煤層自燃預(yù)測預(yù)防與綜合治理技術(shù)

王興華 任維民

（山東萬祥礦業(yè)有限公司，山東 濟南 271107）

1 煤層自燃特性概況

潘西煤礦委托山東鼎安技術(shù)檢測公司對主采19層煤進(jìn)行了自燃傾向性鑒定，鑒定結(jié)果：吸氧量0.58cm3/g，火焰長度360mm，屬Ⅱ類自燃煤層，最短發(fā)火期80d。煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體檢測結(jié)果：一氧化碳出現(xiàn)，表明煤已經(jīng)開始氧化，其出現(xiàn)的臨界溫度28.1℃～41.0℃；乙烯出現(xiàn)且變化速率明顯加快是煤進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志，其出現(xiàn)的臨界溫度190.0℃～205.0℃；乙烯/乙烷比值峰值的出現(xiàn)是煤進(jìn)入劇烈氧化階段的標(biāo)志，其峰值出現(xiàn)的溫度280.2℃ ～282.5℃。

2 煤層自燃特性的影響因素

（1）煤層埋深大、地溫高，地質(zhì)環(huán)境因素導(dǎo)致煤層自然發(fā)火期縮短。

（2）開采煤層厚度大，機械開采強度大，采空區(qū)漏風(fēng)增加，開采環(huán)境因素導(dǎo)致自然發(fā)火點位置隱蔽，不易及時發(fā)現(xiàn)遺煤自燃。

（3）推采過程中經(jīng)過斷層，斷層造成工作面煤層變薄，降低了工作面推采速度，不能及時將采空區(qū)甩入“窒息帶”；頂?shù)装迤扑樵斐蓙G煤多，漏風(fēng)為氧化蓄熱提供了適宜條件，氣象環(huán)境因素導(dǎo)致采空區(qū)氧化升溫帶前移，提高了采空區(qū)遺煤自燃概率。

（4）特別是臨近于采空區(qū)的工作面，煤柱反復(fù)受壓變形，出現(xiàn)多條裂隙形成漏風(fēng)通道，造成正在回采工作面的采空區(qū)與相臨已采區(qū)的采空區(qū)連成一片，形成了復(fù)雜的多源多匯漏風(fēng)通道，采空區(qū)遺煤自燃范圍擴大，增加了自燃危險性。

3 建立自然發(fā)火預(yù)測預(yù)警技術(shù)體系

（1）光纖測溫系統(tǒng)

光纖測溫系統(tǒng)是以光波為載體、光纖為媒質(zhì)、感知并傳遞被測量信號的防火系統(tǒng)，具有發(fā)火點精準(zhǔn)定位和不間斷監(jiān)測的優(yōu)點。礦井安設(shè)光纖測溫系統(tǒng)，在各采區(qū)安設(shè)分站，在采煤工作面上巷、下巷頂板各布置3條光纖，隨著工作面推采，光纖逐漸埋入采空區(qū)，對采空區(qū)內(nèi)氣溫不間斷監(jiān)測，測溫數(shù)據(jù)傳遞給井上監(jiān)控終端，當(dāng)溫度異常升高表明采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃，起到預(yù)測預(yù)警的作用。

（2）監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)異常預(yù)報

利用監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測，對工作面、上下隅角、回風(fēng)流中的CO、CO2、O2、CH4重點監(jiān)測。工作面安設(shè)溫度傳感器，報警溫度設(shè)置為≥30℃；采煤工作面回風(fēng)巷道安設(shè)一氧化碳傳感器，報警濃度設(shè)置為≥0.0024%；皮帶機滾筒下風(fēng)側(cè)10～15m處、采區(qū)及一翼回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷安設(shè)一氧化碳傳感器，報警濃度設(shè)置為≥0.0024%；皮帶機滾筒下風(fēng)側(cè)10～15m處安設(shè)煙霧傳感器，捕捉火災(zāi)信號，達(dá)到報警值時，發(fā)出聲光報警信號。

（3）現(xiàn)場人工取樣分析

在采煤工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)以里，以30m間距交替邁步埋設(shè)多芯束管，監(jiān)測采空區(qū)氣體的變化情況。采空區(qū)氧氣濃度低于5%或已進(jìn)入采空區(qū)150m后，方可甩掉束管，不再監(jiān)測。每天人工利用抽氣泵和球膽采集采空區(qū)內(nèi)氣體，利用GC6890A煤礦專用氣相色譜儀分析氣體中含有的CH4、CO、H2、CO2、O2、C2H6、C2H4、C2H2、N2九種 氣體成分，形成循環(huán)檢測報告，發(fā)現(xiàn)氣體異常變化及時處理。

（4）人工日?，F(xiàn)場檢測

配備專職防火檢查員，負(fù)責(zé)見煤線、采空區(qū)、回風(fēng)隅角、冒頂處等發(fā)火隱患點的CO、CO2、O2、CH4及溫度檢測，編制“防滅火周報表”，繪制“火災(zāi)氣體趨勢圖”，并分析比較數(shù)據(jù)變化規(guī)律。

4 建立自然發(fā)火預(yù)防技術(shù)體系

（1）合理布置巷道

從生產(chǎn)設(shè)計入手，合理布置巷道。大巷布置在煤層頂?shù)装鍘r石中，采區(qū)上下山盡量布置在巖石中，回采巷道沿煤層布置巷道時不托頂煤施工，遇斷層等構(gòu)造帶或其他情況必須留頂煤時，編制專門防冒頂和防自燃技術(shù)措施，如發(fā)生冒頂，冒頂處用防火充填材料密實，并設(shè)措施管、觀測管，對頂煤情況進(jìn)行監(jiān)測。

（2）惰化采空區(qū)

當(dāng)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度小于5%時，煤的氧化就能得到阻止。利用惰性氣體的自然性質(zhì)預(yù)防和治理煤自燃，將惰性氣體注入到采空區(qū)，抑制采空區(qū)的煤氧復(fù)合作用，對采空區(qū)氧化帶進(jìn)行惰化，控制氧氣濃度降到自燃臨界值以下，使煤處于減緩氧化甚至不氧化的狀態(tài)，防止采空區(qū)遺煤自燃。

（3）矸石隔離墻封堵減少漏風(fēng)

采煤工作面每推采10m，在上、下隅角采用阻燃袋裝碎小矸石構(gòu)建隔離墻。墻體接頂接幫，墻面用阻燃風(fēng)筒布覆蓋墻體，同時對隔離墻噴涂防火充填材料，防止漏風(fēng)串入采空區(qū)造成遺煤自燃。

（4）工作面合理配風(fēng)

合理地為工作面配風(fēng)，優(yōu)化工作面風(fēng)量。計算最優(yōu)配風(fēng)量和最優(yōu)風(fēng)速，進(jìn)、回風(fēng)兩端風(fēng)壓差控制在200Pa以內(nèi)，降低漏風(fēng)量。在通風(fēng)能夠排出瓦斯等有害氣體情況下，最大限度地減少風(fēng)量對采空區(qū)遺煤氧化的影響。

（5）加快工作面推采速度

預(yù)防采空區(qū)自燃火災(zāi)最有效的方式是加快采煤工作面推采速度，減少遺煤自燃氧化時間，保證采煤工作面的推采速度與采空區(qū)自燃帶的寬度相匹配。采空區(qū)頂板不斷冒落，漏風(fēng)風(fēng)阻相應(yīng)增大，極大減少采空區(qū)漏風(fēng)產(chǎn)生的氧化條件。

5 建立自然發(fā)火治理技術(shù)體系

（1）阻化防滅火

采煤工作面回采期間上下隅角附近的煤柱噴涂防火充填材料，將阻化劑撒在垮落松散遺煤上，防止煤柱漏風(fēng)及遺煤氧化。

（2）灌漿防滅火

采煤工作面安設(shè)移動式灌漿泵和制漿桶，灌漿材料選用粘性黃土，沿上巷超前采煤工作面30m邁步壓茬敷設(shè)DN50灌漿管路，孔口深入采空區(qū)內(nèi)，并采用鐵質(zhì)套管加以保護(hù)。采空區(qū)出現(xiàn)自燃征兆時，利用灌漿系統(tǒng)進(jìn)行灌漿防滅火。

（3）注液態(tài)二氧化碳防滅火

發(fā)現(xiàn)采煤工作面采空區(qū)出現(xiàn)自燃火災(zāi)征兆時，將MKDZ-LZ-4000移動式液態(tài)二氧化碳罐運送至工作面上、下巷，通過預(yù)留的DN50注液金屬管路將液態(tài)二氧化碳注入采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行窒息滅火。

（4）束管監(jiān)測系統(tǒng)

JSG9束管監(jiān)測系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、打印機、色譜工作站、氣相色譜儀、空氣發(fā)生器、氫氣發(fā)生器、氣體采樣控制柜、水環(huán)真空泵、凈化穩(wěn)壓電源、煤礦用聚乙烯束管及束管分路箱、粉塵過濾器等組成。該系統(tǒng)可以30km長距離采取發(fā)火隱患點的氣樣，可以24小時連續(xù)監(jiān)測，可以無人值守長期運行，可以自動輸出檢測報表、束管報表、檢測譜圖報表、檢測趨勢分析報表等。

（5）注氮防滅火

工作面采空區(qū)面積大，浮煤多，呈立體分布，無論是黃泥灌漿，還是注阻化劑，都不可能將采空區(qū)所有的浮煤都包裹，目前防滅火最有效的技術(shù)是采空區(qū)注氮。安設(shè)DMJ-1000/1.0型膜分離制氮機，制氮量不低于1000m3/h，氮氣濃度不低于97%，注氮壓力不低于0.8MPa。沿上巷超前工作面30m邁步壓茬敷設(shè)DN100注氮管路，惰化、置換采空區(qū)內(nèi)空氣，抑制煤氧復(fù)合作用，消除發(fā)火隱患。

6 結(jié)論

通過建立自然發(fā)火預(yù)測預(yù)警技術(shù)體系、自然發(fā)火預(yù)防技術(shù)體系、自然發(fā)火綜合治理技術(shù)體系，對自燃煤層采取預(yù)防及綜合治理技術(shù)措施，實現(xiàn)了自燃煤層采煤工作面安全回采，保障了礦井安全。