M8號煤層采空區自然發火防治研究

何鵬虎

（重慶能投渝新能源有限公司打通一煤礦， 重慶 401445）

引言

打通一煤礦隸屬重慶能投渝新能源有限公司，礦區位于渝黔交界處，座落在綦江縣打通鎮境內。井田內自上而下有6號、7號、8號三層煤可采，自燃傾向性等級均為Ⅱ類，屬自燃煤層。M8號煤層采空區自然發火影響礦井正常的安全生產，面對礦井M8號煤層采空區自然發火防治的嚴峻形勢，打通一煤礦在2013年12月開始對M8號煤層采空區進行了現場資料收集及調查，本次工作以采空區自然發火有關資料為主要研究手段。在充分收集相關采空區自然發火資料基礎之上，打通一煤礦于2014年10月編制完成了《M8號煤層采空區自然發火防治研究報告》，為以后M8號煤層采空區自然發火防治工作提供了科學的量化決策支撐。

1 煤炭自燃過程

根據現有研究成果，煤炭的氧化和自燃是基—鏈反應。煤炭自燃過程大體分為三個階段：準備期、自熱期、燃燒期。煤炭自燃過程如圖1所示。

圖1 煤炭自燃過程

1）準備期煤體溫度變化不明顯，煤的氧化進程十分平穩緩慢，然而它確實在發生變化，煤的重量略有增加，著火點溫度降低，氧化性被活化。由于煤的自燃需要熱量的聚集，在準備期因環境起始溫度低，煤的氧化速度慢，產生的熱量較小，因此需要一個較長的蓄熱過程。

2）自熱期煤的氧化速度增加，不穩定的氧化物分解成水、二氧化碳、一氧化碳。氧化產生的熱量使煤溫繼續升高，超過了自熱的臨界溫度煤溫上升急劇加速，氧化進程加快，開始出現煤的干餾，產生芳香族的碳氫化合物、氫、更多的一氧化碳等可燃氣體。

3）燃燒期煤體達到了臨界溫度點，煤氧化的產熱與煤所在環境的散熱就失去了平衡，即產熱量將高于散熱量，就會導致煤與環境溫度的上升，從而又加速了煤的氧化速度并產生更多的熱量便燃燒起來。

2 E2805工作面采空區概況

2.1 采空區位置

E2805工作面井下位于魚跳背斜北翼東部＋350水平下山部分，屬已保護的東區8號煤層第二塊工作面，首采工作面為E2803工作面。工作面標高為186～343 m，地面標高640～738 m。工作面地表位置位于馬柒頂、碓窩埡口、白石壩、哨坑崗一帶。E2805工作面位于E2703、E2705保護層工作面采空區以下的8號煤層。工作面以西為已采完的E2803工作面，工作面以東為正在回采的E2807工作面。工作面以南為北東區7號軌道巷。

2.2 采空區面積、煤層賦存情況

E2805工作面走向長207 m，傾斜長度809 m，面積167 463 m2。

E2805工作面煤層賦存較穩定,煤層傾角8°～12°，傾向334°，下分層平均煤厚2.33 m，工作面東北部局部煤層上下分層合并，夾矸變薄至消失，厚度達3.60 m，工作面西南部局部煤層變薄，厚度為1.10 m。

2.3 E2805工作面通風方式

E2805工作面采用“U型+尾排” 通風方式。

進風:東區軌道下山→+295集中皮帶巷→E2805進風斜坡→E2805運輸巷→E2805工作面。

回風（前期）:E2805工作面→E2805回風巷→E2803回風小斜坡→回風立眼→E6號軌道巷→東區1號回風斜坡→+306總回風巷→N18號、N19號、N20號、N21號瓦斯巷→西風井。

回風（后期）:E2805工作面→E2805回風巷→回風立眼→E2805回風斜坡→東區1號瓦斯巷→+306總回風巷→N18號、N19號、N20號、N21號瓦斯巷→西風井。

尾排:E2805回風巷1號尾排立眼→東一石門→E1號瓦斯巷→+306總回風巷→N18號、N19號瓦斯巷→西風井；E2805回風巷2號、3號尾排立眼→E1號瓦斯巷→+306總回風巷→N18號、N19號、N20號、N21號瓦斯巷→西風井。

E2805工作面回采時瓦斯涌出量約為6 m3/min，回采期間工作面配風為820 m3/min,其中尾排風量約為200 m3/min。

2.4 E2805工作面穿層鉆孔位置分布情況

E2805工作面的穿層預抽鉆孔施工在E區E2號瓦斯巷和E1號瓦斯巷內。

E2805工作面采用傾斜長壁后退式仰斜開采法。

2.5 E2805工作面采空區封閉情況

E2805工作面在2010年8月開始回采，于2011年8月回采結束。工作面回采結束后及時將E2805工作面的尾排聯絡巷進行了封閉，將E2805工作面回風斜坡施工的1組密閉墻進行封閉，在E2805回風巷施工的4道密閉墻進行封閉；在E2805工作面運輸巷施工的1道沙袋墻、2組密閉墻進行封閉。因E2807尾部斜坡尾排回風風量小、瓦斯大，2014年7月13日已對E2807尾部斜坡進行密閉（密閉時E2807工作面切割巷距1號尾排立眼約27 m），2014年8月9日對E2805溜煤眼上口聯絡巷施工了1道密閉墻，2014年8月12日E2805溜煤眼聯絡巷橫巷施工1道密閉墻并將運輸巷密閉墻和溜煤眼上口聯絡巷密閉墻注漿管和取樣管延伸到該密閉墻上。E2805工作面沒有單獨施工放水孔，而是選擇大直徑尾排孔和尾部斜坡排水。工作面采空區出現溫度和一氧化碳超標時已經回采結束，采空區已經封閉2年。E2805工作面采空區密閉位置關系及通風系統示意圖如圖2所示。

圖2 E2805工作面采空區密閉位置關系及通風系統示意圖

3 自然發火標志氣體指標測定

根據2014年7月中煤科工集團重慶研究院有限公司對打通一煤礦M8號煤層自然發火標志氣體指標的測定報告結論，其指標氣體選擇如下[1]：

1）在30～200℃之間，可以選擇CO作為該溫度段內的標志氣體。當通風量變化不大的情況下，CO濃度上升到日常量一倍時，說明自燃煤炭的溫度已經達到100℃左右。特別注意，只要發現井下CO持續存在且濃度不斷增加就是煤炭自燃的征兆。

2）在180～200℃之間，烯烴隨溫度升高量逐漸增大，但是由于C2H4的量較少，不建議采用作為指標氣體。

4 工作面采空區自然發火預測預報

2013年11月28 日礦救護中隊對E2805采空區密閉進行取樣化驗，化驗結果顯示E2805運輸巷密閉墻內溫度44℃，一氧化碳濃度（質量分數）為30×10-6；從11月28日開始取樣化驗周期由7天變為每天取樣化驗。11月30日E2805運輸巷密閉墻內溫度50℃，一氧化碳濃度（質量分數）為328×10-6；12月1日E2805運輸巷密閉墻內溫度58℃，一氧化碳濃度（質量分數）為182×10-6；12月4日E2805運輸巷密閉墻內溫度48℃，一氧化碳（質量分數）為167×10-6。2014年1月10日因E2807工作面投產調整通風系統回風負壓提高，1月11日E2805運輸巷密閉墻內溫度33℃，一氧化碳濃度（質量分數）為156×10-6，1月12日運輸巷密閉墻內溫度36℃，一氧化碳（質量分數）為817×10-6，經調整通風系統降低E2807回風巷通風負壓，1月17日E2807運輸巷密閉墻內溫度25℃，一氧化碳濃度（質量分數）為17×10-6。

2014年9月5 日早班取樣化驗發現E2805回風巷密閉墻內溫度24℃，一氧化碳濃度（質量分數）為372×10-6，9月8日中班E2805回風巷密閉墻內溫度27℃，一氧化碳濃度（質量分數）為941×10-6，9月9日中班調整E7號軌道巷通風系統由回風變為進風，調系統前取樣化驗E2805回風巷密閉內一氧化碳濃度（質量分數）為587×10-6，調整系統后密閉內一氧化碳濃度為0，9月9日夜班E區6號軌道巷W頭密閉取樣化驗一氧化碳濃度（質量分數）為863×10-6。

從2014年1月17日至9月5日E2805采空區未出現一氧化碳超標，9月5日早班取樣化驗發現E2805回風巷密閉墻內一氧化碳濃度（質量分數）為372×10-6。圖3是E2805運輸巷密閉一氧化碳變化曲線圖，圖4是E2805回風巷密閉一氧化碳變化曲線圖。

圖3 2013年11月至2014年1月E2805運輸巷密閉一氧化碳濃度變化曲線圖

圖4 2014年9月E2805回風巷密閉一氧化碳變化曲線圖

5 M8號煤層自然發火原因分析

1）施工相鄰工作面E2807綜采工作面尾部斜坡采取將E2805尾部斜坡下平巷密閉啟封，沿用原E2805尾部斜坡的方式進入E2807綜采工作面，因E2805尾部斜坡上平巷密閉墻頂板不完好向E2805采空區漏風。圖5為E2805尾部斜坡上平巷密閉漏風示意圖。

2）E2805工作面回采期間只采M8號煤層下分層未回采上分層，導致采空區遺煤多，在長時間微弱通風的情況下導致遺煤被氧化甚至發熱，溫度及一氧化碳異常。

3）工作面采空區密閉施工結束后未對采空區實施防止自然發火的灌漿、注氮等相關預防性措施。

圖5 E2805尾部斜坡上平巷密閉漏風示意圖

4）E2805工作面回采結束后E1號瓦斯巷、E2號瓦斯巷內穿層抽放鉆孔撤除封堵后仍有可能漏氣。

5）礦井地壓大，巷道失修嚴重，巷道變形圍巖松動，閉墻氣密性差。

6）通風系統調整打破采區均勻狀態。

6 防治M8號煤層自然發火技術措施

1）M8號煤層采煤工作面開采過程中配風量必須嚴格按照配風計劃和松藻煤電公司尾排批復文件進行工作面配風；M8號煤層采煤工作面末采或開采接近采止線時，有效風量應控制在500 m3/min左右，及時調整通風負壓；M8號煤層采煤工作面支架及設備回撤過程中有效風量應控制在300 m3/min左右，及時調整通風負壓。

2）M8號煤層采空區密閉墻應選擇在圍巖穩定的位置施工，密閉墻掏槽深度符合要求，確保密閉墻施工質量，提高采空區密閉氣密性。

3）M8號煤層工作面回采期間應加強浮煤清收，減少采空區遺留浮煤，按照規定對M8煤層回采工作面采空區進行灌漿。

4）M8號煤層工作面采空區密閉施工結束后及時對采空區實施防止自然發火的灌漿、注氮等相關預防性措施。

5）M8號煤層工作面回采結束后及時對底板瓦斯巷道內穿層抽放鉆孔撤除封堵后，在不影響礦井生產部署的情況下可直接對底板瓦斯巷道進行封閉。

6）對M8號煤層采空區密閉位置處巷道變形及圍巖松動情況進行檢查，發現問題后及時處理。

7）通風系統調整后，及時對M8號煤層相鄰采空區密閉內外壓差進行檢查，保持密閉處于均勻狀態。

7 M8號煤層采空區自然發火研究效果分析

通過M8號煤層采空區自然發火防治項目的開展以及項目研究效果的應用，對打通一煤礦M8號煤層采空區自然發火安全管理起到了一定的積極作用[2]。具體如下頁圖6、圖7所示，可以全面、直觀、清晰地展現M8號煤層采空區自然發火防治效果。

圖6 2014年1月至3月E2805運輸巷密閉一氧化碳濃度變化曲線圖

8 結論

通過M8號煤層采空區自然發火防治項目的開展以及項目研究效果的應用，對打通一煤礦M8號煤層采空區自然發火安全管理工作起到了一定的積極作用，主要體現在以下幾個方面。

1）在該項目開展工作中，通過對打通一煤礦井下M8號煤層采空區氣體濃度參數分析、M8號煤層自然發火標志性氣體鑒定、自然發火原因分析、采取預防性防滅火措施等工作，提供了M8號煤層采空區自然發火安全管理的參考依據，為今后M8號煤層采空區自然發火安全管理提供基礎數據。

2）當M8號煤層采空區溫度在30～200℃之間，可以選擇CO作為該溫度段內的標志氣體。當通風量變化不大的情況下，CO濃度上升到日常量1倍時，說明自燃煤炭的溫度已經達到100℃左右，只要發現M8號煤層采空區CO持續存在且濃度不斷增加，出現煤炭自燃的征兆時，可對M8號煤層采空區采取自然發火預防性措施進行處理。

圖7 2014年9月E2805回風巷密閉一氧化碳濃度變化曲線圖

3）該研究效果可應用于打通一煤礦所有M8煤層采空區自然發火防治工作，為今后防滅火工作提供科學的量化決策支撐。