下分層工作面煤自燃早期辨識與防治

崔 巖，駱大勇，徐少偉，田文雄，張 超，陳國棟

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 十一礦，河南 平頂山 467000； 2.重慶工程職業(yè)技術學院，重慶 402260；3.安徽理工大學 安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001； 4.寧夏煤業(yè)集團 羊場灣煤礦，寧夏 靈武 751410)

受上分層采動應力的影響，下分層煤體經(jīng)歷了加—卸載作用，煤體破碎，煤層裂隙增多，煤體與空氣接觸充分，易于氧化。盡管因上分層工作面的封閉，煤體缺氧窒息終止了自燃進程，下分層開采時，原先氧化煤體再一次接觸空氣發(fā)生二次氧化。已有研究表明，煤二次氧化過程往往更為迅猛，煤自燃進程要快于新鮮煤樣的氧化升溫速率[1-2]。因此，探測與早期準確辨識下分層工作面煤體進入自熱階段狀態(tài)是自燃防治的關鍵。

煤自燃過程中伴隨著煤物理化學性質的變化，因而可通過測試煤體的溫度、磁、電、氣體等參數(shù)判定煤自燃位置，也可通過測試火區(qū)周圍放射性物質進行判定。為消除傳統(tǒng)熱電偶測點單一問題，程根銀等[3]采用光纖測試了采空區(qū)溫度判定煤自燃狀態(tài)，楊永辰等[4-5]提出了紅外熱像儀監(jiān)測煤自燃狀態(tài)。氣體探測是煤自燃常用測試方法，章飛等[6-7]采用束管測試了下分層采空區(qū)氣體，判定了煤自燃狀態(tài)。凌紫城等[8]通過在工作面現(xiàn)場埋管監(jiān)測，得到采空區(qū)標志性氣體CO的分布規(guī)律。葉春輝等[9-10]通過煤自然發(fā)火程序升溫實驗，確定了煤自燃的指標氣體。丁仰衛(wèi)[11]采用數(shù)值模擬方法，研究下分層采空區(qū)氣體分布，確定了自燃危險區(qū)域。王俊峰等[12]采用束管測氣、數(shù)值模擬和同位素測氡方法，建立了“三位一體”采空區(qū)自燃危險區(qū)域預測體系。對于大范圍火區(qū)的探測，許怡等[13]提出利用熱紅外遙感手段聯(lián)合雷達干涉測量技術探測地表大范圍煤田火區(qū)，文獻[14]提出建立次聲波系統(tǒng)探測采空區(qū)火區(qū)。測試化學元素也是大范圍火區(qū)的一種可行技術方法，周文強等[15]測試了同位素釙，鄔劍民等測試了氡氣，魯義提出測C14，宋麗娟提出測釙。不同的測試技術在判定煤自燃位置和發(fā)展動態(tài)方面發(fā)揮了重要的作用，為礦井防滅火提供了技術支撐，但對于深部下分層工作面，測溫和測氣仍是最簡單、低廉、易于實施的技術方法。

本文針對難膠結人工頂板易自燃下分層工作面防滅火問題，提出在線性漏風源、匯位置布置測試系統(tǒng)，分析煤氧化產(chǎn)生的溫度和氣體的異常信息，判定下分層煤自燃狀態(tài)，提出相應的防滅火技術措施，成功實現(xiàn)了煤自燃的早期辨識與防治。

1 煤自燃早期辨識原理

煤接觸空氣吸附氧，發(fā)生氧化反應過程中經(jīng)歷潛伏期后，煤溫開始顯著升高，進入自熱期，氧化過程的溫度及氣體產(chǎn)物隨時間關系[16-19]如圖1所示。煤在潛伏期即與空氣中的氧發(fā)生化學反應，釋放氣體產(chǎn)物，典型的如CO和CO2。大多數(shù)煤在氧化過程中煤溫低于70 ℃左右時，煤自燃進程相對緩慢，及時采取控制措施能夠有效控制煤自燃的發(fā)生。煤炭自燃早期辨識即是利用專用技術手段，采集煤炭處于自燃過程中自熱初期的溫度或典型氣體產(chǎn)物等征兆信息，并跟蹤監(jiān)測這些參數(shù)的變化特征，及時作出自燃狀態(tài)判定，以便采取措施，將自燃抑制在萌芽狀態(tài)。

圖1 煤自燃過程特征參數(shù)隨時間變化關系Fig.1 Relationship between characteristic parameters of coal spontaneous combustion process and time

2 下分層煤自燃危險區(qū)域探測

2.1 試驗工作面概況

己16-17-22072工作面位于二水平己二采區(qū)東翼，走向長1 391 m，斜長寬157 m，南為一水平己七采空區(qū)，北為己16-17原始煤體，上部為已開采的上分層己16-17-22071采空區(qū)。已采上分層冒落帶高度11 m，下分層工作面采高3.2 m，煤層傾角21°，下分層頂板為砂質泥巖和細中粒砂巖為主的再生頂板，膠結程度低、易冒落。

2.2 煤自燃特性

采集己16-17-22072工作面新鮮煤樣，采用煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法測試吸氧量為0.72～0.81 cm3/g，為Ⅰ類易自燃煤層。將新鮮煤樣置于密閉容器中室溫氧化90 d后，其氣體產(chǎn)物見表1，不僅檢測到了CO、CO2，甚至出現(xiàn)了C2H4和C2H6，表明己組煤層具有很強的室溫氧化特性，采用氣體辨識煤自燃狀態(tài)時需要考察氣體的增長量。

表1 己組下分層煤樣常溫氧化結果Tab.1 Oxidation results of lower stratified coal samples in the hexyl group at room temperature

2.3 下分層煤自燃參數(shù)探測方案

由于己組下分層煤樣氧化能力較強室溫環(huán)境即可氧化產(chǎn)生碳氫類氣體，考慮到早期氧化產(chǎn)生的氣體量少，巷道風流環(huán)境中難以及時檢出，為此沿風巷走向方向在下分層內布置了9個測點，如圖2所示，用于測試下分層工作面煤體的溫度和氣體。采用向煤體施工仰角70°鉆孔，預埋測試裝置，測點進入煤體深度約3 m，如圖3所示。測試裝置為直徑15 mm鋼管，鋼管里段為長2 m的花管，外段0.5 m，采用黃泥封堵嚴實，埋入預定測點的鉆孔后，用聚氨酯封堵鉆孔，封孔深度1 m(圖4)。

圖2 煤自燃早期監(jiān)測測點布置Fig.2 Arrangement of early monitoring points for spontaneous combustion of coal

圖3 測點鉆孔布置Fig.3 Borehole arrangement of measuring points

圖4 測試裝置結構Fig.4 Test device structure

采用溫度計測試巷道風流和萬用表測試熱電偶兩端電動勢計算鉆孔內煤溫度，采用抽氣唧筒抽取鉆孔取氣管內氣體，注入氣樣袋，利用地面氣相色譜儀分析氣體成分和濃度。

2.4 測試結果及分析

觀測時間為3月12日—10月15日。

(1)溫度觀測結果?？傮w看，回風巷側測點溫度高于進風巷側測點溫度，觀測期間各點溫度未出現(xiàn)明顯溫升趨勢，最高溫度為10號測點，最高達46.8 ℃，與巷道風流溫差達8 ℃，溫度變化最小的是3號觀測孔，溫差3 ℃，各測點最高溫度統(tǒng)計結果見表2。由表2可以看出，10號測點位置煤體發(fā)生了明顯的氧化，但氧化自熱現(xiàn)象不嚴重，是煤自燃早期階段。

表2 觀測點最高溫度Tab.2 Maximum temperature table of observation point

(2)氣體觀測結果。觀測期間，采集觀測點及回風流中的氣樣，分析了氣樣中CO、CO2、O2和烷烴類氣體，其中13號和14號觀測點CO氣體出現(xiàn)過明顯升高趨勢，最高分別為168×10-6、175×10-6，如圖5所示，采取控制措施后CO氣體再次下降，以致穩(wěn)定在小于10×10-6的恒定情況。另外，1號、2號、3號和8號觀測點檢出了微量乙烷，如圖6所示，8月期間乙烷濃度有增大現(xiàn)象，9月以后又降低。其他觀測孔偶爾檢出CO。監(jiān)測期間巷道風流氣樣中未能發(fā)現(xiàn)CO，除檢出CH4外未檢出其他碳氫類氣體。通過對煤體的溫度和氣體監(jiān)測可以看出，下分層工作面開采期間煤體發(fā)生了氧化，出現(xiàn)了煤氧化氣體產(chǎn)物，煤體溫度也出現(xiàn)了升高。采用煤層預埋探測鉆孔監(jiān)測下分層煤體中溫度和氣體，避免了巷道風流稀釋煤體氧化氣體濃度現(xiàn)象，實現(xiàn)了煤自燃早期狀態(tài)的探測。

圖5 觀測點一氧化碳氣體變化規(guī)律Fig.5 Variation law of carbon monoxide gas at observation points

圖6 觀測點乙烷氣體變化規(guī)律Fig.6 Variation law of ethane gas at observation points

(3)下分層煤體氧化原因。根據(jù)煤層頂板冒落巖石膠結差的特點，采用紅外攝像儀對工作面風巷觀測發(fā)現(xiàn)，工作面風巷存在不同程度的輕微高溫點，如圖7所示。可以推斷這些高溫點是下分層頂板大面積平面漏風至風巷形成的散落漏風匯點，這種漏風是導致下分層煤體氧化的原因。

圖7 風巷頂部局部高溫點Fig.7 Local high temperature points at top of the wind roadway

3 高溫區(qū)域防治措施及效果分析

從觀測結果看，人工頂板質量差形成平面漏風是引起下分層煤體發(fā)生氧化的關鍵。13號和14號觀測點發(fā)現(xiàn)CO氣體呈現(xiàn)上升趨勢后，在工作面運輸巷F1斷層以里約240 m處向運輸巷上幫每隔3 m向下分層頂部插入直徑15 mm鋼管，如圖8所示，利用鋼管向煤層頂板持續(xù)少量注入氮氣，降低漏風的氧氣濃度。對F1斷層前后累計400 m長的運輸巷進行全斷面噴漿?；仫L巷側采取向下分層頂板注高分子材料，形成煤層頂板漏風封堵墻。對回風巷側F1斷層破碎區(qū)注封安特材料，充填斷層破碎帶加固煤層頂板。

圖8 下分層工作面防滅火措施Fig.8 Fire prevention measures for lower stratified working face

通過采取上述防滅火綜合措施，各觀測點未出現(xiàn)明顯的煤體持續(xù)氧化形成自燃的征兆信號，采取措施前的13號和14號觀測點的CO氣體濃度也出現(xiàn)了明顯下降直至平穩(wěn)。

4 結論

(1)易自燃下分層工作面煤體開采期間發(fā)生二次氧化，自燃進程速度快，早期辨識是工作面防滅火的關鍵。

(2)煤體氧化初期氧化氣體產(chǎn)物量少，受巷道風流稀釋作用，難以檢測巷道風流中煤氧化氣體產(chǎn)物判定煤自燃狀況，通過向下分層煤體布置檢測點，及時發(fā)現(xiàn)了煤體氧化異常區(qū)域。

(3)下分層工作面頂板冒落巖石膠結程度低，形成平面漏風是煤體自燃的原因，直接測溫不能及時發(fā)現(xiàn)煤體氧化程度，但風巷側預埋煤體內的測點可通過氣體產(chǎn)物判定煤自燃早期狀態(tài)。

(4)控制煤層頂板平面漏風，可以實現(xiàn)易自燃下分層工作面安全生產(chǎn)。