特厚煤層綜放工作面安全開采防滅火技術體系研究

梁運濤，田富超，景珂寧，孫勇，劉春剛

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧沈陽 110016；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州 221008；3.大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西大同 037003））

特厚煤層綜放工作面安全開采防滅火技術體系研究

梁運濤1,2，田富超1,2，景珂寧3，孫勇1，劉春剛1

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧沈陽 110016；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇徐州 221008；3.大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西大同 037003））

針對特厚煤層大采高綜放工作面采空區漏風量和丟煤量增加、采空區自燃“三帶”分布規律發生較大的變化、采空區自燃問題突出的特點，本文應用紅外光譜分析技術研究了特厚煤層綜放工作面自然發火規律，實現了自然發火的分級預警，確定了塔山煤礦煤樣氧化自燃標志性氣體應采用以CO為主，C2H4為輔的指標體系，建立了以注氮為主的綜合防滅火技術體系，為大采高綜放工作面火災防治提供了技術保障。

特厚煤層；紅外光譜；自然發火；分級預警；制氮裝置

1 引言

厚煤層綜放工作面開采具有高產、高效、高回收率特點，對我國煤炭工業的發展具有重要影響，隨著國民經濟的持續快速發展和人民生活水平的不斷提高，能源消費將維持較高增長速度。得益于特厚煤層放頂煤開采技術和裝備水平的提升，綜放工作面煤炭產量逐年提高，一次采出厚度及放頂高度大，引起采空區漏風量和丟煤量增加，工作面煤塵量增加等[1-3]。原有的采空區自燃“三帶”分布規律已經不適用于特厚煤層大采高綜放工作面，開采時面臨著全新的瓦斯、火災防治等問題，嚴重地制約綜放面機械化采煤優勢的發揮，造成巨大的經濟浪費[4-6]。

據統計，目前已建成和正在建設的千萬噸級礦井主采煤層均為厚及特厚煤層，這些千萬噸級高效現代化礦井（如大同礦區的塔山礦）均面臨著瓦斯、火災、煤塵等問題，嚴重制約了工作面的生產[7-8]，主要表現：一是煤層開采強度大且不均衡，造成工作面上隅角和回風瓦斯常超限，工作面被迫停產；二是工作面風量增加、放煤高度大，造成采空區漏風嚴重，煤炭自然發火的危險性增加[9-11]。上述問題在我國煤礦厚煤層綜放工作面具有共性，極大地限制了高效能采煤技術裝備的發揮，并給礦井的安全生產帶來了隱患。

針對厚煤層大采高綜放工作面采空區漏風量和丟煤量增加、瓦斯空間分布及采空區自燃“三帶”分布規律發生較大的變化、采空區自燃問題突出的特點，本文應用紅外光譜分析技術研究了特厚煤層綜放工作面自然發火規律，建立了以注氮為主的綜合防滅火技術體系，為大采高綜放工作面火災防治提供了技術保障。

2 厚煤層綜放工作面自然發火規律研究

塔山礦位于大同煤田東翼中東部邊緣地帶，在大同市西南，距市區約30 km。井田東西走向長17.22～20.84 km，平均走向長24.3 km，南北傾斜寬9.36～12.56 km，平均傾斜寬11.7 km，井田面積170.91 km2。

塔山煤礦3-5#煤層原始瓦斯壓力為0.14～0.17 MPa，煤層瓦斯含量為1.6～1.97 m3/t，平均為1.78 m3/ t。煤層透氣性系數為171.71～428.80 m2/MPa2·d，百米鉆孔瓦斯流量為0.015～0.0212 m3/min·hm；鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.602～0.7427d-1。3-5#煤層原煤瓦斯殘存量為1.17 m3/t。煤層屬自燃煤層，最短發火期為60天；煤層具有煤塵爆炸的危險性，爆炸指數為37%。

2.1 煤樣氧化過程中不同溫度下結構和官能團的變化規律

煤分子官能團結構的研究方法可分為物理和化學研究方法。其中物理方法有，X射線衍射圖譜分析、紅外吸收光譜研究、核磁共振波譜研究、質譜研究、計算機斷層掃描、電子透射、掃描顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。本文采用是紅外光譜研究方法，將煤樣在實驗室條件下升溫氧化自燃，應用紅外光譜檢測分析技術研究煤分子結構及化學鍵和官能團在不同溫度下的變化規律并與應用量子化學理論研究的煤的自燃機理結論進行對比，驗證了理論研究的可靠性與正確性[12-14]。

實驗煤樣是塔山8105綜放工作面煤樣。實驗儀器采用德國生產的TENSOR27型傅利葉變換紅外光譜儀，將煤樣在STA6000型綜合熱重分析儀上加熱，實驗條件為：將煤樣研磨成顆粒度＜250目，升溫為速率為5℃·min，反應氣體流速為N2，O2，分別為40 ml/min和l0ml/min，模擬在空氣中氧化自燃，從室溫開始加熱，每間隔20℃將煤樣做KBr壓片，樣品與KBr的比率為1：180，作定量分析，累加掃描次數32次。以下是塔山8105綜放工作面煤樣氧化過程中不同溫度下的紅外光譜圖。

圖1 塔山礦8105綜放工作面煤樣不同溫度紅外光譜圖

根據氧化燃燒生成的氣體紅外光譜圖可知，煤氧化燃燒生成的氣體產物有H2O、CO2、CO、CH4和C2H4等五種生成物。在煤的分子結構中，在300℃以下能生成以上5種物質的官能團有胺基、甲基、烯烴基團、R-XCH3基團、芳香甲基、芳香亞甲基、羧酸、酯等。通過實驗測試，得出如下結果：

（1）從煤樣在不同溫度下氧化自燃紅外光譜圖官能團變化的峰面值來看，從室溫25℃～100℃的升溫過程中，煤分子中胺基基團的紅外光譜圖峰面值變小。從紅外光譜圖峰面值變化曲線來看，在25℃～100℃胺基基團峰面值變化的斜率比其它基團的斜率都大，說明煤在氧化自燃的開始階段，主要是胺基基團中的氫被氧化生成了水，并放出熱量。

（2）從乙烯基團-CH=CH2的氧化峰面值來看，從室溫～120℃峰面值逐漸變小，到120℃～170℃以后峰面值變大，說明從室溫～100℃的氧化過程中與苯環相連的-CH=CH2被氧化生成CO、CO2、H2O等。到120℃～170℃以后峰面值變大，說明苯環斷裂，生成大量的-CH=CH2基團和乙烯。

2.2 大采高綜放工作面煤的自燃傾向性規律

熱重分析法是研究氧化動力學反應常用的一種經典方法，該法操作簡單，靈敏度高，具有快速、準確和直觀等特點，通過TG和DSC曲線進行定性和定量分析，可以獲得有關樣品氧化自燃過程中的重要信息以及相應過程的反應動力學參數。實驗選取8105綜放工作面煤樣，熱重分析是在STA6000型綜合熱重分析儀上進行的。實驗條件為：將煤樣研磨成顆粒度＜50 mm，升溫速率為5℃min-1，反應氣體N2、O2流速分別為40 ml/min和10 ml/min，模擬在空氣中氧化自燃，樣品質量為13～14 mg，反應溫度范圍為25～800℃，得到的TG-DSC曲線和程序升溫曲線如圖2所示。

（1）從TG曲線可以看出，煤氧化自燃過程可分為三個階段：失水失重階段、氧化增重階段和燃燒失重階段。DSC曲線表明，在失水失重階段中，從25℃～60℃左右為吸熱反應，之后為放熱反應，到大約400℃之后為吸熱反應。在煤的自燃過程中，一般在25℃～60℃要吸收熱量。所吸收熱量的來源是煤與氧發生物理化學吸附的吸附熱。

圖2 塔山8105綜放工作面煤樣25-600℃升溫氧化熱重曲線圖

（2）從加熱失重到失重結束轉為增重階段的溫度為失水溫度結束點，從增重階段轉為失重階段的溫度為著火溫度。實驗煤樣的著火與失水溫度結束點見表1。

表1 實驗煤樣各階段溫度匯總表

（3）溫度繼續升高，約在400℃，煤樣在DSC曲線上出現了第一個放熱峰，此峰點對應溫度反映了揮發物的最大燃燒溫度，從放熱轉為吸熱，從而也指示著煤焦的開始燃燒。

2.3 大采高綜放面煤樣氧化自燃生成的指標性氣體

應用熱重分析儀和紅外光譜儀聯用的方法，分析塔山煤礦8105綜放面煤樣在升溫氧化過程中煤結構和官能團的變化規律，研究此種煤樣在不同溫度下煤氧化自燃生成氣體的紅外光譜圖譜，確定此煤樣在氧化自燃過程中在不同溫度下出現的指標性氣體。研究結果表明，采空區自然氧化過程監測應以CO氣體為主，C2H4氣體為輔的標志氣體。煤氧化自燃生成的氣體產物有H2O、CO2、CO、CH4和C2H4等五種生成物。在加熱到30～100℃左右有水和二氧化碳體析出，溫度升至100～150℃左右時，有CO生成，溫度升至120～170℃左右時，有CH4和C2H4生成。在溫度達到200～300℃時，H2O、CO2、CO、CH4和C2H4出現強峰，但強峰出現后CH4和C2H4由強變弱再變強，說明CH4和C2H4由側鏈、苯環和環烷生成的。在溫度低的時候生成的CH4是由甲基支鏈生成的，C2H4是由帶乙烯基的側鏈生成；當溫度很高的時候，生成的CH4和C2H4是由芳香環和環烷生成的，因此，采空區煤氧化自然發火標志氣體應以CO氣體為主，C2H4氣體為輔。

3 大采高綜放工作面防滅火技術研究

3.1 大采高綜放工作面采空區漏風測定

塔山礦8105工作面部分新風經過采空區進入回風順槽，屬于內部漏風。漏風的原因：當有漏風通路存在，并在其兩端有壓差時，就可產生漏風。漏風風流通過孔隙的流態，視孔隙情況和漏風大小而異。

（1）8105綜放工作面采空區風流流場模擬

塔山煤礦8105綜放工作面運輸順槽斷面積為21.86 m2，入風風速測量平均為2.11 m/s，回風順槽斷面積為21.98 m2，回風風速測量平均為2.13 m/s，建立了一源一匯的二維模型，并對其利用GAMBIT軟件進行網格化，將坐標原點定在工作面下端頭入風側，指向采空區的方向為X軸正方向，指向工作面的方向為Y軸正方向，兩方向的步長均取1 m，即網格大小為1 m× 1 m，網格數量共計29 946個。由于工作面空間存在支架立柱、梁，采煤機機組，人員設備等，增加了工作面通風阻力，因此，將這四部分都定義成為多孔介質區，采空區風阻壓力等值線見圖3。

圖3 風阻壓力等值線分布

圖4 采空區漏風流線分布

圖4為采空區漏風流場流線圖，可以看出：U型通風一源一匯工作面漏風流場流線在假設采空區介質均勻分布的條件下呈對稱分布；距離入風巷道煤柱側越近的漏風分流，漏入采空區的深度越大。因此，在工作面下隅角位置要防止風流直接流入采空區，工作面推進后，入風巷要及時撤除支護使其迅速冒落。

（2）漏風測定數據

經過2010年10月22日、10月23日兩次測風，得出8105工作面漏風量。根據10月22日數據，運輸順槽進風量為2 820.06 m3/min，回風順槽風量為2 856.214 m3/min，依據各測點風量的變化情況確定漏風量為355.731 m3/min；根據10月23日數據，運輸順槽進風量為2 770.975 m3/min，回風順槽風量為2 806.378 m3/min，依據各測點風量的變化情況確定漏風量為522 m3/min。取10月22日與10月23日測風平均值，得到8105工作面采空區漏風風量為439 m3/min。

3.3 采空區自燃“三帶”的確定

采空區松散煤體及巖體各為均勻多孔介質，計算區域內，流體密度不變，空氣滲流符合達西定律。空氣中的氧與煤反應而被消耗，同時產生CO2等氣體，氣體消耗量與產生量相等，使空氣總量不發生變化。空氣中各組分按照Fick定律從濃度高處向低處擴散。由于煤自燃過程非常緩慢，認為在正常生產中，采空區的滲流、擴散及化學反應是穩態過程，根據實測采空區溫度在回采過程中變化不大，因此不考慮熱傳導。因而“三帶”劃分的依據為，散熱帶：漏風風速＞1.2 m3/min· m2；窒息帶：氧濃度＜7%；自燃帶：（漏風風速＜1.2 m3/ min·m2）∩（氧濃度＞7%）。

圖5 8105綜放工作面采空區氧濃度7%等值線圖

采空區進入窒息帶時，漏風風流基本消失，因此采用氧濃度指標來劃分自燃帶和窒息帶，8105綜放工作面窒息燃燒的最低氧濃度為7%以下。根據8105綜放工作面回風順槽5105巷氧氣濃度實際監測數據，當氧氣濃度降為7%以下時，工作面推進距離達到91 m。

圖5為氧氣濃度在7%的各點位置擬合出采空區窒息帶位置示意圖，塔山礦8105工作面采空區散熱帶從切頂線計算寬度平均為50 m；自燃帶主要分布在距離切頂線2～98 m；窒息帶主要分布在距工作面切頂線98 m之后。

4 井下工藝及應用

塔山煤礦采空區防滅火以注氮為主，同時結合黃泥注漿、三項泡沫和上下端頭壘砌沙土墻堵漏風的綜合防滅火措施。氮氣防滅火技術的實質是將氮氣送入擬處理區，使該區域空氣惰化，氧氣濃度降低到煤自然發火的臨界濃度以下，以抑制煤的氧化自燃，直到火區窒息的防滅火技術，是行之有效的礦井火災防治方法[15-18]。

4.1 注氮量的計算

工作面防火注氮流量的大小主要取決于采空區的幾何形狀、氧化帶空間大小、巖石冒落程度、漏風量大小及區內氣體成分的變化等諸多因素，按照MT/T701-1997（煤礦用氮氣防滅火技術規范）標準中推薦的計算方法為按采空區自燃帶氧含量計算，此法計算的實質是將采空區自燃帶內的原始氧含量降到防火惰化指標以下，按下式計算注氮流量：

式中：QN—注氮流量，m3/h；

Q0—采空區自燃帶內漏風量，m3/min；

C1—采空區自燃帶內平均氧濃度，7%～21%，取14%；

C2—采空區惰化防火指標，取7%；

CN—注入氮氣中的氮氣濃度，97%；

k—備用系數，一般取1.2～1.5，現取1.3。

塔山煤礦8105工作面采空區自燃帶范圍為2～98 m，自燃帶中部位置為距離工作面切頂線50 m處，此處氧氣濃度為11.5%，可求得采空區自燃帶漏風量為28.5 m3/min。要把采空區惰化到7%則計算所需注氮量為：

根據以上計算可知，在現有注氮量2 500 m3/h的情況下，塔山煤礦8105綜放工作面還需注氮3 890 m3/ h以上，才能使自燃帶平均氧濃度下降到7%以下。

4.2 注氮工藝及方式

針對塔山煤礦8105綜放工作面的實際開采條件，優化了注氮參數，制定相應的注氮工藝和方法。采用地面三套制氮設備進行綜放工作面采空區自燃帶注氮防火，經過計算，注氮量需在原有2 500 m3/h的基礎上增加3 890 m3/h，才能使自燃帶平均氧濃度下降到7%以下。采用埋管注氮工藝，在工作面的進風側沿采空區埋設一趟注氮管路，當埋入一定深度后開始注氮，同時又埋入第二趟注氮管路（管口移動步距50米）；當第二趟注氮管口埋入采空區自燃帶中部后向采空區注氮，同時停止第一趟管路的注氮，并又重新埋設注氮管路，如此循環，直止工作面采完為止。注氮方式根據對火情的預測情況而定，在注氮2500 m3/h的情況下，推進速度Vmin=1.4 m時，必須采取連續注氮方式；推進速度Vmin＜1.4 m/d或停產時，必須加大注氮量，若停采時間達68天以上時，注氮量不小于6 390 m3/h；當工作面推進速度Vmin＞1.4 m/d時，可適當減少注氮量。

采用上述方法和工藝，有效改變了特厚煤層大采高綜放工作面采空區自燃“三帶”分布狀況，自燃帶平均氧濃度下降到7%以下，大大減少“自燃帶”分布范圍，將采空區自燃危險性降至最低，有效防止了大采高綜放工作面火災的發生，保證了8105工作面的安全開采。

5 結論

（1）應用紅外光譜分析技術研究了煤樣氧化過程中不同溫度下結構和官能團的變化規律、大采高綜放工作面煤的自燃傾向性規律，根據不同溫度下煤樣生成氣體的光譜曲線實現了自然發火的分級預警，確定了塔山礦煤氧化自燃標志性氣體應以CO為主，C2H4為輔，得到了特厚煤層綜放工作面自然發火規律。

（2）開展了大采高綜放工作面采空區漏風測定和采空區“三帶”研究，通過實測分析了和采空區氣體成分變化規律，確定了8105工作面采空區漏風量439 m3/ min，得出塔山煤礦8105綜放采空區散熱帶寬度平均為50 m；自燃帶主要分布在距離切頂線2～98 m；窒息帶主要分布在距工作面切頂線98 m之后。

（3）建立了以注氮為主的綜合防滅火技術體系，采用注氮防滅火方法和工藝，有效改變了特厚煤層大采高綜放工作面采空區自燃“三帶”分布狀況，自燃帶平均氧濃度下降到7%以下，大大減少“自燃帶”分布范圍，保證了塔山礦8105工作面的安全有序推進。

[1]梁運濤,侯賢軍,羅海珠,田富超等.我國煤礦火災防治現狀及發展對策[J].煤炭科學技術,2016,44(6):1-6.

[2]Jinhua Wang,Bin Yu,Hongpu Kang,Guofa Wang,Debing Mao,Yuntao Liang.Key technologies and equipment for a fully mechanized top-coal caving operation with a large mining height at ultra-thick coal seams [J].Int J Coal Sci Technol(2015)2(2):97-161.

[3]運濤.煤炭自然發火預測預報的氣體指標法[J].煤炭科學技術,2008, 36(6):5-8.

[4]徐精彩,文虎,張辛亥,等.綜放面采空區遺煤自燃危險區域判定方法的研究[J].中國科學技術大學學報,2002,32(6):672-677.

[5]梁運濤,宋雙林,羅海珠,等.煤自然發火期計算模型及其解析解[J].煤炭學報,2015,40(9):2110-2116.

[6]梁運濤.煤炭自然發火預測預報的氣體指標法[J].煤炭科學技術, 2008,36(6):5-8.

[7]李淵.塔山礦綜采工作面綜合防滅火技術研究[J].中國西部科技, 2009,36(8):2-7.

[8]張政源.綜放工作面采空區自然發火因素模擬及防滅火措施[J].煤炭科學技術,2013,41增(7):59-62.

[9]梁運濤,羅海珠.中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢[J].煤炭學報, 2008,33(2):127-133.

[10]程衛民.礦井煤炭自燃的綜合防治技術及其實踐[J].西北煤炭, 2007(3):17-22.

[11]高廣偉.中國煤礦氮氣防滅火的現狀與未來[J].煤炭學報,1999,24 (1):48-52.

[12]Liang Yuntao,Tian Fuchao,Luo Haizhu,Tang Hui.Characteristics of coal re-oxidation based on microstructural and spectral observation[J]. International Journal of Mining Science and Technology,25(2015)749-754.

[13]梁運濤,湯曉君,羅海珠,等.煤層自然發火特征氣體的光譜定量分析[J].光譜學與光譜分析,2011,31(9):2481-2487.

[14]梁運濤,孫勇,羅海珠,等.基于小樣本的煤層自然發火烷烴氣體的光譜分析[J].煤炭學報,2015,40(2):371-376.

[15]郝宇,劉杰,王長元,等.綜放工作面超厚煤層注氮防滅火技術應用[J].煤礦安全,2008(8):41-44.

[16]仝喜亮,孟繼華.大型制氮機系統設計應用[J].科技信息,20109, 28:361-367.

[17]文虎,徐精彩,葛嶺梅,代愛萍.采空區注氮防滅火參數研究[J].湘潭礦業學院學報,2001,16(2):1786-1791.

[18]張政源.大流量井下移動式碳分子篩制氮裝置的研制[J].煤礦機電,2014,5:117-119.

Research on fire prevention technology system of thick coal seam fully mechanized working face mining

LIANG Yun-tao1,2;TIAN Fu-chao1,2;JING Ke-ning3;SUN Yong1; LIU Chun-gang1
(1.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology,Shenyang Research Institute of China Coal Technology Engineering Group,Shenyang Liaoning 110016,China;2.School of Safety Engineering,China University of Mining& Technology;Xuzhou Jiangsu 221008,China;3.Tongda Technology Institute,Datong Coal Mine Goup,Datong Shanxi 037003,China)

For the characteristics of the increase of leakage air volume and waste coal quantity,larger change of spontaneous combustion“three zones”distribution and serious spontaneous combustion problem in goaf of thick coal seam large mining height fully mechanized working face,the spontaneous combustion rule of thick coal seam fully mecha?nized working face is studied by using the infrared spectrum analysis technology,the graded warning of spontaneous com?bustion is implemented,the oxidized spontaneous combustion characteristic gas of Tashan Coal Mine coal sample that should use the index system of majority CO and C2H4supplement is determined,the comprehensive fire prevention tech?nology system of majority nitrogen injection is set up,this provides the technical support for the fire prevention and con?trol of large mining height full mechanized working face.

Thick coal seam;Infrared spectrum;Spontaneous combustion;Spontaneous combustion three zones; Making nitrogen process

TD753

A

1000-4866(2016)06-0001-06

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.001

2016-12-10

國家自然科學基金面上基金資助項目(51574148);國家國際科技合作專項項目(2015DFA61250);國家十三五重點研發計劃課題(2016YFC0801608)

梁運濤，1974出生,男,河北晉州人,研究員,博士生導師.主要從事礦井通風防滅火及瓦斯防治方向的研究.