高瓦斯易燃煤層自燃發(fā)火原因分析及防治

劉英明

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

高瓦斯易燃煤層自燃發(fā)火原因分析及防治

劉英明

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

針對(duì)厚煤層開采比重加大，且伴隨采空區(qū)遺留浮煤，回采工作面漏風(fēng)等因素致使煤層自燃發(fā)火頻繁，礦井安全生產(chǎn)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻的問(wèn)題，分析了煤體自燃發(fā)火原因，加強(qiáng)自燃發(fā)火預(yù)測(cè)，采取有效的防滅火技術(shù)及裝備，確保易燃煤層安全高效開采勢(shì)在必行。

煤層；自燃發(fā)火；防治

1 煤體自燃原因分析

根據(jù)自燃發(fā)火工作面及科研院校的煤層自燃研究成果分析，煤體自燃發(fā)火原因主要取決于煤層的自燃傾向性，煤的粒度，工作面推進(jìn)度，漏風(fēng)量等因素。

1）煤層自燃傾向性。由于煤體本身為可燃物質(zhì)，煤體賦存的孔隙和裂隙可吸附氧氣，氧化產(chǎn)生熱量，并在適當(dāng)?shù)木蹮釛l件和環(huán)境下持續(xù)聚熱升溫，只要具備一定的條件時(shí)，就會(huì)發(fā)展到著火點(diǎn)溫度并產(chǎn)生煤的自燃現(xiàn)象。不同煤體的物理特性存在差異，因此，不同賦存條件的煤對(duì)流態(tài)氧的吸附能力也不同，其氧化自燃性能也不同。煤的氧化自然性能可通過(guò)測(cè)定煤的吸氧量來(lái)表征。

當(dāng)采用BD-ZRJ-I型煤的自燃性測(cè)定儀，以煤在特定條件下即每克干煤在常溫（30℃）、常壓（1.0133×105Pa）通過(guò)流動(dòng)色譜吸氧法對(duì)粉碎到粒度<0.15 mm的煤樣脫水、載氣、吸附、脫附過(guò)程，測(cè)定煤的吸氧量，配以工業(yè)分析等參數(shù)，通過(guò)模糊數(shù)理統(tǒng)計(jì)的聚類分析方法，將煤的吸氧量值與工業(yè)分析結(jié)果綜合評(píng)判，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)有關(guān)煤的自燃發(fā)火特征資料反饋修正，可了解和認(rèn)識(shí)開采煤層的氧化自燃傾向性，確定煤的自燃發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)，為制定礦井火災(zāi)防治方案提供技術(shù)依據(jù)。

2）煤的粒度與氧化自燃性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，回采過(guò)程中支架頂部煤體承受擠壓后必然會(huì)破碎，生產(chǎn)過(guò)程中煤層頂?shù)装宀豢杀苊膺z留浮煤。支架頂部的破碎煤體及采空區(qū)內(nèi)的浮煤粒度越小，氧化放熱性越強(qiáng)，越易于發(fā)生自燃。

為研究并揭示煤的粒度與氧化自燃性關(guān)系，由北京科技大學(xué)分別對(duì)粒徑為0～0.9 mm（18目）、0.9～3 mm（7目）、3～5 mm（4目）、5～7 mm（3目）、7～10 mm（2目）煤樣進(jìn)行煤炭自燃發(fā)火模擬實(shí)驗(yàn)，并繪制出各粒徑煤樣溫度隨時(shí)間變化曲線，各粒徑煤樣耗氧速率與溫度的變化曲線，見圖1和圖2。

從圖1和圖2可知，煤樣越細(xì)，對(duì)氧氣的吸附程度越強(qiáng)，其自燃發(fā)火越容易。由于物體的表面積與粒徑成反比，煤的破碎程度越大，粒徑越小其比表面積越大，煤氧接觸面積越大，煤的升溫和耗氧速率越大，氧化放熱性越強(qiáng)，煤樣粒度越小耗氧速度增加越快煤的氧化自燃性也會(huì)越明顯。

通過(guò)煤的粒度與氧化自燃性模擬實(shí)驗(yàn)，既揭示了破碎煤體及采空區(qū)遺留浮煤易發(fā)自燃的原因，又為認(rèn)識(shí)及防治綜采工作面支架頂部及采空區(qū)煤體自燃提供了理論依據(jù)。

3）工作面推進(jìn)對(duì)自燃發(fā)火的影響。根據(jù)對(duì)工作面漏風(fēng)量、推進(jìn)距離、采空區(qū)溫度三者的關(guān)系觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明，采空區(qū)的溫度變化與采空區(qū)距工作面的推進(jìn)距離有關(guān)，明顯呈現(xiàn)散熱、氧化升溫、窒息三個(gè)不同寬度的帶。工作面正常開采和推進(jìn)時(shí)，支架頂梁上和支架后部的松散煤氧化升溫時(shí)間尚不夠充分，煤溫尚未達(dá)到自燃條件時(shí)已隨著工作面的不斷推進(jìn)而被甩入窒息帶；如工作面不能正常開采和推進(jìn)（或不推進(jìn)），支架頂梁上和支架后部的松散煤就會(huì)停滯在氧化升溫帶，并處于長(zhǎng)時(shí)間充分氧化升溫狀態(tài)，具備了工作面落山和支架頂梁上的松散煤體氧化、蓄熱的必要環(huán)境和條件，此時(shí)，工作面是否發(fā)火則完全取決于非正常推進(jìn)造成的氧化升溫帶的停滯時(shí)間。在生產(chǎn)實(shí)踐中，當(dāng)工作面遇地質(zhì)構(gòu)造或煤層頂板破碎時(shí)，工作面推進(jìn)低于正常進(jìn)度；綜放面末采拆架期間更易發(fā)生自燃火現(xiàn)象，這也從另一方面印證了“三帶”的客觀存在和“三帶”理論的可信性。工作面推進(jìn)與煤層自燃三帶關(guān)系，見圖3。

除以上所列舉的煤的自燃傾向性、煤的粒度和蓄熱條件、工作面推進(jìn)進(jìn)度外，瓦斯抽放負(fù)壓在抽放瓦斯的同時(shí)，在抽放系統(tǒng)的抽放負(fù)壓和流量作用下，采空區(qū)冒落帶和裂隙帶成為向工作面落山滲流供氧的通道問(wèn)題也應(yīng)引起重視。

煤層自燃的最根本原因是煤本身的自燃傾向性，對(duì)于易燃煤層的易燃特性是無(wú)法改變的，煤層在開采過(guò)程中，煤體也不可能不破碎，采空區(qū)也不可能不遺留浮煤，即設(shè)想從根本上改變松散煤體的自然條件和環(huán)境是比較困難的，完全杜絕煤層自燃實(shí)則更加困難。因此，從預(yù)防的角度講，及早發(fā)現(xiàn)自燃預(yù)兆，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)火點(diǎn)范圍和位置，及時(shí)采取防治措施則顯得尤為重要。

2 自燃發(fā)火預(yù)測(cè)

1）煤炭自燃傾向性的確定是礦井防滅火技術(shù)重要的預(yù)測(cè)手段。基于煤在低溫常壓下對(duì)氧的吸附屬于單分子物理吸附狀態(tài)為理論基礎(chǔ)，按朗格紐爾單分子層吸附方程，用雙氣路流動(dòng)色譜法測(cè)定煤吸附流態(tài)氧的特性，以煤在特定條件下，每克干煤在常溫（30℃）、常壓（1.0133×105Pa）下的吸氧量作為自燃傾向性分類主指標(biāo)（高硫煤、無(wú)煙煤的自燃傾向性分類，吸氧量>1.0 cm3/g為I類，易自燃。）通過(guò)測(cè)定煤炭自燃傾向性可了解開采煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)性，為礦井確定防滅火組織方案提供依據(jù)。

2）煤在氧化升溫過(guò)程中會(huì)釋放出一系列氣體，通過(guò)氣相色譜儀和煤自燃特性測(cè)試儀，測(cè)定煤氧化升溫過(guò)程中放出的一系列反應(yīng)煤炭自然特征氣體的含量，并根據(jù)其氣體生成量隨煤溫升高的變化規(guī)律，找出可以靈敏，準(zhǔn)確地反應(yīng)煤炭早期自然特征的氣體，作為指標(biāo)氣體進(jìn)行煤自然發(fā)火的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

實(shí)驗(yàn)表明，自然發(fā)火過(guò)程中，火災(zāi)生成物中CO的最低檢知溫度為60℃～70℃,在160℃～190℃左右，CO發(fā)生量已相當(dāng)高。CO是煤層自燃獨(dú)有的，能夠表征氣體生成量與相應(yīng)溫度并能進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)火災(zāi)的氣體，在井下現(xiàn)場(chǎng)很容易檢測(cè)到。以CO為主，結(jié)合其他氣體進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，可準(zhǔn)確分析火點(diǎn)溫度。

界定開采煤層的自燃傾向性等級(jí)，測(cè)定自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體有關(guān)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)，可認(rèn)知開采煤層自燃傾向的危險(xiǎn)等級(jí)，掌握和判斷自燃發(fā)火所處的發(fā)展階段和嚴(yán)重程度。可為礦井制定防災(zāi)工作提供編制組織管理、物資儲(chǔ)備、技術(shù)管理、防滅火技術(shù)措施提供可靠的基礎(chǔ)依據(jù)，使防滅火技術(shù)管理措施更科學(xué)，做到有的放矢。

3 自燃發(fā)火治理措施

1）束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。為能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)獲取采空區(qū)氣體和溫度變化，工作面建立束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)工作面進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控。工作面間隔10-20組支架間設(shè)一布控點(diǎn)，在支架與采空區(qū)間敷設(shè)束管，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄測(cè)點(diǎn)氣樣成分及溫度，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理分析火源探測(cè)結(jié)果并繪制平面圖，提交自燃發(fā)貨預(yù)測(cè)分析報(bào)告，實(shí)現(xiàn)煤層自燃的早期預(yù)防工作。為工程技術(shù)人員制定防滅火技術(shù)方案及措施提供可靠依據(jù)。

2）采空區(qū)注氮惰化處理。工作面遇構(gòu)造或其他特殊情況不能正常推進(jìn)時(shí)，提前沿進(jìn)風(fēng)順槽敷設(shè)注氮管，注氮管會(huì)隨著工作面的不斷推進(jìn)將管道埋入落山。注氮管按一定的間隔設(shè)置三通，三通間隔的設(shè)定將根據(jù)“三帶”實(shí)測(cè)距離確定。三通節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)一根0.5 m長(zhǎng)支管作為氮?dú)忉尫趴冢苑啦煽諈^(qū)冒落煤矸堵塞管道。

當(dāng)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到采空區(qū)氧化升溫帶產(chǎn)生CO，溫度發(fā)生變化時(shí)，可對(duì)照指標(biāo)氣體分析判斷煤層自燃發(fā)展階段及趨勢(shì)，當(dāng)?shù)诙€(gè)注氮管口支管埋入采空區(qū)氧化帶與冷卻帶的交接部位時(shí)，啟動(dòng)井下移動(dòng)式注氮機(jī)向采空區(qū)注氮，利用漏風(fēng)流將氮?dú)鈳肼╋L(fēng)流所流經(jīng)的氧化升溫帶，從而惰化漏風(fēng)流及漏風(fēng)流所流經(jīng)的區(qū)域，在整個(gè)注氮區(qū)域均勻擴(kuò)散，起到惰化整個(gè)采空區(qū)的作用。為保證氧化帶注氮后處于惰化狀態(tài)，通過(guò)預(yù)埋在采空區(qū)的束管對(duì)氧化帶的O2濃度檢測(cè)，確保O2濃度降到10%以下方可停止注氮。

生產(chǎn)面和拆除面均為正常通風(fēng)狀態(tài)，此種注氮屬于開放式注氮，開放式注氮只是降低采空區(qū)氧氣濃度，延緩采空區(qū)氧化升溫帶松散煤的自燃發(fā)展進(jìn)度，從而贏得時(shí)間，爭(zhēng)取工作面恢復(fù)正常推進(jìn)后將異區(qū)甩入窒息帶，或堅(jiān)持到工作面拆除結(jié)束永久封閉。

開放式注氮往往只適用于工作面采空區(qū)的區(qū)域自燃預(yù)防性防治，當(dāng)松散煤體出現(xiàn)高溫火點(diǎn)時(shí)，注凝膠漿的滅火效果會(huì)更直接有效。

3）注凝膠滅火。工作面支架頂部或靠近支架的采空區(qū)出現(xiàn)高溫或火點(diǎn)，澆注高分子材料凝膠漿降溫滅火效果更直接有效。

高分子凝膠是由粉末狀的高分子材料與水直接混合后，短時(shí)間內(nèi)經(jīng)化合反應(yīng)形成類似于果凍性的膠質(zhì)物，其雖具有凝固性，卻沒有機(jī)械強(qiáng)度；其膠體主要成分為水分，且可以固體形態(tài)充填附著于煤體空隙內(nèi)，其膠狀物對(duì)煤體表面及空隙起到封閉隔氧的阻燃作用，而膠狀物的水分則會(huì)吸收煤體熱量，快速降溫滅火的作用。因此，注射高分子凝膠漿更適用于出現(xiàn)高溫或點(diǎn)，需迅速控制和直接滅火的工作面發(fā)火點(diǎn)。注高分子凝膠雖具有快速有效滅火特點(diǎn)，但通過(guò)注膠釬管注膠，當(dāng)高溫發(fā)火點(diǎn)位于注釬管伸不到的采空區(qū)深部時(shí)，注凝膠方法也難奏效。注凝膠滅火通常更適用于對(duì)支架部位及支架后部一定范圍的落山滅火。除注氮和注凝膠外，采空區(qū)撒阻化濟(jì)、探索抽放負(fù)壓、流量的控制與漏風(fēng)關(guān)系等方法，對(duì)防治煤層自燃已具有一定的輔助作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

礦井煤層自燃發(fā)火防治是一項(xiàng)綜合性技術(shù)管理工作，涉及到煤層自燃發(fā)火的機(jī)理，又涉及到現(xiàn)場(chǎng)滅火防治技術(shù)及措施的實(shí)施應(yīng)用。總結(jié)礦井煤層自燃防治工作基本方法和步驟為：a.與科研院校合作，測(cè)定煤層自燃傾向性，認(rèn)知開采煤層自燃傾向等級(jí)及危險(xiǎn)性，為制定防治方案提供科學(xué)依據(jù)。b.建立束管檢測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)、準(zhǔn)確、適時(shí)掌握測(cè)點(diǎn)氣樣成分及溫度，提交預(yù)測(cè)分析報(bào)告，制定針對(duì)性的操作性技術(shù)措施。c.根據(jù)具體情況選擇采空區(qū)注氮惰化處理；注凝膠滅火及其他滅火方法。

總之，如能根據(jù)具體情況對(duì)各種防治方法綜合應(yīng)用與組合，并不斷總結(jié)與改進(jìn)，防治礦井煤層自燃發(fā)火工作一定會(huì)取得效果。

[1]周心權(quán)，鄔燕云，朱紅青，等.煤礦災(zāi)害防治科技發(fā)展現(xiàn)狀對(duì)策分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002（1）：1-6.

[2]王省身，張國(guó)樞.礦井火災(zāi)防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004.

Cause Analysis and Control of Spontaneous Combustion in High-gas and Inflammable Seams

LIU Yingming
(Yangquan Coal Group,Yangquan 045000,China)

Increased proportion of thick seam mining,with other factors,including float coal left behind in mined-out areas and air leak in caving face,causes more frequent spontaneous combustion, which has become a worsening problem threatening the safe production in mines.The paper studies its causes and proposes the prediction for the spontaneous combustion and effective fire control techniques and equipment to ensure the safe and efficient mining in the inflammable seams.

coal seams;spontaneous combustion;control

TD75

A

1672-5050（2015）01-0008-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.004

（編輯：武曉平）

2014-10-15

劉英明（1970-），男，山西壽陽(yáng)人，大學(xué)本科，工程師,從事通風(fēng)技術(shù)管理工作。