高地溫綜放工作面煤自燃防治研究

林賢偉

（安徽理工大學安全科學與工程學院，安徽 淮南 232001）

隨著礦井開采深度不斷加深，煤層原始地溫不斷上升[1]。信湖煤礦8 煤層埋深大，818 綜放工作面地溫達到42℃，使得采空區(qū)遺煤自燃氧化的起始溫度升高，安全生產(chǎn)受到嚴重威脅，亟需研究高地溫對遺煤的影響并制定綜合防治措施。

1 工作面概況

818 綜放工作面為81 采區(qū)首采面，上區(qū)段為816 工作面(未準備)，下區(qū)段為8110 工作面（未準備），左靠81采區(qū)上山，右鄰SDF33 斷層及81 采區(qū)邊界。該工作面標高為-858.6～-924.0m，走向長1871m，傾斜長181 m，煤層傾角10°-21°,平均14°。該面煤層厚度0-10.7m，平均煤厚7.6 m。81 采區(qū)地溫梯度平均為2.69℃/百米，該巷道最低埋深-927m，地溫達到42.0℃，屬于高地溫工作面。

2 煤層特征

2.1 煤層自然傾向性

根據(jù)中國礦業(yè)大學煤層自然傾向性鑒定報告結論：818 綜放工作面內81 煤、82 煤均為Ⅱ類自燃，81 煤最短自然發(fā)火期74 天，82 煤最短自然發(fā)火期64 天。

2.2 煤自燃標志氣體

根據(jù)常溫氧化與低溫氧化實驗結果，信湖煤礦8 煤層適合采用CO 和C2H4兩種氣體作為煤自然發(fā)火標志性氣體。常溫條件下，信湖煤礦818 工作面實驗煤樣與氧氣接觸，緩慢發(fā)生氧化復合反應，暴露在空氣中5d 后，即能檢測到氧化產(chǎn)生的CO，隨著氧化時間的延長，氧化所產(chǎn)生的CO 氣體濃度逐漸上升。在煤自燃低溫氧化實驗中，CO在50℃左右出現(xiàn)，其濃度變化總體表現(xiàn)為隨著煤溫上升呈指數(shù)規(guī)律增長。當煤低溫氧化溫度達到140℃時乙烯（C2H4）氣體出現(xiàn)，170℃時乙烯（C2H4）氣體達到1ppm。

2.3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)818 工作面現(xiàn)場情況，布置由熱電偶測溫系統(tǒng)和束管監(jiān)測系統(tǒng)組成的煤自燃參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。對818 綜放工作面進、回風兩條巷道采空區(qū)內氣體含量進行監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場氧氣濃度變化實測數(shù)據(jù)，繪制出氧氣濃度變化與工作面推進距離之間的關系，如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)進、回風巷測點O2 濃度隨工作面推進距離關系圖

由采空區(qū)氧氣濃度實際變化結果可知：隨著工作面持續(xù)往前推進，采空區(qū)內氧氣濃度逐漸降低。進風側氧濃度在33.6m 處達到17.28%，隨著工作面往前推進在96m 處，氧濃度下降為7.44%。回風側氧濃度在24m 處為17.48%，隨著采空區(qū)長度不斷加深，在93.6m 處降至7.79%。

工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分通常以氧氣濃度為劃分標準，濃度處于8%～18%時劃分為氧化帶[2]。以此為依據(jù)，對進、回風側布置測點所得數(shù)據(jù)分別分析，可知818工作面采空區(qū)“三帶”范圍如表1 所示。

表1 818 工作面采空區(qū)“三帶”范圍

最終得到818 綜放工作面采空區(qū)“三帶”范圍劃分結果如圖2 所示。

圖2 818 工作面采空區(qū)“三帶”范圍分布示意圖

3 高地溫環(huán)境對采空區(qū)煤自燃的影響分析

高地溫環(huán)境對采空區(qū)遺煤的影響主要體現(xiàn)在對煤自身氧化活性、蓄熱環(huán)境及漏風供氧條件三個方面[3-4]。

3.1 高地溫環(huán)境對煤自身氧化活性的影響

隨著地溫上升，煤體內部裂隙及孔隙不斷增多，煤內表面積擴大，吸附氧的能力增強。煤的表面活性隨之提高，煤體更易于氧化自燃。同時長時間處于高地溫的環(huán)境下，煤體不斷升溫，煤內活性官能團充分激活，不斷轉化生成更具活性的自由基參與到煤氧化反應中，遺煤氧化性增強。

3.2 高地溫環(huán)境對蓄熱環(huán)境的影響

煤低溫氧化階段以對流散熱為主，熱傳導為輔。由于圍巖及煤壁自身溫度高，煤氧化所釋放熱量不能通過熱傳導及時釋放至圍巖，同時采空區(qū)內原巖冒落會釋放出積聚的熱量，共同導致采空區(qū)環(huán)境溫度及濕度增加，熱輻射的散熱速率降低，顯著抑制了煤體向周邊環(huán)境的對流散熱，煤體熱量不斷積聚，采空區(qū)內形成了良好的蓄熱環(huán)境。采空區(qū)內煤體長時間處于高地溫的環(huán)境中，煤氧復合反應過程受阻，當采空區(qū)內周邊環(huán)境溫度發(fā)生變化且煤體自身蓄熱條件改變時，采空區(qū)內遺煤自燃危險性上升。

3.3 高地溫環(huán)境對漏風供氧條件的影響

高、低溫環(huán)境之間由于溫差效應會導致熱風壓的產(chǎn)生，有限空間的工作面尤為明顯。通常井下會在進、回風巷安裝通風裝置以增加風流帶走多余熱量，從而達到降低工作面高溫作業(yè)溫度的目的，但會導致大量低溫風流在通過工作面及采空區(qū)時與長時間運行的高溫設備以及高溫煤壁、圍巖所釋放的熱量之間相互碰撞，工作面低溫風流與高溫氣體之間分布不均，導致局部之間形成熱風壓，這些熱風壓之間又相互影響，從而改變采空區(qū)的漏風供氧條件，新鮮風流不斷通過漏風通道進入采空區(qū)內部，供氧充足，導致遺煤的氧化放熱能力增強，其自燃危險性上升。

4 綜合防治措施

4.1 818 工作面正常開采時期防滅火技術

4.1.1 注氮防滅火技術

氮氣防滅火的本質即通過預設管路，將高濃度氮氣持續(xù)通入采空區(qū)內氧化帶，降低其氧氣含量；或向火區(qū)持續(xù)注入，使其充斥目標空間以達到絕氧目的，其具有正壓、驅氧、冷卻作用[5]，如圖3 所示。

圖3 氮氣防滅火機理及其作用

818 工作面設計通過預先鋪設管路向采空區(qū)內部冒落區(qū)、裂隙帶及易發(fā)生自燃的遺煤帶持續(xù)注入氮氣，使其逐步滲透到這些危險區(qū)域內，降低危險區(qū)域空間內的氧氣濃度，形成氮氣惰化帶，達到降低采空區(qū)內遺煤自燃危險性的目的。

4.1.2 灌漿防滅火技術

818 工作面地質條件復雜，工作面以U 型方式布置，采用綜合放頂煤開采方法。基于使用方便、工藝簡單的原則，選擇隨采隨灌、采后集中灌漿等方式進行灌漿。正常回采時期，通過風巷上隅角預設管路向采空區(qū)注漿，能有效防止遺留在采空區(qū)內的浮煤自燃同時還具有降溫、防塵效果。收作完成后，停采線上下出口封閉，采空區(qū)內實施集中灌漿處理，保證采空區(qū)完全密封，減少漏風通道，并對易于發(fā)生自燃的停采線進行填充，防止發(fā)生遺煤自燃。

表2 注漿管路布置

4.1.3 注凝膠防滅火技術

注凝膠防滅火具有降溫、阻化、堵漏及固結水等作用，可有效減少采空區(qū)漏風[6]。a.注凝膠地點。兩巷松冒區(qū)注膠。選擇利用探查撞管對818 工作面兩巷所有的松冒區(qū)異常點進行注膠，松冒區(qū)比較集中的地點要適當加密注膠孔，確保注膠均勻、充填到位。工作面注凝膠方式選擇采空區(qū)預埋管道注凝膠方式，即在上隅角預埋注膠管道。b.注凝膠路線。地面注膠站→中央風井→81 回風石門→81 五中車場→818風巷底板巷→818 里風巷→818 工作面。

4.1.4 其他防滅火技術。

a.減少采空區(qū)遺煤：工作面在回采過程中使用不燃性材料接頂，減少采空區(qū)遺煤。b.工作面上下隅角封堵：正常回采時采用氣囊對上、下隅角進行充填，垛墻由袋裝碎矸石構筑，垛墻的縫隙處須用黃泥封堵以減少向采空區(qū)漏風。初采時期對上、下隅角進行連續(xù)封堵填實。c.各類鉆孔封堵：工作面50m 內地質探查、探放水鉆孔等完成后要立即對其注漿進行封堵，確保孔洞被填實，杜絕由鉆孔向采空區(qū)內漏風的可能。d.煤層注水：通過工作面煤層壁上的鉆孔進行注水，增加8 煤層煤體的水分含量。e.合理瓦斯抽放管理：在保證回風流瓦斯?jié)舛炔淮笥?.30%，瓦斯治理目標得到保證的情況下，對上隅角埋管及鉆孔的抽采參數(shù)進行適當?shù)膬?yōu)化，減小工作面對采空區(qū)內的漏風。f.工作面收作均壓措施：工作面停采收作期間，回風流中CH4濃度小于0.30%、溫度、風速等滿足《煤礦安全規(guī)程》的前提下，可通過降低供風量，減小進、回風側間的壓差，實現(xiàn)均壓通風，減少采空區(qū)漏風。

4.2 特殊時期防滅火技術

4.2.1 采空區(qū)注液態(tài)二氧化碳

向采空區(qū)注入液態(tài)二氧化碳可有效降低其內部的氧氣濃度，減緩采空區(qū)遺煤氧化反應的進程，同時可利用液態(tài)二氧化碳的相變吸熱降溫，達到采空區(qū)防滅火的目的[7]。a.系統(tǒng)構成。液態(tài)CO2輸送系統(tǒng)主要構成有地面出流段、垂直保壓段及水平保壓段，輸送管路均為高壓鋼管。壓注具體流程為液態(tài)CO2從地面出流段釋放經(jīng)由地面鉆孔輸送至井下硐室最后壓注至防滅火區(qū)域，如圖4 所示。b. 注入位置。為確保CO2能夠順利利用漏風流進入采空區(qū)，并隨之擴散至采空區(qū)內部空間，注入口位置應設置在接近進風巷一側，同時其與工作面支架間的距離也應合理。注入口距工作面的距離可由式（1）確定。

圖4 液態(tài)二氧化碳輸送系統(tǒng)示意圖

4.2.2 采空區(qū)均壓防滅火技術

采空區(qū)均壓防滅火就是根據(jù)采空區(qū)的特點，設置風流壓力調節(jié)設施，優(yōu)化通風系統(tǒng)內壓能分布，減小采空區(qū)漏風通道間壓差，減少漏風，預防煤自燃的發(fā)生或對采空區(qū)自燃區(qū)域惰化[8]。工作面開采后，沿煤層傾向方向，實體煤和采空區(qū)冒落巖石之間互相支撐，煤壁、煤層頂板和采空區(qū)之間構成了簡支支撐下的弧形三角板結構，在工作面上下隅角原兩巷位置形成了不完全壓實區(qū)。U 型通風方式下，不完全壓實區(qū)因風流方向的直角拐彎，成為采空區(qū)漏風的主要通道。其空隙率的大小對采空區(qū)漏風范圍具有重要的影響。在工作面上下隅角支架立柱之間采用風筒布作為擋風簾，擋風簾的存在在采空區(qū)漏風分支上增大了漏風風阻，改變了采空區(qū)漏風能位分布狀態(tài)，降低采空區(qū)內部之間的能位差，實現(xiàn)了采空區(qū)內不同位置之間的均壓，減少了采空區(qū)漏風與自然發(fā)火的發(fā)生。

4.3 應用效果分析

在818 綜放工作面采取綜合防治措施以后，采空區(qū)內溫度得到有效控制，煤層自然標志氣體含量無明顯增加，防治效果顯著，為8 煤層的安全開采提供了有力保障。

5 結論

針對818 工作面高地溫采空區(qū)實際環(huán)境與條件，提出的集“控制漏風、惰化降氧、吸熱降溫”于一體的采空區(qū)煤自燃火災預控方法，將818 工作面回采期間分為正常開采時期與特殊開采時期。正常開采時期，采用上下隅角堆垛堵漏風、注氮、灌漿及注膠降溫等防滅火方法；特殊時期在正常時期防滅火措施的基礎上，增加注入液態(tài)二氧化碳及均壓防滅火等相結合的方法，有效控制了高地溫環(huán)境對煤體自身氧化活性、漏風供氧和蓄熱條件的影響，保障了信湖煤礦8 煤層的安全開采，同時也可應用于同類型生產(chǎn)條件工作面。