高瓦斯易自燃煤層綜合防滅火的防治研究

劉 興，郝 宇

（1.山西潞安集團 左權阜生煤業(yè)有限公司，山西 左權 032600；2.中煤科工集團重慶研究院，重慶 400037）

高瓦斯易自燃煤層綜合防滅火的防治研究

劉 興1，郝 宇2

（1.山西潞安集團 左權阜生煤業(yè)有限公司，山西 左權 032600；2.中煤科工集團重慶研究院，重慶 400037）

針對阜生煤礦綜采面煤層較厚、瓦斯含量高、煤層含硫量較高等易自燃的特點，采取注氮、注漿為主、預測預報等防滅火技術，保證了綜采面的安全回采，為類似礦井防滅火工作提供一定借鑒。

厚煤層；綜采工作面；綜合防治自燃

20世紀90年代以來，綜合機械化采煤作為高產(chǎn)高效集約化礦井的一項重要技術，得到大量推廣，隨著安全問題逐漸出現(xiàn)；統(tǒng)計資料表明：現(xiàn)有生產(chǎn)礦井中，具有煤層自燃危險性的高瓦斯礦井約占50%。煤礦開采過程中，瓦斯治理與自燃防治是矛盾的，如何針對高瓦斯、易自燃的15號煤層采取綜合治理手段，成為礦井安全回采的關鍵之一[1-3]。

1 礦井及工作面概況

井田東西長約3.0km，南北寬約2.5km，井田面積5.8196km2，批準開采15號煤層，生產(chǎn)規(guī)模1.2mt/a。15號煤層位于太原組下段中下部，上距K2灰?guī)r5.97m～12.03m，平均9.46m。礦井通風方式為中央并列式，通風方法為機械抽出式。礦井采用主立井、副立井、排矸斜井兼安全出口進風，回風立井回風，采用局部通風機的工作方法為壓入式的通風系統(tǒng)。礦井開采一采區(qū)工作面長180m，工作面兩端布置回風順槽和運輸順槽。

礦井15號煤層回采時，平均絕對瓦斯涌出量75.14m3/min,相對瓦斯涌出量19.84m3/t，阜生煤礦屬于高瓦斯礦井，15號煤層吸氧量為0.47g/cm3，自燃等級為Ⅱ類，自燃傾向性為自燃煤層；雖然煤中的硫含量不高，但煤層的直接頂和煤層中的含硫量極不均勻，經(jīng)對煤層直接頂14號、13號層的實驗分析，煤中硫含量達到8.48%和12.35%。由于黃鐵礦的激烈氧化溫度低于煤的激烈氧化溫度，且黃鐵礦化學反應均是放熱反應；故當工作面開采過程中煤層和直接頂中的黃鐵礦垮落入采空區(qū)后，黃鐵礦便在低溫階段發(fā)生氧化，因反應放出熱量大，可對煤的氧化自燃起促進和誘發(fā)作用，很易發(fā)生采空區(qū)氧化帶內(nèi)煤層自燃[4]。

2 礦井自燃綜合防治技術

由于阜生煤礦煤層賦存條件和開采技術特點屬于高瓦斯易自燃煤層，單獨采取注漿或注氮防治煤自燃，都不能較好達到防治火災效果。注氮氣能將采空區(qū)空氣惰化到不易自燃的程度，但同時也存在采空區(qū)漏風等因素影響，還需采取注漿、噴灑阻化劑等措施綜合防治煤自燃火災。

2.1 注氮防滅火措施

據(jù)我國用氮氣防滅火的經(jīng)驗，是將采空區(qū)防火惰化指標作為氮氣防滅火的計算標準。我國煤礦安全規(guī)程規(guī)定，注氮后采空區(qū)氧化帶內(nèi)氧含量應小于7%；應將這一指標作為設計依據(jù)，實質是將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧氣含量降到防火惰化指標以下，并按下式計算注氮流量：

式中：QN為注氮流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風量，現(xiàn)取5m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，20%～10%，取18%；C2為采空區(qū)惰化防火指標，取7%；CN為注入氮氣中的氮氣濃度，97%；K為備用系數(shù)，一般取1.2～1.5，現(xiàn)取1.3。根據(jù)計算，選擇的制氮設備產(chǎn)氮量應不低于1073m3/h，并用地面固定式變壓吸附式制氮設備。

對于工作面的日常防火注氮采取開放性注氮方式、沿進風順槽埋管注氮工藝。工作面停采撤架封閉后，向采空區(qū)采取封閉注氮工藝，即用埋管注氮工藝對采空區(qū)實施注氮氣。采空區(qū)注氮區(qū)域的氣體監(jiān)測，以束管監(jiān)測系統(tǒng)為主要監(jiān)測手段，現(xiàn)場人工檢測作為輔助手段，監(jiān)測指標主要包括監(jiān)測氣體的溫度，O2、C2H4、CO、CO2等標志性氣體的濃度。為便于采空區(qū)取氣樣分析，鋪設注氮管路時，同時在進、回風巷各布置束管監(jiān)測探頭，采樣探頭間距約50m左右。

2.2 注漿防滅火措施

由于礦井附近黃土資源豐富、礦井煤層較厚，依據(jù)注漿系統(tǒng)的適用條件采用集中注漿。由于泥漿土水比會直接影響注漿的質量與效果，故隨著煤層傾角、注漿方式、處理對象、注漿季節(jié)、輸漿泵線的不同，對它應作相應改變；采空區(qū)注漿，夏季取1∶3，冬季取1∶4。每日灌漿量510.32m3/d。對回采工作面上、下隅角，每隔一定距離進行充填封堵，并及時清理支架間落煤，減少遺煤進入采空區(qū)。每天檢修班要用不燃物封堵采煤工作面兩隅角，及時堵塞漏風通道，并裝袋對上、下隅角全斷面封堵。

2.3 阻化劑防滅火措施

一般情況下，對采空區(qū)采用噴灑阻化劑方式，即可起到預防自燃作用。煤層回采面每次放頂后，要對采空區(qū)底板浮煤噴灑阻化劑，一次噴灑量按下式計算：

式中：V為采煤工作面一次噴灑阻化劑的藥液量，m3；K1為易自燃部位藥液噴灑加量系數(shù)，一般取1.2；K2為采空區(qū)遺煤容重 (按采區(qū)遺煤煤樣實測)，1.44t/m3；L為工作面長度，取120m；S為一次噴灑寬帶，取1.2m；H為遺煤厚度，取0.2m；A為遺煤吸藥量，(在采空區(qū)采取煤樣，由試驗確定)，取 0.058t/t；γ為阻化液容重，取1.1t/m3。

工作面一次噴灑阻化劑溶液量為2.68t。工作面遇構造或設備故障推進緩慢時，每次放頂后噴灑一次，工作面距離停采線100m時開始噴灑。掘進巷道冒高處及巷道局部出現(xiàn)“掛汗”等現(xiàn)象、采用加強通風效果不明顯時，根據(jù)需要可對冒高處噴灑阻化劑或對周圍煤體打鉆孔壓注阻化劑。

2.4 自然發(fā)火預測預報措施

煤自燃的早期預報是礦井防滅火技術的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)煤在自然發(fā)火過程中生成氣體產(chǎn)物的組成、濃度、及其變化速率等特性，確定煤的自然發(fā)火進程、并預測煤的自然發(fā)火趨勢。結合阜生煤礦15號煤層自燃特性實驗研究，選用礦井專用氣相色譜儀，并配備紅外線便攜式測溫儀，對重點防范區(qū)域配備便攜式多參數(shù)檢測器，對重點容易自燃區(qū)域進行觀測和預報，以便采取相應預防措施。

對采空區(qū)埋管抽放瓦斯可能導致的煤自燃，預埋束管進行監(jiān)測，判斷抽放埋管管口附近區(qū)域的自燃危險性，也可根據(jù)抽放管路中的氣體成分變化情況分析，并根據(jù)氣體指標判定自燃危險性，具體判定標準見表1。并對監(jiān)測得到的存在自燃危險性的抽放管，采取暫停抽放或降低抽放量措施，并加強連續(xù)監(jiān)測，當回風中出現(xiàn)CO濃度升高達到異常標準時，應采取必要的自燃防治措施，包括不放頂煤加快推進、對工作面減風、加強堵漏風、注氮等采空區(qū)自燃綜合防治措施。

表1 自燃危險性判斷標準

2.5 其他相關措施

（1）加快工作面的推進速度：隨著回采工作面的推進，采空區(qū)散熱帶浮煤逐漸進入“氧化帶”，此時“氧化帶”內(nèi)浮煤蓄氧自熱能力逐漸加強。當工作面推進到某一段距離后，采空區(qū)氧化帶內(nèi)浮煤被甩入采空區(qū)，此時采空區(qū)不會出現(xiàn)煤層自燃。因此，回采工作面保持一個必要的推進度，結合左權礦區(qū)經(jīng)驗，設計確定礦井回采工作面月推進度為80m～100m。（2）通風方面的相應措施：由于井下瓦斯?jié)舛雀?、工作面風量較大，會造成井下漏風嚴重，引起煤層自燃；因此，工作面風量，在保證瓦斯治理的前提下，盡可能小些，才能確保工作面不發(fā)生自燃危險。

3 防滅火的效果考察

煤礦采煤工作面正?；夭善陂g，在回風中檢測到CO，一直保持在5PPm～10PPm。在礦井過斷層期間，工作面上隅角及回風均有一定升高，通過加強注氮氣、注漿等防滅火措施，回風CO濃度控制在保持在20PPm以下，未出現(xiàn)煤層加速氧化現(xiàn)象。CO變化趨勢曲線見圖1。

4 結束語

針對高瓦斯易自燃礦井，需要采取綜合措施解決瓦斯與煤層自燃的災害發(fā)生。尤對含硫量較高的15號煤層，更需注意加強煤層自燃機理研究、以及預測預報防滅火工作，針對煤層開拓開采特點、進行礦井專項防滅火設計工作，實施注氮、注漿、噴撒阻化劑、堵漏風等綜合防滅火措施，確保工作面的安全回采。

圖1 工作面回風CO變化趨勢

[1] 魏恒泰，陶云春.易燃厚煤層開采的防滅火技術與實踐[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社.1997.

[2] 劉松，蔣曙光，李亞東，等.高瓦斯自燃礦井的綜合治理技術［J］.煤礦安全，2010(7):54－56.

[3] 王長元，王正輝，岳超平.易燃高瓦斯綜放面煤層自燃綜合防治技術［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(5):56－58.

[4] 姬培玉，馮善欽.貴石溝礦綜放開采15#煤層的自然發(fā)火及防治[J].煤炭工程師：1998（6）：40-43.

[5] 中華人民共和國煤炭行業(yè)標準.煤礦注氮氣防滅火技術規(guī)范[S].MT/T 707-1997．

Comprehensive Prevention and Control against Spontaneous Combustion in High Gas Coal Seams

LIU Xing1，Hao Yu2
(1.Zuoquan Fusheng Coal Co.,Lu'an Coal Group,Zuoquan Shanxi 032600；
2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engnieer Group Corporation,400037)

Spontaneous combustion is likely to happen in Fushengmine because of some features like thick seam,high gas concentration,and high sulfur content.To guarantee the safe caving,nitrogen injection,grouting injection and forecasting were used,which was valuable for fire prevention and control work in similarmines.

thick seam;fully-mechanized working face;comprehensive prevention and control against spontaneous combustion

TD752.2

A

1672-5050（2012）10-0061-03

2012-05-19

劉 興（1985—），男，遼寧錦州人，大學本科，工程師，從事礦山通風工作。

劉新光