武和平

(孝義市應(yīng)急管理局，山西 孝義 032300)

據(jù)統(tǒng)計，我國國有重點(diǎn)煤礦中，存在煤炭自然發(fā)火危險的礦井占比達(dá)56%，而由于煤炭自燃引起的火災(zāi)事故在礦井火災(zāi)事故中的比例在90%以上。隨著工作面生產(chǎn)能力的增大，工作面走向和傾斜長度增大，采空區(qū)漏風(fēng)面積大，遺煤自燃的幾率增大，給煤礦的安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響[1-5]。

1 工程概況

正旺煤業(yè)21102工作面所采煤層2號煤，平均厚度2.3 m。該煤層為Ⅱ類自燃煤層，同時該煤層具有爆炸危險性，火焰長度為320 mm。工作面為刀把形，初始切眼長度為137 m，對接后的切眼長度為160 m。推進(jìn)長度為697 m，工作面采用一次采全高走向長壁綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，最大控頂距5.4 m，最小控頂距4.6 m。工作面巷道沿煤層底板掘進(jìn)，為矩形斷面，規(guī)格為4.8 m×3.2 m(寬×高)，錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)。

工作面通風(fēng)方式為一進(jìn)一回“U”型通風(fēng)，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，運(yùn)料巷回風(fēng)。工作面采用“三八”制作業(yè)，早班檢修，中班和夜班生產(chǎn)，正常每天割煤5刀，進(jìn)尺4.0 m，正常回采時的風(fēng)量為750 m3/min。

2 自燃機(jī)理分析

2.1 煤炭自燃的特征

采空區(qū)煤炭的自然發(fā)火可以分為三個階段，如圖1所示。

圖1 煤炭自燃發(fā)火三個階段

1) 潛伏期。工作面開采后，在常溫甚至低于常溫下，采空區(qū)的遺煤與氧氣接觸，發(fā)生氧化反應(yīng)，在煤體表面形成氧化物，煤的活性增強(qiáng)。

2) 自熱期。在該階段，采空區(qū)遺煤的化學(xué)反應(yīng)速度加快，并且生成CO和CO2等氣體，同時釋放熱量，隨著熱能的積蓄，溫度逐漸升高，溫度的升高又增加了煤炭的反應(yīng)速度，當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)溫度時，煤體發(fā)生自燃。該階段的主要監(jiān)測對象是溫度。

3) 燃燒期。該階段內(nèi)，煤體已經(jīng)發(fā)生自燃，生成有大量的CO和CO2等氣體，并且有明顯的煙霧，甚至有明火出現(xiàn)。該階段內(nèi)可以通過監(jiān)測O2或標(biāo)志性氣體的濃度來判斷煤炭的自燃情況。

2.2 著火點(diǎn)試驗

在21102運(yùn)輸巷中取樣，實(shí)驗室內(nèi)利用碎煤機(jī)將煤樣破碎，篩分出15～20目、35～50目、60～80目、90～110目、120～150目、160～190目和200目八組不同的粒徑，編號為1～8。將不同的煤樣置于恒溫箱內(nèi)烘烤5 h以上，溫度保持在100 ℃，之后在坩堝內(nèi)進(jìn)行20～600 ℃的燃燒試驗。模擬的空氣流量為30 mL/min，O2和N2的比例為1∶4。采用DTGA法確定著火點(diǎn)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 煤樣燃點(diǎn)實(shí)驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，2號煤最低著火點(diǎn)為364.2 ℃，相對較低，在一定溫度下容易發(fā)生自燃。

2.3 吸氧量試驗

將煤樣破碎篩分為7～15目、16～20目、25～40目和45～70目四組，每組2份試樣。采用的儀器為ZRJ-1 型煤自燃傾向性測定儀。取煤樣1 g置于儀器內(nèi)，分別進(jìn)行兩次吸附和脫附，吸附時間為20 min和5 min，脫附時間為2 min，分別計算實(shí)管峰和空管峰面積，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 吸氧量試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，2號煤的最高吸氧量為1.307 6 cm3/g，相對較高，在密閉不好的條件下容易發(fā)生氧化反應(yīng)。并且隨著粒徑的減少，吸氧量存在一定的波動，不是簡單的線性關(guān)系。

3 采空區(qū)氣體變化觀測研究

3.1 氣體變化監(jiān)測

工作面推進(jìn)60 m時，在21102進(jìn)風(fēng)巷中布置5個測點(diǎn)，間距為35 m，利用束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測。束管與地面氣相色譜相連，利用氣相色譜定期分析的方法對采空區(qū)氣體中的成分進(jìn)行分析。

其中4號測點(diǎn)的觀測結(jié)果如圖2所示。

圖2 4號測點(diǎn)氧氣濃度監(jiān)測結(jié)果

由圖可以看出，工作面推過后，氧氣的濃度逐步下降。當(dāng)工作面位于測點(diǎn)前方170 m時，采空區(qū)中的氧氣濃度下降到18%以下。當(dāng)工作面推過測點(diǎn)260 m時，采空區(qū)中的氧氣濃度為7.341 9%.

3.2 溫度監(jiān)測

在21102進(jìn)風(fēng)巷中設(shè)置5個測溫點(diǎn)，在實(shí)體煤幫施工鉆孔，在鉆孔中埋設(shè)熱電偶，監(jiān)測采空區(qū)中的溫度變化。其中3號測點(diǎn)監(jiān)測到的溫度變化如圖3所示。

圖3 3號測點(diǎn)溫度監(jiān)測結(jié)果

3號測點(diǎn)的溫度觀測結(jié)果表明，在工作面推過后一段時間內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)的溫度變化較大，但總體呈上升趨勢，最高溫度可達(dá)43.19 ℃，工作面推過13 d即在工作面后方65 m左右，工作面溫度達(dá)到穩(wěn)定。

根據(jù)實(shí)驗室實(shí)驗，2號煤的煤樣在35 ℃左右時監(jiān)測到了CO氣體，表明出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象。因此高溫區(qū)內(nèi)有煤炭氧化的可能。

3.3 三帶劃分

根據(jù)21102工作面O2濃度的監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合采空區(qū)溫度變化特征，確定工作面采空區(qū)散熱帶的范圍為工作面后方60～70 m，窒息帶的范圍為工作面后方265 m，中間氧化帶的平均寬度為200 m，三帶分布如圖4所示。

圖4 采空區(qū)自燃“三帶”劃分(m)

4 自然發(fā)火防治措施

4.1 采空區(qū)注氮

按如下公式計算采空區(qū)注氮量Q：

式中：Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，取8 m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧氣濃度，(18%～7%)，取12%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，取7%；CN為注入采空區(qū)中的氮?dú)鉂舛龋?7%；k為備用系數(shù)，取1.3。

代入計算可得，21102工作面所需的氮?dú)饬繛?80 m3/h。選用沈陽煤科院的DM-1000型注氮機(jī)，該注氮機(jī)以井下空氣為原料，產(chǎn)氮量為1 000 m3/h。將該注氮機(jī)布置在采區(qū)軌道下山內(nèi)，利用76.2 mm管路經(jīng)工作面兩個巷道向采空區(qū)內(nèi)注漿，每隔30 m設(shè)置一個出氣口。注氮方式為預(yù)防性間隔注漿，每天的注氮時間不小于2 h，但采空區(qū)監(jiān)測到有自燃的標(biāo)志性氣體或其他發(fā)火征兆時，24 h不間斷注氮，直至自然發(fā)火征兆消失。當(dāng)工作面遇到斷層等地質(zhì)構(gòu)造推進(jìn)速度變慢時，應(yīng)當(dāng)延長注氮時間或連續(xù)注氮。

4.2 防火劑噴霧阻化

在工作面兩巷內(nèi)，向工作面噴射MEA 防滅火材料，該防火材料由滅火劑和發(fā)泡劑組成，使用時加水制成漿液利用注漿泵注入到鉆孔中。操作流程如圖5所示。

圖5 MEA 防滅火材料工藝流程

在工作面上下隅角處，各布置3個鉆孔，呈扇形，孔深6 m。工作面正常推采期間滅火劑的比例為7%，和發(fā)泡劑的比例為9%，工作面推進(jìn)緩慢期間可適當(dāng)加大滅火劑的用量。采用2BN50/1.5 型泥漿泵，額定流量50 L/min，管路為內(nèi)徑5 cm的鋼管，初始注漿壓力控制在0.9～1.0 MPa之間，當(dāng)壓力升至1.3 MPa時停止注漿，并對管路進(jìn)行清洗。

4.3 支設(shè)煤袋墻

在工作面遇到地質(zhì)構(gòu)造推進(jìn)緩慢的地段或者停采期間，在工作面上下兩巷支設(shè)煤袋墻?，F(xiàn)場取煤粉，噴灑水和防火劑，攪拌均勻，裝入編織袋中。沿巷道底板鋪設(shè)風(fēng)簾布，在風(fēng)簾上堆壘煤袋，同時將風(fēng)簾緊貼袋子墻吊起，掛于巷道頂板的金屬網(wǎng)上，如圖所6示。

圖6 煤袋墻支設(shè)示意

該方式現(xiàn)場取材，施工方便，堵漏效果較好，需要加強(qiáng)監(jiān)督管理，每班規(guī)定專人對擋風(fēng)墻的質(zhì)量和擋風(fēng)簾的懸掛位置進(jìn)行視察，如出現(xiàn)煤袋墻上部不接頂?shù)嚷╋L(fēng)現(xiàn)象立即組織人員堵漏。

5 結(jié) 語

1) 正旺煤業(yè)2號煤層煤的最低著火點(diǎn)為364.2 ℃，最高吸氧量為1.307 6 cm3/g，具有著火點(diǎn)低、靜態(tài)吸氧量大等特點(diǎn)，在工作面回采中應(yīng)當(dāng)采取防滅火措施。

2) 21102工作面采空區(qū)散熱帶的范圍為工作面后方60～70 m，窒息帶的范圍為工作面后方265 m，中間氧化帶的平均寬度為200 m，工作面后方200 m是防治的重點(diǎn)區(qū)域。

3) 通過采取采空區(qū)注氮、噴射防火劑、支設(shè)煤袋墻等措施，實(shí)現(xiàn)了21102工作面的安全回采，為正旺煤業(yè)2號煤開采提供了經(jīng)驗。