木瓜煤礦綜采面采空區防滅火技術應用

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

綜采工作面采空區自然發火是威脅煤礦安全高效生產的重要因素之一。我國50%以上的礦井面臨著采空區自燃的威脅，90%以上的礦井火災由采空區自然發火引起[1]。采空區遺煤自燃將毀壞礦井設備、污染礦井風流、威脅人員安全并造成重大經濟損失。因此，采空區自然發火的預防和治理對實現礦井的安全高效生產具有重要意義。為實現木瓜煤礦10#煤層的安全高效開采，針對10#煤層工作面采空區自燃問題，篩選出自燃標志性氣體，用于指導現場煤自燃的預測預報工作；采取有效的防滅火措施，以提升煤礦的防滅火技術水平。

1 工程概況

山西霍州煤電木瓜煤礦位于方山縣大武鎮木瓜村南部，行政區劃隸屬方山縣管轄，井田面積為10.63 km2，井田內地勢西高東低，最高點標高+1320.1 m；最低點標高+979.0 m；最大高差341.1 m。井田內可采煤層為3#、5#、9#、10#煤層，目前主采9#和10#煤層，礦井年生產能力為150萬噸。10#煤層位于太原組下部，與9#煤層平均間距為6.4m，煤層厚度為1.2～6.52m、均厚3.27m，在擴區東南部及西南部8#、9#、10#煤合并為一層，合并厚度3.30～6.52m，屬全區可采的穩定煤層。10#煤層煤的吸氧量為0.65 cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。

2 標志性氣體分析

2.1 實驗分析

采空區自然發火是由于采空區遺煤發生劇烈氧化反應，煤體與氧氣發生化學反應后，會產生各種氣體彌散在采空區空氣中，因此可通過監測采空區內對應氣體濃度的變化來判斷采空區是否出現自然發火的現象。根據以往的研究表明，不同礦井的煤質成分差異很大，煤體自燃產生氣體的種類和濃度也存在明顯差異，因此不同煤礦采空區自然發火預測預報標志性氣體不同，為準確監測、預測、判別10#煤層采空區自然發火情況，需對10#煤層進行升溫氧化實驗，確定其標志性氣體。按照《GB482-2008煤層煤樣采取方法》進行現場采樣，并制成60～80目的實驗煤樣200 g，分別用磨口玻璃瓶保存，及時運至實驗室進行煤自燃標志性氣體測試。實驗系統見圖1。

圖1 煤自燃特性綜合測試系統原理結構

實驗過程：取50g粒度60～80目的10#煤煤樣放置在程序控溫箱內，聯結設備間的氣路、電路，檢查氣路的密閉性，一切準備就緒后，打開空氣壓縮機上的三通閥，通過流量計向控溫箱內通入流量為80 cm3/min的干空氣，調節溫度控制箱使控溫箱內溫度呈1℃/min的梯度增大，通過色譜分析儀觀察控溫箱內各類氣體的濃度，由30℃為起點溫度每升高10℃記錄一組數據，控溫箱實驗溫度最高為240℃，整理得到各類氣體濃度隨溫度的變化規律見圖2。

圖2 煤樣升溫氧化指標氣體濃度與溫度關系曲線

2.2 數據分析

根據圖2，分析如下：

（1）當煤樣溫度較低（低于100℃）時，各類氣體濃度基本穩定不變，當煤樣溫度在110℃前后，CO濃度發生明顯的轉折點，且超過110℃左右，CO的濃度開始逐漸升高，O2濃度開始降低，說明此時煤樣已開始緩慢氧化；當溫度達到180℃以上時，CO濃度開始迅速升高，O2濃度開始快速下降，表明此時煤樣進入快速氧化階段。

（2）煤樣溫度達到180℃時，C2H4濃度發生明顯的轉折，濃度開始呈指數型上升，且此時氧氣也進入快速下降階段，C2H4是煤氧化分解及熱裂解的產物，當煤樣處于加速氧化階段時，才會產生大量的C2H4，因此可將其作為判斷采空區遺煤進入加速氧化階段的標志性氣體。

（3）本次實驗未測到C2H2氣體，但根據以往實驗應用可知，一旦有C2H2氣體的出現，表明應視為已出現明火或陰燃。

綜上可知，通過監測采空區各種氣體的濃度變化，當CO濃度開始變化時，表明采空區溫度已達到110℃以上，當CO濃度迅速上升且C2H4濃度開始上升時，即說明溫度已經上升到180℃以上，此時采空區遺煤的自燃發火進入了加速氧化階段，可認為采空區已發生自燃。

3 監測預報系統應用

10-100工作面選用KSS-200C型礦井火災束管監測系統。在地面進風斜井口附近設置地面束管監測機房，主束管（24芯）沿進風斜井向井下布置，沿井筒經+940水平輔助運輸大巷及聯絡巷到達+940水平回風大巷，在回風大巷合理位置布置分路箱，每個工作面分出五芯束管，束管通過回風巷進入采空區，回風巷開口附近布置一芯束管，上隅角處布置一芯束管，采空區內布置三芯束管，間隔距離為50 m。束管監測系統在工作面布置見圖3。

圖3 采空區氣體觀測系統布置

10-100工作面應用上述束管監測系統，整理得到CO及C2H4濃度變化規律見圖4。

圖4 采空區CO及C2H4濃度變化趨勢

根據圖4可以看出，束管由5月22日進入采空區，10-100工作面每日推進2.4m，5月22日～6月15日期間，束管深入采空區0～55.2m，CO及C2H4濃度呈上下波動趨勢，表明該期間采空區遺煤雖然發生氧化反應，但是由于采空區漏風熱量散失的作用，采空區溫度低，遺煤不會發生劇烈的氧化反應，不會發生自燃；6月15日以后，束管深入采空區55.2 m以上，采空區內CO濃度開始明顯的增大，且C2H4的濃度也開始增大，表明此時采空區溫度已達到180℃以上，采空區遺煤出現明火或陰燃，因此判斷在距工作面大于55m的采空區內的遺煤會發生自燃。

4 注氮防滅火技術應用

采空區注氮可降低采空區內氧氣的濃度，且具有一定的散熱降溫能力，通過大量的氮氣可降低采空區“氧化帶”內氧氣濃度及溫度，抑制遺煤的氧化反應，起到采空區自然發火防治的作用，因此確定采用注氮防止10-100工作面采空區的自燃。注氮管路：回風大巷內的制氮硐室→10-100進風巷→靠近10-10工作面下隅角的采空區。注氮管布置在進風巷下隅角，下隅角頂板垮落前鋪設管路，出氣口通過直徑159 mm的鋼管保護，注氮管采用直徑50 mm的鐵管，出氣口通過鋼絲懸吊在頂板上，確保注氮口距離底板0.5～0.7m，采用開放式方式，連續注氮，注氮壓力為1.5MPa；當注氮孔深入采空區10 m后開始注氮，深入采空區70 m后停止注氮，重新埋設出氣孔，出氣孔及套管安裝見圖5。

圖5 注氮管路布置

采用束管監測系統記錄10-100工作面采空區CO濃度，整理得到圖6。注氮后，CO濃度同比明顯下降，前15天，束管探頭位于氧化帶內，注氮后CO濃度相比注氮前減小45%，監測15～30天，束管探頭進入窒息帶內，CO濃度相比注氮前減小約25%，CO濃度穩定在較低水平。由此可知，注氮后采空區內CO濃度明顯降低，工作面進風側埋管注氮對采空區遺煤自然發火起到較好的預防作用。

圖6 注氮前后上隅角CO濃度變化規律

5 結語

1）通過對木瓜煤礦10#煤層進行煤樣自燃特性實驗室實驗分析，確定CO、C2H4為采空區自然發火預測預報指標氣體。

2）以10-100綜采工作面為例，建立束管監測系統，監測、分析采空區內CO、C2H4的濃度變化情況；結果表明，距工作面55.2 m及以上的采空區內存在自然發火的危險。

3）采空區采用注氮防滅火系統，對采空區進行CO濃度監測，注氮后采空區內CO濃度明顯降低；工作面的進風側埋管注氮對采空區遺煤自然發火起到較好的預防作用，為工作面的安全高效生產提供了保障。