杜海東

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司，山西 忻州 034000）

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)泰山隆安煤業(yè)有限公司位于山西省保德縣城東南部即橋頭鎮(zhèn)北部，井田至保德縣城約10 km。井田范圍北至冀家溝村，南至橋頭鎮(zhèn)，西至吳家溝村，東至白家墕村。該煤礦位于黃河中游峽谷的東岸，井田的整體地勢(shì)呈現(xiàn)出東高西低的趨勢(shì)，最高位置的標(biāo)高值是+1175 m最低位置的標(biāo)高值是+911 m，最大標(biāo)高和最小標(biāo)高之間相差264m。該煤礦含有可采煤層4層，從上至下分別是8、11上、11下、13號(hào)煤層，現(xiàn)主要開(kāi)采8號(hào)煤層。根據(jù)泰山隆安煤礦2016年9月2日采取的煤樣經(jīng)山西公信安全技術(shù)有限公司鑒定，8號(hào)煤層的自然發(fā)火傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，為自然發(fā)火煤層。

1 煤自然發(fā)火氧化氣體產(chǎn)物特征與規(guī)律分析

此次研究利用煤自然發(fā)火模擬設(shè)備，針對(duì)煤炭在空氣之中發(fā)生自然發(fā)火的規(guī)律性加以分析。在泰山隆安煤業(yè)井田中的多個(gè)地點(diǎn)采集8號(hào)煤層煤樣，并將收集到的煤樣進(jìn)行混合，測(cè)試的參數(shù)主要為煤樣不同自然發(fā)火階段所形成的火災(zāi)氣體種類和氣體數(shù)量。

1.1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)裝置

所采用的試驗(yàn)裝置為煤自然發(fā)火模擬設(shè)備，見(jiàn)圖1。該設(shè)備包含有煤樣氧化升溫加熱爐裝置、溫控裝置、自動(dòng)記錄裝置、氣體分析裝置以及數(shù)據(jù)分析與處理裝置等。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，把所采集的煤樣放置到加熱爐裝置之中，采取定量預(yù)熱的方式，確保爐溫能夠穩(wěn)定升高，而煤溫也會(huì)隨之升高，在煤加熱自然發(fā)火過(guò)程中將產(chǎn)生一些標(biāo)志性氣體，通過(guò)取樣裝置輸送到分析裝置中完成氣體分析工作，然后將分析的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)分析與處理裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，最終得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 自然發(fā)火模擬設(shè)備實(shí)物

1.2 試驗(yàn)條件

所選用的試樣煤樣為8號(hào)煤層煤樣，煤樣質(zhì)量為10g，粒度不超過(guò)0.15 mm，設(shè)備的供氣流量值為100ml/min；爐溫為25℃～80℃時(shí)，溫度上升速率為0.5℃/min；爐溫為81℃～200℃時(shí)， 溫度上升速率為1℃/min；爐溫為201℃～300℃時(shí)，溫度上升速率為2℃/min；氣體取樣的時(shí)間間隔設(shè)定為20 min。

1.3 煤自然發(fā)火氣體測(cè)試數(shù)據(jù)分析

在煤發(fā)生自然發(fā)火過(guò)程中，需要經(jīng)過(guò)三個(gè)時(shí)期，分別為緩慢氧化時(shí)期、加速氧化時(shí)期以及激烈氧化時(shí)期。在各個(gè)時(shí)期之中，相應(yīng)的自然發(fā)火溫度也有所不同，而且氣體產(chǎn)物以及氣體濃度均有所差異，可以通過(guò)不同時(shí)期氣體產(chǎn)物的特征，來(lái)預(yù)測(cè)并預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火的具體進(jìn)程。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，泰山隆安煤業(yè)8號(hào)煤層煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)標(biāo)志氣體有CO、C2H4、C2H2等。

（1）CO氣體

在煤炭發(fā)生氧化時(shí)，CO氣體屬于形成最早的一種煤炭氧化產(chǎn)物，而且CO氣體還會(huì)存在于煤炭的整個(gè)氧化階段，CO在煤炭自然發(fā)火過(guò)程中濃度變化具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。

圖2 煤炭自然發(fā)火時(shí)期CO濃度值和煤炭溫度值關(guān)系

若是煤炭開(kāi)采過(guò)程中，不考慮一些其它因素影響，比如原生煤巖體中沒(méi)有CO氣體賦存等，則CO濃度值在煤炭自然發(fā)火時(shí)期表現(xiàn)為隨著煤炭溫度值逐漸增加而增加。就試驗(yàn)情況來(lái)看，泰山隆安煤業(yè)井田之中煤炭形成CO氧化產(chǎn)物的溫度大約為75℃左右，而且，當(dāng)溫度值在90℃之下所對(duì)應(yīng)的CO濃度值均相對(duì)小。而在溫度處于80℃～140℃范圍之中，CO濃度值增速相對(duì)較小，當(dāng)煤炭的溫度值大于150℃之后，則CO濃度值便會(huì)呈現(xiàn)快速升高的趨勢(shì)。依照這一特征便能夠相對(duì)準(zhǔn)確的對(duì)煤炭自然發(fā)火實(shí)際動(dòng)態(tài)進(jìn)行描述，從而可以有效的指導(dǎo)煤礦開(kāi)采作業(yè)，確保能夠及時(shí)的制定相應(yīng)防治措施。

（2）C2H4氣體和C3H6氣體

C2H4氣體為烯烴氣體，此種氣體只有在煤炭氧化過(guò)程中才能產(chǎn)生，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，在煤炭吸附各個(gè)氣體組分之中，并沒(méi)有烯烴組分的存在，同時(shí)也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致烯烴氣體產(chǎn)生的其它具體原因，C2H4氣體和C3H6氣體在煤炭自然發(fā)火過(guò)程中濃度變化具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。

圖3 煤炭自然發(fā)火時(shí)期C2H4濃度值和C3H6濃度值和煤炭溫度值關(guān)系

從上圖能夠看出C2H4氣體的產(chǎn)生數(shù)量和煤炭溫度間存在的較為單一的關(guān)系，即隨著煤炭溫度不斷的增加，C2H4氣體的濃度也不斷增加。C2H4氣體開(kāi)始形成的溫度大約在170℃左右，在溫度小于160℃情況下，未能檢測(cè)有C2H4氣體形成。所以，通過(guò)這現(xiàn)象能夠看出，若是煤炭處在低溫氧化時(shí)期，則便檢測(cè)不到C2H4氣體。

（3）C2H2氣體

通過(guò)試驗(yàn)?zāi)軌虻贸?，C2H2氣體形成于煤體自然發(fā)火的最后時(shí)期，也就是此時(shí)煤體的氧化非常激烈，已經(jīng)趨向著火，同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)情況來(lái)看，也只有處在此時(shí)期之中才會(huì)產(chǎn)生C2H2氣體，C2H2氣體在煤炭自然發(fā)火過(guò)程中濃度變化具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

圖4 煤炭自然發(fā)火時(shí)期C2H2濃度值和煤炭溫度值關(guān)系

能夠?qū)2H2作為一種標(biāo)志氣體，實(shí)際測(cè)試規(guī)程中檢測(cè)到C2H2氣體形成，則表明了煤體處于激烈氧化時(shí)期，而且正向著著火方向發(fā)展。在對(duì)泰山隆安煤業(yè)井田煤樣進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，C2H2氣體形成的溫度區(qū)間為200℃～400℃。對(duì)于泰山隆安煤業(yè)井田來(lái)說(shuō)，檢測(cè)到了C2H2氣體，則反映出了此位置處煤炭的自然發(fā)火溫度值已經(jīng)超過(guò)了200℃，很多情況下已經(jīng)接近400℃，而此溫度條件下煤炭已經(jīng)臨近燃燒，或者煤炭已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)燃燒，而此時(shí)僅僅采用普通的應(yīng)對(duì)措施無(wú)法取得有效的防治效果，要是灼熱煤炭暴露于空氣之中，則便會(huì)即刻引發(fā)自燃，所以，必須理解采取相應(yīng)的措施進(jìn)行治理。

2 阻化劑防滅火系統(tǒng)

2.1 阻化劑選擇

現(xiàn)階段，在煤炭開(kāi)采時(shí)所使用的防滅火阻化劑材料多為工業(yè)氯化鈣、水氯石、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、氯化鋁、五氧化二磷、氫氧化鈣以及釀酒廠的廢液等。而其中以工業(yè)氯化鈣以及水氯石所擁有的阻化效果最為優(yōu)良，而且這些原材料的來(lái)源較為豐富，在儲(chǔ)存以及運(yùn)輸過(guò)程中均較為便捷，使用較廣泛。

在選擇阻化劑材料的過(guò)程中，充分考慮貨源問(wèn)題、成本問(wèn)題以及產(chǎn)品性能問(wèn)題，為了確保阻化劑不會(huì)對(duì)煤礦設(shè)備以及一些金屬部件造成較大腐蝕，而且不會(huì)對(duì)人體造成傷害，所以，在泰山隆安煤業(yè)阻化劑防滅火系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，所選用的阻化劑材料為工業(yè)氯化鈣。

2.2 氣霧阻化系統(tǒng)與阻化劑噴灑系統(tǒng)選擇

氣霧阻化系統(tǒng)是將霧化噴嘴設(shè)置于進(jìn)風(fēng)隅角位置，然后利用噴嘴將阻化劑霧化噴出，借助于漏往采空區(qū)域氣流，將阻化劑帶至采空區(qū)域中，然后在重力以及靜電等各種外力的作用之下，霧化的阻化劑便能夠附著在浮煤表面，從而確保浮煤能夠得以惰化。此種阻化系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)技術(shù)簡(jiǎn)便，而且安全，成本較少。然而，氣霧阻化劑需要利用采空區(qū)漏風(fēng)，而大的漏風(fēng)對(duì)采空區(qū)防火是不利的。

噴灑阻化系統(tǒng)則是借助于噴霧設(shè)備把阻化液直接的噴灑于煤體表層。此種方法技術(shù)更為簡(jiǎn)單，而且適宜應(yīng)用在巷道、浮煤以及工作面之中，所以，正?；夭善陂g，本設(shè)計(jì)選用在采煤工作面直接向采空區(qū)浮煤噴灑阻化劑。

2.3 工作面一次噴灑量

（1）工作面底板浮煤噴灑量

式中：G為按重量計(jì)算一次噴灑量，kg；K為噴灑加量系數(shù)，取1.2；d為松散煤的密度值，取1 t/m3；L為工作面長(zhǎng)度值，為240 m；B為一次噴灑的寬度值，取1.2m；h為底板浮煤厚度值，取0.02 m；A為原煤的吸藥液量，取47 kg/t。

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入（1）式，則8號(hào)煤工作面一次噴灑量為：

G綜=KdLBhA=1.2×1.0×240×1.2×0.02×

47=324.86 kg

8號(hào)煤工作面一次噴灑所需阻化劑用量為：

G阻=G×ρ=324.86×10%=32.49 kg

（2）巷道煤壁的噴灑量

式中：G0為噴灑范圍內(nèi)巷道所需溶液的噴灑量，kg；K為噴灑加量系數(shù)，取1.2；L0為噴灑巷道的長(zhǎng)度值，8號(hào)煤取1500m；A0為巷道單位長(zhǎng)度吸液數(shù)量，取3 kg/m。

則可以計(jì)算得出，8號(hào)煤層為：

G0=KL0A0=1.2×1500×3=5400 kg

順槽巷道噴灑所需阻化劑用量為：

G阻=G0×ρ=5400×10%=540 kg

（3）阻化劑噴灑工藝說(shuō)明

噴灑阻化劑在準(zhǔn)備班進(jìn)行，主要是在運(yùn)輸和回風(fēng)順槽煤柱側(cè)噴灑，同時(shí)在每次移架前對(duì)支架和運(yùn)輸機(jī)之間進(jìn)行噴灑。工作面底板若是存在底煤，則同樣應(yīng)當(dāng)噴灑阻化劑。要是底板結(jié)構(gòu)中不存在底煤，則要確保浮煤應(yīng)當(dāng)在回收作業(yè)前徹底被清理完，這樣可以不噴灑。

3 結(jié)語(yǔ)

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，不可避免的會(huì)發(fā)生煤炭自然發(fā)火問(wèn)題，而若是出現(xiàn)煤炭自然發(fā)火問(wèn)題，將會(huì)對(duì)井下作業(yè)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，結(jié)合泰山隆安煤業(yè)8號(hào)煤層的實(shí)際情況，針對(duì)煤炭不同自然發(fā)火期的特征以及所形成的特有氣體加以分析與試驗(yàn)，分別研討了出現(xiàn)CO、C2H4、C2H2等氣體情況下所對(duì)應(yīng)的溫度值，結(jié)合不同的溫度對(duì)煤炭自然發(fā)火情況加以分析，從而及時(shí)的檢測(cè)出可能存在的自然發(fā)火點(diǎn)，以采取有效的措施加以防治。結(jié)合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其對(duì)于指導(dǎo)泰山隆安煤業(yè)煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作起到了重要作用，具體體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

1）借助于紅外測(cè)溫裝置，定期的開(kāi)展巡視工作，找出煤層高溫位置，及時(shí)的采取有效措施防止發(fā)生自然發(fā)火問(wèn)題。

2）采用鉆孔測(cè)溫方法進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)，針對(duì)頂煤破碎以及存在自燃隱患的位置，埋設(shè)長(zhǎng)度為1.8 m左右測(cè)溫管實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)該位置處溫度情況。

3）由于煤炭處在低溫氧化階段會(huì)形成CO氣體，同時(shí)通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得出，CO氣體屬于早期監(jiān)測(cè)煤炭自然發(fā)火問(wèn)題的敏感指標(biāo)，尤其是在煤炭的溫度值超過(guò)了150℃情況下，更易檢測(cè)出CO氣體，當(dāng)監(jiān)測(cè)到煤層之中的CO氣體持續(xù)存在，而且其濃度一直在增加，則說(shuō)明煤炭開(kāi)始出現(xiàn)了自熱現(xiàn)象并向著自燃方向發(fā)展，此時(shí)應(yīng)當(dāng)及時(shí)采取有效的防滅火措施。如此實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)空氣之中存在C2H4氣體，說(shuō)明采區(qū)之中某位置處出現(xiàn)了溫度超過(guò)160℃的自然發(fā)火位置，也表明了該位置處的煤體進(jìn)入到了加速氧化時(shí)期，應(yīng)當(dāng)引起重視。當(dāng)檢測(cè)到了C2H2氣體，表明煤炭已經(jīng)臨近燃燒，或者煤炭已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)燃燒，應(yīng)當(dāng)即刻制定防滅火方案，盡可能的避免煤層出現(xiàn)自燃問(wèn)題。