煤自然發火危險性評價與綜合防滅火技術研究

王同友

（唐口煤業有限公司，山東 濟寧 272007）

1 礦井概況

唐口煤礦現開采煤層為3 煤，巷道埋深及地壓大，煤層、煤層頂底板分別具有強沖擊地壓傾向性和弱沖擊地壓傾向性，且3 煤層煤塵具有強爆炸性，最短自然發火期為69 d。煤系地層平均地溫梯度為3.23/100 m，地溫達38 ℃，且局部瓦斯涌出量變化大。

2 自然發火危險性評價

2.1 自然發火危險性評價模型建立

煤炭自然發火機理表明，3 個分指標組成采空區自然發火危險程度U。分指標又由若干次一級的分指標組成。全部指標由16 項構成[1-4]。

（1）自燃傾向性Y1

① 吸氧速率Xl（mL/g）；② 還原與氧化煤樣著火溫差X2（℃）。

（2）漏風供氧條件Y2

① 漏風氧濃度X3（%）；② 漏風持續時間X4（d）；③ 煤的破碎性X5；④ 兩側壓差X6（Pa）；⑤ 封閉質量X7；⑥ 頂板及采空區處理X8；⑦ 采區布置方式X9；⑧ 采煤方法X10；⑨ 通風方式X11；⑩ 煤層傾角X12。

（3）聚熱散熱條件Y3

① 風速X13；② 自燃帶長度與推進速度比X14（d）；③ 遺煤狀況X15；④ 區域圍巖溫度X16（℃）。

2.2 唐口煤礦采空區自然發火危險性評價

經計算可得出6310 工作面自然發火危險性單因素評價結果見表1。

表1 唐口煤礦6310 工作面自然發火危險性單因素評價表

對6310 工作面根據上述評價模型分層次進行評價：

由以上計算結果可知，6310 采空區自然發火危險程度為29.56%，屬Ⅲ類，有火災傾向。

3 6310 工作面采空區自燃“三帶”現場觀測

采用兩巷埋管及溫度傳感器的方式對6310 工作面采空區進行氣體和溫度監測，對采空區內各測點每天相同時間進行氣體采集，使用氣相色譜儀對帶回地面的氣樣進行氣體分析[5]。采空區監測點布置如圖1。

圖1 采空區監測點布置示意圖（m）

（1）采空區溫度數據分析

采空區內各測點溫度變化曲線如圖2、圖3。

圖2 1#、2#測點溫度變化曲線圖

圖3 3#、4#測點溫度變化曲線圖

由圖2、圖3 可知，進風側1～2#測點溫度在推進的時候升高較為明顯，隨后逐漸降低，溫度變化區間為25.3～34.0 ℃，最高上升了約8.7 ℃，最后穩定在28.7 ℃左右；回風側3～4#測點的溫度在短暫升高后也逐漸降低，溫度變化區間為26.5～31.2 ℃，變化范圍為4.7 ℃。在現場觀測期間6310 采空區內部溫度變化范圍不顯著，與采空區自燃“三帶”的評價標準不相符，因此溫度只可作為判斷自燃“三帶”的輔助指標[6-7]。

（2）采空區CO 濃度數據分析

由圖4、圖5 可知，CO 濃度在進風側1～2#測點的變化趨勢為先上升再降低，最大值1.13×10-4。隨著進風側測點被埋進采空區深度不斷增加，首先CO 濃度有上升趨勢，隨后測點埋入采空區深度繼續增加，CO 濃度呈現下降趨勢后趨于平穩。具體為測點在工作面推進49.4 m 左右時CO 濃度達到較高的水平，而在工作面推進86.6 m 左右時CO 濃度降到相對較低的水平；回風側3～4#測點的CO 濃度變化趨勢在工作面推進過程中先上升再降低。CO 可作為一種預測預報自然發火指標的氣體。

圖4 1#、2#測點CO 濃度變化曲線圖

圖5 3#、4#測點CO 濃度變化曲線圖

（3）采空區1～2#測點O2 濃度數據分析

由圖6 分析可知，隨著進風側1～2#測點埋進采空區的深度的不斷增加，進風側測點O2濃度整體呈現下降趨勢。具體表現為1#測點在埋進采空區71.6～74 m 時O2濃度下降到了18%以下，進入氧化帶；在埋進采空區83.6～86 m 時O2濃度下降到了10%以下，進入窒息帶；2#測點在埋進采空區69.8～77 m 時O2濃度下降到了18%以下，進入氧化帶；在埋進采空區86.6～89 m 時，氧氣濃度降至10%以下，進入窒息帶。采空區內遺煤不斷消耗O2，風流不能進入采空區深部來補充消耗的O2，O2濃度出現降低。

圖6 1#、2#測點O2 濃度變化曲線

（4）采空區3～4#測點O2濃度數據分析

由圖7 分析可知，3#測點在埋進采空區39～41.6 m 時O2濃度下降到了18%以下，進入了氧化帶；在埋進采空區91.4～93.8 m 時O2濃度下降到了10%以下，進入了窒息帶；4#測點在埋進采空區33.8～36.4 m 時O2濃度下降到了18%以下，進入了氧化帶；在埋進采空區83.6～86 m 時O2濃度下降到了10%以下，進入了窒息帶。

圖7 3#、4#測點O2 濃度變化曲線

（5）采空區自燃“三帶”范圍確定

根據采空區內不同區域O2濃度變化，得出了唐口煤礦6310 采空區自燃“三帶”分布情況見表2。

表2 6310 采空區自燃“三帶”分布情況

4 防滅火技術措施及其效果檢驗

4.1 防滅火技術措施

采用水玻璃凝膠為開切眼區域的注膠材料，其中促凝劑（碳酸氫銨）3%、基料10%。在注膠前，先在工作面兩端頭沿走向方向充填厚度為4 m 左右的沙袋，直至沙袋接頂。回采過程中，采空區兩端頭向采空區頂部設2 個鉆孔，與工作面之間的間隔為5 m。回采過程中工作面每向前推進60～100 m 分別在進回風巷堆架4 m 的砂袋墻對未垮落巷道封堵，在推過砂袋墻一段距離后，待工作面進風巷端頭垮落帶與砂袋墻充分接觸后進行注膠作業。

4.2 效果檢驗

施工后利用多功能通風參數儀對6310 工作面參數進行了測定，通過圖1 所示布置束管監測采取防滅火技術后的采空區CO、O2參數，與采空區自燃“三帶”參數進行對比如圖8。

由圖8 可知，未采取措施前氧氣濃度最大可達6.3%，采取措施后氧氣濃度最低降至約2.84%，平均氧氣濃度約為3%，CO 濃度降至0.3×10-9。指標性氣體均在合理范圍之內，起到了良好的效果。

圖8 措施前后指標氣體變化

5 結論

（1）6310 采空區遺煤自然發火危險程度為29.56%，屬Ⅲ類，6310 采空區遺煤的供氧氧化條件、自燃傾向性和聚熱散熱條件有自然發火危險性。

（2）防滅火措施實施后，氧濃度降至約3%，火災標志性氣體CO 濃度未升高，防滅火預控措施起到了良好的效果，保證了礦井安全高效生產。