致遺煤自燃的一個重要原因。隨著工作面的推進，采空區(qū)及上覆巖層形成裂隙帶，溝通上部瓦斯抽采巷道，當工作面與上部瓦斯抽采巷之間存在風壓壓差時，空氣沿風壓壓差方向流動，導致采空區(qū)漏風，特別是工作面與兩側(cè)回采巷道的連接處，風流方向發(fā)生90°轉(zhuǎn)向，造成風流紊亂，更容易出現(xiàn)漏風現(xiàn)象。

采空區(qū)內(nèi)氣體流動狀態(tài)為層流，多采用Darcy定律來研究采場內(nèi)氣體的流動，根據(jù)Darcy定律可知，在風壓壓差一定的情況下，漏風風量與漏風風阻呈反比關(guān)系，增加漏風風阻可減小漏風風量。根據(jù)此原理，采用瑞米材料對工作面上下隅角進行堵漏封閉。瑞米材料作為一種新型封堵材料具有封堵效果好、施工方便、操作簡單、硬化時間短等諸多優(yōu)點，高分子粉末與水混合成漿狀，通過泵送管路充填進預制模型中，經(jīng)膨脹與硬化作用，形成一個堅硬密實墻體，大幅提高了采空區(qū)漏風風阻，減小了采空區(qū)漏風風量。當漏風減少時，漏風流場的分布發(fā)生改變，氧氣濃度降低，煤炭自燃得到抑制，采空區(qū)氧化帶的范圍縮小，甚至消失。瑞米材料充填位置位于兩側(cè)回采巷道，靠近煤柱側(cè)，充填尺寸為2 m×2 m×2 m（長×寬×高），充填間隔為10～15 m，如圖2所示。

圖2　瑞米泡沫材料施工工藝示意圖

3.2MgCl2阻化防火技術(shù)

煤自燃過程實質(zhì)是一個化學反應過程，采空區(qū)遺煤在空氣中發(fā)生氧化反應，生成大量的熱，熱量的產(chǎn)生又進一步加速了煤的氧化作用，當溫度上升到一定程度后，煤體發(fā)生燃燒，造成采空區(qū)火災。MgCl2作為新型防滅火材料，對煤層自燃具有很好的抑制作用，首先，MgCl2是一種負催化劑，能夠抑制煤的活性，降低氧化作用速度；其次，MgCl2具有較好的粘結(jié)作用，以液膜的形式覆蓋在煤體和裂隙表面，隔離與氧氣的接觸；除此之外，MgCl2中含有大量水分，氧化作用產(chǎn)生的熱量使得水分升溫蒸發(fā)，同時帶走大量的熱，減少了熱量的積聚，降低了煤層自燃風險。

MgCl2以氣霧的形式隨漏風風流擴散進入采空區(qū)。在工作面進風巷設置霧化泵站，將MgCl2與水以1∶4比例混合均勻后置于儲液箱，使用霧化泵將溶液通過管路系統(tǒng)輸送至工作面，自下隅角至上隅角布置若干噴嘴，噴嘴間距為30 m。如圖3所示。

圖3　MgCl2阻化防火工藝

3.3采空區(qū)注氮惰化處理

氮氣為非可燃、非助燃惰性氣體，通過向采空區(qū)注入氮氣，可稀釋氧化帶內(nèi)氧氣濃度，降低煤體氧化速度，進而降低采空區(qū)遺煤自燃風險。通過試驗測定煤自然發(fā)火的臨界氧氣濃度，作為注氮時間、注氮量的參考數(shù)據(jù)，采用間歇式埋管注氮方式，注入氮氣，使采空區(qū)氧氣濃度降至臨界氧氣濃度以下后暫停注入氮氣。由于采空區(qū)漏風影響，新鮮的空氣從工作面流進采空區(qū)，原有的部分氮氣隨氣流進入上部裂隙流失，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度逐漸上升，當超過臨界氧氣濃度時，重新啟動注氮工作，降低氧氣濃度，周而復始，直至注氮口進入采空區(qū)窒息帶。

根據(jù)礦井生產(chǎn)實踐可知，氮氣的擴散半徑在15～20 m之間，由于采空區(qū)裂隙較為發(fā)育，氮氣泄露比較嚴重，選取氮氣的擴散半徑為15 m，注氮口間距為30 m，與工作面距離在30～60 m之間，如圖4所示。

圖4　采空區(qū)注氮工藝布置

3.4MEA高分子阻化劑阻燃技術(shù)

MEA高分子材料、水、氮氣等在發(fā)泡劑作用下，通過特制發(fā)泡設備形成阻化泡沫，具有組成材料的各種特性，比如MEA高分子的致密性、成膜性、掛壁性以及保水性，水的降溫作用，氮氣降低氧氣濃度作用，有效控制了浮煤自然發(fā)火危險。

MEA高分子阻化劑通過鉆孔注入到指定防滅火區(qū)域，鉆場位于15107瓦斯尾巷與15107防火措施巷中，距工作面6～10 m處，鉆場間距為30m。每個鉆場內(nèi)設置5個鉆孔，分別標記為1#、2#、3#、4#和5#，1#鉆孔位于進/回風巷側(cè)，處理巷道上部及14#煤層，走向5～10 m，2#、3#、4#鉆孔沿一定角度實施，控制回風隅角后部5～10 m以及傾向20～30 m的空間區(qū)域；5#鉆孔順層作業(yè)，長度為30～50 m，下套管20～30 m，主要處理14#煤體。鉆孔施工完畢后進行MEA灌注，鉆孔布置如圖5所示。

圖5　鉆場布置圖

4　應用效果

通過監(jiān)測，工作面推進過程中在距工作面30 m處回風巷、回風隅角、尾巷及工作面120#支架處（位于尾巷下方）CO氣體的變化趨勢如圖6所示。

圖6　15109綜放面各測點CO濃度變化趨勢圖

由圖6可以看出，在近3個月的觀測過程中各測點CO變化趨勢不穩(wěn)定，時高時低，其濃度最高為0.0018%，沒有表現(xiàn)出自然發(fā)火的跡象。在4個測點中，120#支架處和回風隅角的CO濃度較高，原因是內(nèi)錯尾巷的開拓導致巷道上部巖層發(fā)生破壞，圍巖裂隙發(fā)育，使得該處的煤體氧化較其他測點明顯。由監(jiān)測結(jié)果可知，該綜放面綜合防治技術(shù)在現(xiàn)場實際應用中取得了顯著的防火效果，保障了工作面的安全回采。

5　結(jié)論

（1）通過試驗測定石港煤礦15#煤層自燃傾向性等級為二類，最短自然發(fā)火期為76 d；14#煤層自燃傾向性等級為一類，最短自然發(fā)火期為33 d。確定采用CO濃度變化趨勢判斷煤自燃的階段。

（2）分析得到煤層自燃傾向、采空區(qū)遺煤量大、瓦斯抽采漏風等多種因素共同作用下，采空區(qū)遺煤存在自燃風險。

（3）提出堵漏控風、MgCl2阻燃、注氮惰化、MEA高分子阻化等綜合防治采空區(qū)遺煤自燃的方法，通過應用，工作面CO變化濃度最高為0.0018%，無自然發(fā)火的跡象，取得良好效果。

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（責任編輯 張艷華）

Study on the comprehensive prevention and treatment technique of coal spontaneous combustion of full-mechanized caving mining face in Shigang Coal Mine

Huang Jin1，3，Qi Wenyue2，3，Hao Deyong2，3，Li Baiyi2，3
（1.School of Safety Engineering of China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；2.School of Mining Engineering of China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China；3.State Key Laboratory of Coal Resource and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

Aiming at the matters of coal spontaneous combustion in fully-mechanized caving mining face with gas and fire disaster coexistence，taking 15109 working face of Shigang Coal Mine as research object，the tendency of No.15 and No.14 coal seam were identified as the second class and the first class separately by experiments and the stages of coal spontaneous combustion were judged by the carbon monoxide concentration variation trend；the properties of coal seam and the lost coal quantity and air leakage resulting from gas drainage jointly led to coal spontaneous combustion by the analysis；The comprehensive prevention and treatment technique of coal spontaneous combustion was proposed，which was leaking stoppage with Ruimi material，inhibition for fire prevention with MgCl2，nitrogen-injection for inert and inhibition with MEA polymer material.The application results show that the carbon monoxide maximum concentration of each measuring point of the face is 0.0018%and is lower level，and three is no sign of coal spontaneous combustion and fire prevention effect is remarkable.

fully-mechanized caving，coal spontaneous combustion，tendency of coal spontaneous combustion，leaking stoppage，inhibition for fire prevention，nitrogen-injection for inert

TD753

A

黃金（1984-），男，江蘇淮安人，中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院辦公室主任，碩士研究生，主要從事礦井防滅火與瓦斯防治方面的研究。