馬蘭礦10604 工作面采空區(qū)自燃預測及防滅火技術

彭建峰

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

1 工作面概況

馬蘭礦隸屬于西山煤電集團，年生產能力為400 萬t。南六采區(qū)10604 工作面開采的煤層屬于二疊系下統(tǒng)山西組2#煤層，煤層厚度1.66～2.69 m，平均2.25 m，傾角為1°～8°，平均2°。煤層結構復雜，普氏硬度2.0，煤層屬Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期125 d。工作面開采過程中需要對采空區(qū)遺煤進行自燃防治處理，尤其是停采期間的防滅火處理。

工作面的皮帶巷和軌道巷走向長1709 m，傾斜長176 m，工作面面積為300 784 m2，地面標高1297～1411 m，工作面自身標高882.1～943.2 m，可采儲量為801 617 t。工作面利用MG250/600-WD 型雙滾筒采煤機雙向割煤一次采全高，回采期間瓦斯絕對涌出量為20.48 m3/min，實測原始瓦斯含量為6.97 m3/t，工作面配風量為1320 m3/min。工作面回采全過程中需要揭露11 條斷層，不同斷層之間的總落差為0.6～2.6 m。其中F10604-01 斷層落差1.4～2.5 m，該斷層平移滑動，導致煤層局部變薄，對回采影響極大；F10604-04 斷層落差2.6～2.0 m，巷道掘進揭露，由于該斷層穿過整個工作面，斷層面平移滑動，導致煤層變厚，對回采影響極大；F10604-09斷層落差2.2 m，預計在回采工作面內延伸較長，對回采影響較大；其他斷層對回采影響中等或較小，見表1。

表1 10604 工作面開采過斷層情況

2 基于格雷哈姆系數(shù)R2 的煤自燃預報

本文所用的格雷哈姆系數(shù)指標是由來自英國的研究人員格雷哈姆在20 世紀初期提出的。這一方法根據(jù)煤炭在低溫條件下與氧氣作用時的耗氧量作為計算依據(jù)[1-5]，如公式（1）～公式（3）：

式中：R2是格雷哈姆系數(shù)，其代表著煤在低溫條件下氧化時的耗氧量和CO 增加量之間的關系。如果煤層在自然存儲條件下沒有CO 含量，那么監(jiān)測到的CO 含量就都是由煤炭發(fā)生氧化時生成，而且其生成量基本不受其他條件的影響。同時，由于該計算方法中考慮了耗氧量，因此工作面向采空區(qū)內部的漏風情況對其結果的影響能夠被最大程度地忽略?？梢钥闯觯捎酶窭坠废禂?shù)方法預測采空區(qū)煤炭自燃精確性非常高。

由于10604 工作面埋深較大，因此其地熱情況比較嚴重，所以需要考慮采空區(qū)煤體在相對較高的環(huán)境溫度下自然發(fā)火的變化規(guī)律，其中最重要的就是要考慮環(huán)境溫度對格雷哈姆系數(shù)R2的影響。利用程序升溫實驗對煤樣氧化自燃過程中的耗氧量進行了測定，測定條件中將環(huán)境溫度分別設置為20 ℃、30 ℃、40 ℃。其耗氧量根據(jù)測定儀器入口即空氣中的含氧量和儀器出口的含氧量之間的差值確定，測定操作步驟如下：

（1）首先將煤樣放置到低溫真空干燥箱內干燥48 h，直至煤樣質量不發(fā)生變化，使煤樣內含水分完全消除；

（2）在儀器反應室（圖1）中放入50 g 干燥后的煤樣；

圖1 反應室示意圖（mm）

（3）檢查完儀器管路的氣密性后，向反應室中通入15 mL/min 的氮氣，并將內部環(huán)境溫度分別上升到20 ℃、30 ℃、40 ℃；

（4）把氮氣閥門關閉，開始向反應室內部通入空氣，流量仍為15 mL/min，當反應室內部的殘余氮氣排出以后開始對反應室進行升溫，溫度增加速度為0.8 ℃/min；

（5）環(huán)境溫度每增加10 ℃測定一次出口處的氧氣含量，直至上升到120 ℃停止實驗。

耗氧量在不同環(huán)境起始溫度條件下的變化情況如圖2?？梢钥闯?，不同起始溫度下的耗氧量變化規(guī)律比較近似，變化曲線整體呈指數(shù)形態(tài)，當溫度增長至80 ℃以后，耗氧量均顯著上升，說明此時煤樣開始發(fā)生劇烈氧化自燃反應。

圖2 不同起始溫度條件下煤的耗氧量變化曲線

此處格雷哈姆系數(shù)的計算根據(jù)公式（2）進行，將CO 和O2的含量變化值代入公式后可以計算得到反應室內不同環(huán)境起始溫度下R2隨溫度增加的變化特征，如圖3。

圖3 不同起始溫度條件下煤樣R2 值變化規(guī)律（左側縱坐標為起始溫度20 ℃的投影值）

由圖3 測定結果可以看出，在三種起始溫度條件下的格雷哈姆系數(shù)都隨溫度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，且起始溫度越高，該系數(shù)的數(shù)值越小，其中初始溫度為20 ℃時的系數(shù)值顯著高于30 ℃和40 ℃。這說明當開采深度增加時，采空區(qū)內部地溫及環(huán)境溫度增加，那么采用該系數(shù)法進行遺煤自燃預測就需要適當降低預警值。例如，需要在采空區(qū)溫度上升至70 ℃時發(fā)出遺煤自燃警告，如果地溫或采空區(qū)內部初始溫度為20 ℃，R2預警值可設置為11，即R2降低到11 以下時發(fā)出警報；當?shù)販厣咧?0℃時，根據(jù)圖3 的結果可以看出R2預警值應該設置為0.7，但如果仍然將R2預警值按照地溫為20 ℃時設置為11，那么在自燃發(fā)生時就無法及時做出預警。所以可能出現(xiàn)在高地溫情況下預警值仍然較高，無法及時預報；或者低地溫條件下，預警值仍然較低，采空區(qū)內部并未發(fā)生遺煤自燃卻仍然預警。

3 工作面停采時期的防滅火技術及效果

3.1 停采階段防滅火技術

10604 采煤工作面生產過程中可能會出現(xiàn)停采的狀態(tài)，此時是最容易發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃的時期，需要對采空區(qū)遺煤氧化自燃進行實時監(jiān)測，并設計防滅火方案。結合10604 工作面開采實際以及停采狀況，提出了以實時監(jiān)測采空區(qū)氣體和溫度、灌注凝膠堵漏為主，同時灌注三相泡沫的綜合防滅火技術。具體步驟如下：

（1）利用束管采樣法，對采空區(qū)內部氣體成分每天3 次采樣分析，利用礦井原有的監(jiān)測系統(tǒng)對采煤面回風巷中的風流成分和溫度進行分析，尤其是其中的CO 和CH4含量；每天利用氣體采樣器分別對工作面回風巷、工作面中部支架、回撤處進行采樣，分析其中CO 和O2含量；每一個生產和檢修班都對工作面上下隅角氣體成分測定分析3 次，同時在上下隅角和中部支架處對采空區(qū)內部溫度進行測定。如果發(fā)現(xiàn)溫度異常升高或者CO 濃度超過2.4×10-5，則立即開始進行防滅火處理。

（2）在工作面進回風巷與采空區(qū)相交的位置分別設置一道厚度為6 m 的隔離墻，隔離墻內部灌注凝膠并對隔離墻外表面密閉。隔離墻砌筑時其墻垛寬度大于5 m，對隔離墻外表面進行噴漿處理，盡可能減少向采空區(qū)內部的漏風。在采空區(qū)內部的注漿管路采用預埋形式，向采空區(qū)內部灌注膠體及稠化砂漿。如圖4。

圖4 10604 工作面進回風巷隔離墻示意圖

（3）當工作面停采時，將工作面的供風量降低至600 m3/min，同時持續(xù)監(jiān)測采空區(qū)內部氣體和溫度變化值，如圖5。一旦發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內部有溫度異常升高或者CO 等氣體異常增加，則需要向采空區(qū)內部灌注三相泡沫滅火。

圖5 停采線架間監(jiān)測與三相泡沫示意圖

3.2 防滅火效果

在采用了密閉隔離墻、灌注凝膠及稠化砂漿后，采空區(qū)內部并未發(fā)生溫度異常增高的現(xiàn)象，同時CO 含量也相對穩(wěn)定，如圖6、圖7。工作面回風巷內部溫度基本穩(wěn)定在30～35 ℃之間，CO 濃度低于1.5×10-5，沒有發(fā)生異常增長。工作面上隅角處溫度同樣穩(wěn)定在30～35 ℃之間，CO 濃度在0～2.0×10-5之間變化，雖然其變化比回風巷中更加強烈，但仍未超過2.4×10-5，說明采空區(qū)內部未發(fā)生遺煤自燃。

圖6 回風巷CO、溫度變化圖

圖7 上隅角CO、溫度變化圖

4 結論

格雷哈姆系數(shù)可以用于預測采空區(qū)遺煤自燃程度，通過在實驗室測定煤樣程序升溫過程中的CO和O2變化值，得到不同起始溫度下用于預測煤炭自燃的格雷哈姆系數(shù)預警值。起始溫度越低，所用的格雷哈姆系數(shù)應該越高。利用綜合防滅火技術以后，10604 工作面停采期間在回風巷和工作面上隅角都沒有再出現(xiàn)過CO 濃度超標問題，溫度也穩(wěn)定在30～35 ℃。