煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與綜合防滅火技術(shù)研究

王同友

（唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272007）

1 礦井概況

唐口煤礦現(xiàn)開采煤層為3 煤，巷道埋深及地壓大，煤層、煤層頂?shù)装宸謩e具有強(qiáng)沖擊地壓傾向性和弱沖擊地壓傾向性，且3 煤層煤塵具有強(qiáng)爆炸性，最短自然發(fā)火期為69 d。煤系地層平均地溫梯度為3.23/100 m，地溫達(dá)38 ℃，且局部瓦斯涌出量變化大。

2 自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型建立

煤炭自然發(fā)火機(jī)理表明，3 個(gè)分指標(biāo)組成采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)程度U。分指標(biāo)又由若干次一級(jí)的分指標(biāo)組成。全部指標(biāo)由16 項(xiàng)構(gòu)成[1-4]。

（1）自燃傾向性Y1

① 吸氧速率Xl（mL/g）；② 還原與氧化煤樣著火溫差X2（℃）。

（2）漏風(fēng)供氧條件Y2

① 漏風(fēng)氧濃度X3（%）；② 漏風(fēng)持續(xù)時(shí)間X4（d）；③ 煤的破碎性X5；④ 兩側(cè)壓差X6（Pa）；⑤ 封閉質(zhì)量X7；⑥ 頂板及采空區(qū)處理X8；⑦ 采區(qū)布置方式X9；⑧ 采煤方法X10；⑨ 通風(fēng)方式X11；⑩ 煤層傾角X12。

（3）聚熱散熱條件Y3

① 風(fēng)速X13；② 自燃帶長(zhǎng)度與推進(jìn)速度比X14（d）；③ 遺煤狀況X15；④ 區(qū)域圍巖溫度X16（℃）。

2.2 唐口煤礦采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

經(jīng)計(jì)算可得出6310 工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性單因素評(píng)價(jià)結(jié)果見表1。

表1 唐口煤礦6310 工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性單因素評(píng)價(jià)表

對(duì)6310 工作面根據(jù)上述評(píng)價(jià)模型分層次進(jìn)行評(píng)價(jià)：

由以上計(jì)算結(jié)果可知，6310 采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)程度為29.56%，屬Ⅲ類，有火災(zāi)傾向。

3 6310 工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

采用兩巷埋管及溫度傳感器的方式對(duì)6310 工作面采空區(qū)進(jìn)行氣體和溫度監(jiān)測(cè)，對(duì)采空區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)每天相同時(shí)間進(jìn)行氣體采集，使用氣相色譜儀對(duì)帶回地面的氣樣進(jìn)行氣體分析[5]。采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

圖1 采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖（m）

（1）采空區(qū)溫度數(shù)據(jù)分析

采空區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線如圖2、圖3。

圖2 1#、2#測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線圖

圖3 3#、4#測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線圖

由圖2、圖3 可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)1～2#測(cè)點(diǎn)溫度在推進(jìn)的時(shí)候升高較為明顯，隨后逐漸降低，溫度變化區(qū)間為25.3～34.0 ℃，最高上升了約8.7 ℃，最后穩(wěn)定在28.7 ℃左右；回風(fēng)側(cè)3～4#測(cè)點(diǎn)的溫度在短暫升高后也逐漸降低，溫度變化區(qū)間為26.5～31.2 ℃，變化范圍為4.7 ℃。在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間6310 采空區(qū)內(nèi)部溫度變化范圍不顯著，與采空區(qū)自燃“三帶”的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不相符，因此溫度只可作為判斷自燃“三帶”的輔助指標(biāo)[6-7]。

（2）采空區(qū)CO 濃度數(shù)據(jù)分析

由圖4、圖5 可知，CO 濃度在進(jìn)風(fēng)側(cè)1～2#測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)為先上升再降低，最大值1.13×10-4。隨著進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)被埋進(jìn)采空區(qū)深度不斷增加，首先CO 濃度有上升趨勢(shì)，隨后測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)深度繼續(xù)增加，CO 濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)后趨于平穩(wěn)。具體為測(cè)點(diǎn)在工作面推進(jìn)49.4 m 左右時(shí)CO 濃度達(dá)到較高的水平，而在工作面推進(jìn)86.6 m 左右時(shí)CO 濃度降到相對(duì)較低的水平；回風(fēng)側(cè)3～4#測(cè)點(diǎn)的CO 濃度變化趨勢(shì)在工作面推進(jìn)過程中先上升再降低。CO 可作為一種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)自然發(fā)火指標(biāo)的氣體。

圖4 1#、2#測(cè)點(diǎn)CO 濃度變化曲線圖

圖5 3#、4#測(cè)點(diǎn)CO 濃度變化曲線圖

（3）采空區(qū)1～2#測(cè)點(diǎn)O2 濃度數(shù)據(jù)分析

由圖6 分析可知，隨著進(jìn)風(fēng)側(cè)1～2#測(cè)點(diǎn)埋進(jìn)采空區(qū)的深度的不斷增加，進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)O2濃度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為1#測(cè)點(diǎn)在埋進(jìn)采空區(qū)71.6～74 m 時(shí)O2濃度下降到了18%以下，進(jìn)入氧化帶；在埋進(jìn)采空區(qū)83.6～86 m 時(shí)O2濃度下降到了10%以下，進(jìn)入窒息帶；2#測(cè)點(diǎn)在埋進(jìn)采空區(qū)69.8～77 m 時(shí)O2濃度下降到了18%以下，進(jìn)入氧化帶；在埋進(jìn)采空區(qū)86.6～89 m 時(shí)，氧氣濃度降至10%以下，進(jìn)入窒息帶。采空區(qū)內(nèi)遺煤不斷消耗O2，風(fēng)流不能進(jìn)入采空區(qū)深部來補(bǔ)充消耗的O2，O2濃度出現(xiàn)降低。

圖6 1#、2#測(cè)點(diǎn)O2 濃度變化曲線

（4）采空區(qū)3～4#測(cè)點(diǎn)O2濃度數(shù)據(jù)分析

由圖7 分析可知，3#測(cè)點(diǎn)在埋進(jìn)采空區(qū)39～41.6 m 時(shí)O2濃度下降到了18%以下，進(jìn)入了氧化帶；在埋進(jìn)采空區(qū)91.4～93.8 m 時(shí)O2濃度下降到了10%以下，進(jìn)入了窒息帶；4#測(cè)點(diǎn)在埋進(jìn)采空區(qū)33.8～36.4 m 時(shí)O2濃度下降到了18%以下，進(jìn)入了氧化帶；在埋進(jìn)采空區(qū)83.6～86 m 時(shí)O2濃度下降到了10%以下，進(jìn)入了窒息帶。

圖7 3#、4#測(cè)點(diǎn)O2 濃度變化曲線

（5）采空區(qū)自燃“三帶”范圍確定

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)不同區(qū)域O2濃度變化，得出了唐口煤礦6310 采空區(qū)自燃“三帶”分布情況見表2。

表2 6310 采空區(qū)自燃“三帶”分布情況

4 防滅火技術(shù)措施及其效果檢驗(yàn)

4.1 防滅火技術(shù)措施

采用水玻璃凝膠為開切眼區(qū)域的注膠材料，其中促凝劑（碳酸氫銨）3%、基料10%。在注膠前，先在工作面兩端頭沿走向方向充填厚度為4 m 左右的沙袋，直至沙袋接頂?；夭蛇^程中，采空區(qū)兩端頭向采空區(qū)頂部設(shè)2 個(gè)鉆孔，與工作面之間的間隔為5 m。回采過程中工作面每向前推進(jìn)60～100 m 分別在進(jìn)回風(fēng)巷堆架4 m 的砂袋墻對(duì)未垮落巷道封堵，在推過砂袋墻一段距離后，待工作面進(jìn)風(fēng)巷端頭垮落帶與砂袋墻充分接觸后進(jìn)行注膠作業(yè)。

4.2 效果檢驗(yàn)

施工后利用多功能通風(fēng)參數(shù)儀對(duì)6310 工作面參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，通過圖1 所示布置束管監(jiān)測(cè)采取防滅火技術(shù)后的采空區(qū)CO、O2參數(shù)，與采空區(qū)自燃“三帶”參數(shù)進(jìn)行對(duì)比如圖8。

由圖8 可知，未采取措施前氧氣濃度最大可達(dá)6.3%，采取措施后氧氣濃度最低降至約2.84%，平均氧氣濃度約為3%，CO 濃度降至0.3×10-9。指標(biāo)性氣體均在合理范圍之內(nèi)，起到了良好的效果。

圖8 措施前后指標(biāo)氣體變化

5 結(jié)論

（1）6310 采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)程度為29.56%，屬Ⅲ類，6310 采空區(qū)遺煤的供氧氧化條件、自燃傾向性和聚熱散熱條件有自然發(fā)火危險(xiǎn)性。

（2）防滅火措施實(shí)施后，氧濃度降至約3%，火災(zāi)標(biāo)志性氣體CO 濃度未升高，防滅火預(yù)控措施起到了良好的效果，保證了礦井安全高效生產(chǎn)。