豆兵利

(山西晉煤集團臨汾晉牛煤礦投資有限責任公司)

煤炭是我國的主要能源，煤炭產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展與我國的能源安全和經(jīng)濟發(fā)展關系緊密，礦井火災是煤礦的主要災害之一，其中又以煤自然發(fā)火最為嚴重。煤炭自然發(fā)火主要發(fā)生在采空區(qū)等浮煤容易堆積的地點，這些地點隱蔽性好，有充足的氧氣，熱量容易得到積聚，不易察覺［1］。因此，研究和分析回采面采空區(qū)遺煤、漏風、氣體成分、溫度等參數(shù)變化，并采取經(jīng)濟有效的防滅火措施，提前預防煤自然發(fā)火，是礦井防滅火工作的重要內(nèi)容［2-5］。

1 礦井概況

山西晉煤集團臨汾晉牛煤礦投資有限責任公司由6個煤礦重組而成，設計年產(chǎn)量為90萬t/a，可采煤層為2#、9#+10#+11#煤層。2#煤層大部分已于整合前開采，煤層厚度平均為1.10 m，距9#+10#+11#煤層最近79.06 m。9#+10#+11#煤層為礦井主采煤層，厚度4.24 ～7.30 m，平均 5.14 m，煤層頂板為K2石灰?guī)r或泥巖，底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，為全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。9#+10#+11#煤層開采時，最大絕對瓦斯涌出量7.38 m3/min，最大相對瓦斯涌出量3.90 m3/t，為瓦斯礦井。煤塵具有爆炸性，自燃傾向性為Ⅱ類，屬自燃煤層。晉牛煤礦采用中央并列式通風系統(tǒng)，共布置3個井筒，主斜井、副斜井進風，回風立井回風，采用機械抽出式通風方式。為綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。

2 自然發(fā)火危險分析

2.1 自燃傾向性

根據(jù)資質(zhì)單位鑒定，晉牛煤礦主采煤層的自燃傾向性屬于Ⅱ類自燃煤層，具體數(shù)據(jù)見表1。

煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法(GB/T 20104—2006)中分類指標規(guī)定，煤樣干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf＞18%時，Ⅰ類容易自燃煤層吸氧量為Vd＞0.70 mL/g，Ⅱ類自燃煤層吸氧量為 0.40＜Vd≤0.70 mL/g。由此可知，晉牛煤礦主采煤層自燃傾向性雖屬于Ⅱ類自燃，接近于Ⅰ類，煤自然發(fā)火防治工作應予以重視。

表1 9#+10#+11#煤層自燃傾向性等級

2.2 主采煤層自然發(fā)火標志氣體確定

通過對晉牛煤礦主采煤層煤樣的自然發(fā)火標志氣體試驗，煤自燃氧化氣體主要有CO、CO2、C2H4、C3H6和C2H2等。

(1)CO。CO是煤氧化過程中出現(xiàn)最早的氧化氣體產(chǎn)物，CO產(chǎn)生的臨界溫度約61℃，并貫穿于整個自然氧化過程。在245℃以前，CO氣體濃度變化規(guī)律與煤溫之間呈現(xiàn)出單一遞增關系［6］;當煤溫超過245℃以后，增長更加明顯;458℃以后進入加速氧化階段。

(2)C2H4、C3H6。C2H4、C3H6是煤自然氧化產(chǎn)生的主要烯烴組份，其濃度變化也是隨煤溫升高而增大。在煤的吸附氣體中，沒有C2H4氣體組份。C2H4和C3H6氣體其臨界溫度分別在159和208℃左右，產(chǎn)生C2H4后，煤樣開始進入加速氧化階段;C3H6的產(chǎn)生預示著煤自然氧化進入激烈氧化或燃燒。煤溫在達到245℃以后短時間內(nèi)升至458℃以上，預測預報煤礦井下自然發(fā)火過程中，應特別注意C2H4和C3H6的產(chǎn)生以及比重變化，以便在最有效的時間內(nèi)進行采空區(qū)自然發(fā)火的治理工作。

(3)C2H2在煤氧化自燃后期是最主要的指標氣體。晉牛煤礦主采煤層試驗煤樣在458℃時產(chǎn)生C2H2氣體，濃度為 0.41×10-6。C2H2的出現(xiàn)說明煤開始激烈氧化或燃燒。因此，當出現(xiàn)C2H2氣體時，采取措施時一定要謹慎，避免引發(fā)爆炸等災害性事故。

2.3 煤自然發(fā)火的臨界氧氣濃度

煤自然發(fā)火與氧氣濃度密切相關，氧濃度的變化決定了煤最終能否引發(fā)自燃火災。

將試驗煤樣分別在 20.9%(空氣)、10.0%和7.0%氧氣濃度環(huán)境下進行自然發(fā)火模擬試驗。伴隨氧濃度下降，各自然發(fā)火指標氣體產(chǎn)物濃度在某一溫度時呈下降趨勢?？諝猸h(huán)境下(氧濃度為20.9%)，試驗煤樣 C2H4氣體出現(xiàn)在159℃，CO、C2H4濃度快速增加;當氧濃度降到10.0%時，CO、C2H4的增長趨勢受到一定抑制，說明采空區(qū)氧濃度降到10.0%時，煤的氧化受到阻礙，但煤仍會氧化甚至燃燒;當氧濃度降到7.0%時，試驗煤樣仍發(fā)生氧化，但試驗過程中沒有出現(xiàn)C2H2氣體，說明煤樣已不能引起燃燒。試驗過程中檢出 CO、C2H4、C3H6、C2H2時的煤溫如表2所示。

表2 不同供氧濃度試驗中主要指標氣體組份檢出溫度

煤自燃氧化過程中，一個重要的熱力學特性是煤溫度的變化，煤氧化程度可以由煤溫的變化直觀體現(xiàn)，如1所示。

圖1 自然發(fā)火模擬試驗煤樣溫升

由圖1可以看出，氧濃度為20.9%時，煤溫曲線表現(xiàn)出顯著的激烈階段;氧濃度為10.0%時，也存在激烈氧化階段，但煤氧化程度相對于空氣條件下減弱較大;氧氣濃度為7.0%時，煤溫明顯低于空氣條件，且氧化程度更弱。

2.4 煤自然發(fā)火綜合分析

由于9#+10#+11#煤層1303工作面是晉牛煤礦的首采工作面，據(jù)歷史資料統(tǒng)計，井田范圍內(nèi)原礦井及周邊礦井未發(fā)生過煤自然發(fā)火事故。后期開采過程中，井下風量和壓力逐漸增大，會產(chǎn)生大范圍采空區(qū)，采空區(qū)大量遺煤與氧氣接觸，發(fā)生煤與氧氧化反應，存在煤自然發(fā)火隱患。

(1)該礦采用放頂煤開采方法，采空區(qū)遺煤量大于一次采全高方法，并且采空區(qū)空間大，漏風量增多，回采過程中，存在本工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火危險。

(2)回采工作面進、回風順槽一次性掘出，服務時間長，受采動壓力影響等，易發(fā)生小范圍頂板冒落，這些地點氧氣充足，漏風小，熱量容易積聚，導致巷道頂部浮煤自燃。

(3)采煤工作面進、回風隅角在液壓支架前移時，巷幫處遺煤不易垮落，且漏風通道通暢，容易發(fā)生煤自然發(fā)火。

(4)礦井開采后期，采空區(qū)逐漸增多，頂板壓力主要集中在保護煤柱上，當煤柱支撐不住時，將被壓碎，形成漏風通道，增加漏風，容易造成工作面周邊采空區(qū)遺煤自燃。如封閉采空區(qū)積存有CO等毒害氣體，受負壓影響，將向工作面涌出，造成人員傷害。

3 自燃火災監(jiān)測措施

3.1 建立井下束管火災監(jiān)測系統(tǒng)

火災的早期發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測是礦井火災防治的前提，晉牛煤礦建立了地面型束管火災監(jiān)測系統(tǒng)，連續(xù)對回采工作面采空區(qū)、回風隅角、回風順槽及總回風巷等地點進行監(jiān)測，監(jiān)測氣體主要為O2、CO、C2H4、C2H6、C2H2等，根據(jù)色譜分析結果，及時預測預報井下火災，保障井下作業(yè)環(huán)境的安全，預防井下火災和瓦斯事故的發(fā)生、發(fā)展。

3.2 人工取樣

人工取樣是礦井常用的檢測手段之一，具有靈活、便捷的優(yōu)點，常作為束管監(jiān)測的補充。由瓦檢員利用取氣袋，定期定點或不定期不定點進行取樣，送至地面色譜分析實驗室進行氣體分析。

4 自燃火災防治措施

(1)合理開拓。①合理進行巷道布置，減少煤柱留設，降低自燃隱患;②提高工作面回采率，減少丟煤，加快回采速度，縮短采空區(qū)暴露時間，盡快將采空區(qū)甩至窒息帶;③掘進煤層巷道時，對冒頂區(qū)采用泥漿等進行充填;④對廢棄巷道建立防火墻密閉，并定期檢查密封性，要求防火墻不漏風，同時留設觀測孔。

(2)優(yōu)化通風。①風門、風墻設置在地質(zhì)環(huán)境好的地點，避免引起采空區(qū)及周邊煤柱裂隙漏風;②防火墻、密閉嚴控質(zhì)量，定期檢查，發(fā)現(xiàn)漏風裂隙及時維修;③降低工作面兩端壓差，減小采空區(qū)漏風;④同一地點兩道以上風門不能同時打開，風門不能自動關閉時人工及時關閉，增加風流穩(wěn)定性。

(3)灌漿防滅火。在回風立井附近設地面黃泥注漿站，利用制漿機制備泥漿，用管道經(jīng)過回風立井、回風大巷、回風順槽送到工作面，灌漿量為42 m3/h。由于煤層埋深較淺，自流灌漿不能滿足泥漿輸送能量要求，采用泥漿泵加壓輸送至井下回采工作面采空區(qū)。

(4)阻化劑防火。為預防采空區(qū)部分區(qū)域漿液難以覆蓋遺煤，在回采工作面回采期間，從架間對采空區(qū)遺煤進行噴灑阻化劑，增加煤的惰性，降低遺煤氧化速率，進一步降低采空區(qū)自然發(fā)火危險程度。

(5)堵漏風防火。為減少采空區(qū)漏風，減小氧化帶寬度，達到預防采空區(qū)自然發(fā)火最佳效果，在工作面進回風端頭用蛇皮袋裝矸石或土，在工作面進回風隅角進行堆積，阻擋風流向采空區(qū)流入，每推進30 m構筑一道堵漏風墻。

5 結語

綜合運用火災監(jiān)測監(jiān)控及各種防滅火措施，對晉牛煤礦煤自然發(fā)火起到了良好的預防效果，降低了煤礦自然發(fā)火危險性，促進了煤礦安全生產(chǎn)，保障了人員生命安全。

［1］羅海珠，梁運濤.煤自然發(fā)火預測預報技術的現(xiàn)狀與展望［J］.中國安全科學學報，2003(3):79-81，1.

［2］劉 昭.風水溝煤礦特厚煤層采空區(qū)防滅火技術研究［D］.阜新:遼寧工程技術大學，2013.

［3］李靜波.煤自然發(fā)火預測預報指標體系［J］.能源與節(jié)能，2012(5):5-7.

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