M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治研究

何鵬虎

（重慶能投渝新能源有限公司打通一煤礦， 重慶 401445）

引言

打通一煤礦隸屬重慶能投渝新能源有限公司，礦區(qū)位于渝黔交界處，座落在綦江縣打通鎮(zhèn)境內(nèi)。井田內(nèi)自上而下有6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)三層煤可采，自燃傾向性等級(jí)均為Ⅱ類，屬自燃煤層。M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火影響礦井正常的安全生產(chǎn)，面對(duì)礦井M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治的嚴(yán)峻形勢(shì)，打通一煤礦在2013年12月開始對(duì)M8號(hào)煤層采空區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)資料收集及調(diào)查，本次工作以采空區(qū)自然發(fā)火有關(guān)資料為主要研究手段。在充分收集相關(guān)采空區(qū)自然發(fā)火資料基礎(chǔ)之上，打通一煤礦于2014年10月編制完成了《M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治研究報(bào)告》，為以后M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治工作提供了科學(xué)的量化決策支撐。

1 煤炭自燃過(guò)程

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，煤炭的氧化和自燃是基—鏈反應(yīng)。煤炭自燃過(guò)程大體分為三個(gè)階段：準(zhǔn)備期、自熱期、燃燒期。煤炭自燃過(guò)程如圖1所示。

圖1 煤炭自燃過(guò)程

1）準(zhǔn)備期煤體溫度變化不明顯，煤的氧化進(jìn)程十分平穩(wěn)緩慢，然而它確實(shí)在發(fā)生變化，煤的重量略有增加，著火點(diǎn)溫度降低，氧化性被活化。由于煤的自燃需要熱量的聚集，在準(zhǔn)備期因環(huán)境起始溫度低，煤的氧化速度慢，產(chǎn)生的熱量較小，因此需要一個(gè)較長(zhǎng)的蓄熱過(guò)程。

2）自熱期煤的氧化速度增加，不穩(wěn)定的氧化物分解成水、二氧化碳、一氧化碳。氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，超過(guò)了自熱的臨界溫度煤溫上升急劇加速，氧化進(jìn)程加快，開始出現(xiàn)煤的干餾，產(chǎn)生芳香族的碳?xì)浠衔?、氫、更多的一氧化碳等可燃?xì)怏w。

3）燃燒期煤體達(dá)到了臨界溫度點(diǎn)，煤氧化的產(chǎn)熱與煤所在環(huán)境的散熱就失去了平衡，即產(chǎn)熱量將高于散熱量，就會(huì)導(dǎo)致煤與環(huán)境溫度的上升，從而又加速了煤的氧化速度并產(chǎn)生更多的熱量便燃燒起來(lái)。

2 E2805工作面采空區(qū)概況

2.1 采空區(qū)位置

E2805工作面井下位于魚跳背斜北翼東部＋350水平下山部分，屬已保護(hù)的東區(qū)8號(hào)煤層第二塊工作面，首采工作面為E2803工作面。工作面標(biāo)高為186～343 m，地面標(biāo)高640～738 m。工作面地表位置位于馬柒頂、碓窩埡口、白石壩、哨坑崗一帶。E2805工作面位于E2703、E2705保護(hù)層工作面采空區(qū)以下的8號(hào)煤層。工作面以西為已采完的E2803工作面，工作面以東為正在回采的E2807工作面。工作面以南為北東區(qū)7號(hào)軌道巷。

2.2 采空區(qū)面積、煤層賦存情況

E2805工作面走向長(zhǎng)207 m，傾斜長(zhǎng)度809 m，面積167 463 m2。

E2805工作面煤層賦存較穩(wěn)定,煤層傾角8°～12°，傾向334°，下分層平均煤厚2.33 m，工作面東北部局部煤層上下分層合并，夾矸變薄至消失，厚度達(dá)3.60 m，工作面西南部局部煤層變薄，厚度為1.10 m。

2.3 E2805工作面通風(fēng)方式

E2805工作面采用“U型+尾排” 通風(fēng)方式。

進(jìn)風(fēng):東區(qū)軌道下山→+295集中皮帶巷→E2805進(jìn)風(fēng)斜坡→E2805運(yùn)輸巷→E2805工作面。

回風(fēng)（前期）:E2805工作面→E2805回風(fēng)巷→E2803回風(fēng)小斜坡→回風(fēng)立眼→E6號(hào)軌道巷→東區(qū)1號(hào)回風(fēng)斜坡→+306總回風(fēng)巷→N18號(hào)、N19號(hào)、N20號(hào)、N21號(hào)瓦斯巷→西風(fēng)井。

回風(fēng)（后期）:E2805工作面→E2805回風(fēng)巷→回風(fēng)立眼→E2805回風(fēng)斜坡→東區(qū)1號(hào)瓦斯巷→+306總回風(fēng)巷→N18號(hào)、N19號(hào)、N20號(hào)、N21號(hào)瓦斯巷→西風(fēng)井。

尾排:E2805回風(fēng)巷1號(hào)尾排立眼→東一石門→E1號(hào)瓦斯巷→+306總回風(fēng)巷→N18號(hào)、N19號(hào)瓦斯巷→西風(fēng)井；E2805回風(fēng)巷2號(hào)、3號(hào)尾排立眼→E1號(hào)瓦斯巷→+306總回風(fēng)巷→N18號(hào)、N19號(hào)、N20號(hào)、N21號(hào)瓦斯巷→西風(fēng)井。

E2805工作面回采時(shí)瓦斯涌出量約為6 m3/min，回采期間工作面配風(fēng)為820 m3/min,其中尾排風(fēng)量約為200 m3/min。

2.4 E2805工作面穿層鉆孔位置分布情況

E2805工作面的穿層預(yù)抽鉆孔施工在E區(qū)E2號(hào)瓦斯巷和E1號(hào)瓦斯巷內(nèi)。

E2805工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式仰斜開采法。

2.5 E2805工作面采空區(qū)封閉情況

E2805工作面在2010年8月開始回采，于2011年8月回采結(jié)束。工作面回采結(jié)束后及時(shí)將E2805工作面的尾排聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行了封閉，將E2805工作面回風(fēng)斜坡施工的1組密閉墻進(jìn)行封閉，在E2805回風(fēng)巷施工的4道密閉墻進(jìn)行封閉；在E2805工作面運(yùn)輸巷施工的1道沙袋墻、2組密閉墻進(jìn)行封閉。因E2807尾部斜坡尾排回風(fēng)風(fēng)量小、瓦斯大，2014年7月13日已對(duì)E2807尾部斜坡進(jìn)行密閉（密閉時(shí)E2807工作面切割巷距1號(hào)尾排立眼約27 m），2014年8月9日對(duì)E2805溜煤眼上口聯(lián)絡(luò)巷施工了1道密閉墻，2014年8月12日E2805溜煤眼聯(lián)絡(luò)巷橫巷施工1道密閉墻并將運(yùn)輸巷密閉墻和溜煤眼上口聯(lián)絡(luò)巷密閉墻注漿管和取樣管延伸到該密閉墻上。E2805工作面沒有單獨(dú)施工放水孔，而是選擇大直徑尾排孔和尾部斜坡排水。工作面采空區(qū)出現(xiàn)溫度和一氧化碳超標(biāo)時(shí)已經(jīng)回采結(jié)束，采空區(qū)已經(jīng)封閉2年。E2805工作面采空區(qū)密閉位置關(guān)系及通風(fēng)系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 E2805工作面采空區(qū)密閉位置關(guān)系及通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

3 自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)2014年7月中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司對(duì)打通一煤礦M8號(hào)煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體指標(biāo)的測(cè)定報(bào)告結(jié)論，其指標(biāo)氣體選擇如下[1]：

1）在30～200℃之間，可以選擇CO作為該溫度段內(nèi)的標(biāo)志氣體。當(dāng)通風(fēng)量變化不大的情況下，CO濃度上升到日常量一倍時(shí)，說(shuō)明自燃煤炭的溫度已經(jīng)達(dá)到100℃左右。特別注意，只要發(fā)現(xiàn)井下CO持續(xù)存在且濃度不斷增加就是煤炭自燃的征兆。

2）在180～200℃之間，烯烴隨溫度升高量逐漸增大，但是由于C2H4的量較少，不建議采用作為指標(biāo)氣體。

4 工作面采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

2013年11月28 日礦救護(hù)中隊(duì)對(duì)E2805采空區(qū)密閉進(jìn)行取樣化驗(yàn)，化驗(yàn)結(jié)果顯示E2805運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度44℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為30×10-6；從11月28日開始取樣化驗(yàn)周期由7天變?yōu)槊刻烊踊?yàn)。11月30日E2805運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度50℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為328×10-6；12月1日E2805運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度58℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為182×10-6；12月4日E2805運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度48℃，一氧化碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為167×10-6。2014年1月10日因E2807工作面投產(chǎn)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)回風(fēng)負(fù)壓提高，1月11日E2805運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度33℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為156×10-6，1月12日運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度36℃，一氧化碳（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為817×10-6，經(jīng)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)降低E2807回風(fēng)巷通風(fēng)負(fù)壓，1月17日E2807運(yùn)輸巷密閉墻內(nèi)溫度25℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為17×10-6。

2014年9月5 日早班取樣化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)E2805回風(fēng)巷密閉墻內(nèi)溫度24℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為372×10-6，9月8日中班E2805回風(fēng)巷密閉墻內(nèi)溫度27℃，一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為941×10-6，9月9日中班調(diào)整E7號(hào)軌道巷通風(fēng)系統(tǒng)由回風(fēng)變?yōu)檫M(jìn)風(fēng)，調(diào)系統(tǒng)前取樣化驗(yàn)E2805回風(fēng)巷密閉內(nèi)一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為587×10-6，調(diào)整系統(tǒng)后密閉內(nèi)一氧化碳濃度為0，9月9日夜班E區(qū)6號(hào)軌道巷W頭密閉取樣化驗(yàn)一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為863×10-6。

從2014年1月17日至9月5日E2805采空區(qū)未出現(xiàn)一氧化碳超標(biāo)，9月5日早班取樣化驗(yàn)發(fā)現(xiàn)E2805回風(fēng)巷密閉墻內(nèi)一氧化碳濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為372×10-6。圖3是E2805運(yùn)輸巷密閉一氧化碳變化曲線圖，圖4是E2805回風(fēng)巷密閉一氧化碳變化曲線圖。

圖3 2013年11月至2014年1月E2805運(yùn)輸巷密閉一氧化碳濃度變化曲線圖

圖4 2014年9月E2805回風(fēng)巷密閉一氧化碳變化曲線圖

5 M8號(hào)煤層自然發(fā)火原因分析

1）施工相鄰工作面E2807綜采工作面尾部斜坡采取將E2805尾部斜坡下平巷密閉啟封，沿用原E2805尾部斜坡的方式進(jìn)入E2807綜采工作面，因E2805尾部斜坡上平巷密閉墻頂板不完好向E2805采空區(qū)漏風(fēng)。圖5為E2805尾部斜坡上平巷密閉漏風(fēng)示意圖。

2）E2805工作面回采期間只采M8號(hào)煤層下分層未回采上分層，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤多，在長(zhǎng)時(shí)間微弱通風(fēng)的情況下導(dǎo)致遺煤被氧化甚至發(fā)熱，溫度及一氧化碳異常。

3）工作面采空區(qū)密閉施工結(jié)束后未對(duì)采空區(qū)實(shí)施防止自然發(fā)火的灌漿、注氮等相關(guān)預(yù)防性措施。

圖5 E2805尾部斜坡上平巷密閉漏風(fēng)示意圖

4）E2805工作面回采結(jié)束后E1號(hào)瓦斯巷、E2號(hào)瓦斯巷內(nèi)穿層抽放鉆孔撤除封堵后仍有可能漏氣。

5）礦井地壓大，巷道失修嚴(yán)重，巷道變形圍巖松動(dòng)，閉墻氣密性差。

6）通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整打破采區(qū)均勻狀態(tài)。

6 防治M8號(hào)煤層自然發(fā)火技術(shù)措施

1）M8號(hào)煤層采煤工作面開采過(guò)程中配風(fēng)量必須嚴(yán)格按照配風(fēng)計(jì)劃和松藻煤電公司尾排批復(fù)文件進(jìn)行工作面配風(fēng)；M8號(hào)煤層采煤工作面末采或開采接近采止線時(shí)，有效風(fēng)量應(yīng)控制在500 m3/min左右，及時(shí)調(diào)整通風(fēng)負(fù)壓；M8號(hào)煤層采煤工作面支架及設(shè)備回撤過(guò)程中有效風(fēng)量應(yīng)控制在300 m3/min左右，及時(shí)調(diào)整通風(fēng)負(fù)壓。

2）M8號(hào)煤層采空區(qū)密閉墻應(yīng)選擇在圍巖穩(wěn)定的位置施工，密閉墻掏槽深度符合要求，確保密閉墻施工質(zhì)量，提高采空區(qū)密閉氣密性。

3）M8號(hào)煤層工作面回采期間應(yīng)加強(qiáng)浮煤清收，減少采空區(qū)遺留浮煤，按照規(guī)定對(duì)M8煤層回采工作面采空區(qū)進(jìn)行灌漿。

4）M8號(hào)煤層工作面采空區(qū)密閉施工結(jié)束后及時(shí)對(duì)采空區(qū)實(shí)施防止自然發(fā)火的灌漿、注氮等相關(guān)預(yù)防性措施。

5）M8號(hào)煤層工作面回采結(jié)束后及時(shí)對(duì)底板瓦斯巷道內(nèi)穿層抽放鉆孔撤除封堵后，在不影響礦井生產(chǎn)部署的情況下可直接對(duì)底板瓦斯巷道進(jìn)行封閉。

6）對(duì)M8號(hào)煤層采空區(qū)密閉位置處巷道變形及圍巖松動(dòng)情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問題后及時(shí)處理。

7）通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后，及時(shí)對(duì)M8號(hào)煤層相鄰采空區(qū)密閉內(nèi)外壓差進(jìn)行檢查，保持密閉處于均勻狀態(tài)。

7 M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火研究效果分析

通過(guò)M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治項(xiàng)目的開展以及項(xiàng)目研究效果的應(yīng)用，對(duì)打通一煤礦M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火安全管理起到了一定的積極作用[2]。具體如下頁(yè)圖6、圖7所示，可以全面、直觀、清晰地展現(xiàn)M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治效果。

圖6 2014年1月至3月E2805運(yùn)輸巷密閉一氧化碳濃度變化曲線圖

8 結(jié)論

通過(guò)M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治項(xiàng)目的開展以及項(xiàng)目研究效果的應(yīng)用，對(duì)打通一煤礦M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火安全管理工作起到了一定的積極作用，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）在該項(xiàng)目開展工作中，通過(guò)對(duì)打通一煤礦井下M8號(hào)煤層采空區(qū)氣體濃度參數(shù)分析、M8號(hào)煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體鑒定、自然發(fā)火原因分析、采取預(yù)防性防滅火措施等工作，提供了M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火安全管理的參考依據(jù)，為今后M8號(hào)煤層采空區(qū)自然發(fā)火安全管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）當(dāng)M8號(hào)煤層采空區(qū)溫度在30～200℃之間，可以選擇CO作為該溫度段內(nèi)的標(biāo)志氣體。當(dāng)通風(fēng)量變化不大的情況下，CO濃度上升到日常量1倍時(shí)，說(shuō)明自燃煤炭的溫度已經(jīng)達(dá)到100℃左右，只要發(fā)現(xiàn)M8號(hào)煤層采空區(qū)CO持續(xù)存在且濃度不斷增加，出現(xiàn)煤炭自燃的征兆時(shí)，可對(duì)M8號(hào)煤層采空區(qū)采取自然發(fā)火預(yù)防性措施進(jìn)行處理。

圖7 2014年9月E2805回風(fēng)巷密閉一氧化碳濃度變化曲線圖

3）該研究效果可應(yīng)用于打通一煤礦所有M8煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治工作，為今后防滅火工作提供科學(xué)的量化決策支撐。