采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害防治機(jī)理與技術(shù)探究

黃立新

湖南省煤業(yè)集團(tuán)嘉禾礦業(yè)有限公司 湖南 郴州 424500

1 引言

受到采場(chǎng)復(fù)雜性的影響使煤自燃擁有了很多的特性,煤自燃是一種煤氧完成復(fù)合放熱的一個(gè)過(guò)程,本身就是一種放熱效應(yīng),另外煤的溫度隨著放熱性的升高而升高,這時(shí)產(chǎn)生的有毒氣體會(huì)隨著風(fēng)的方向被精確定位,但是不能準(zhǔn)確定位出現(xiàn)火情的位置,煤體本身在自燃的情況下會(huì)給控制火情造成一定影響,經(jīng)過(guò)有關(guān)研究證明,溫度在高達(dá)200℃的情況下,即使氧氣不足也會(huì)產(chǎn)生復(fù)合反應(yīng),如果氧氣在充足的情況下就可以在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生明火。為了有效合理的對(duì)煤與瓦斯自燃復(fù)合災(zāi)害進(jìn)行防治,本文主要針對(duì)厚煤層中采空區(qū)煤層自燃發(fā)火防治方面的問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2 復(fù)合災(zāi)害預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)技術(shù)

2.1 采空區(qū)煤層自燃災(zāi)害預(yù)測(cè)技術(shù)

(1)煤自燃的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。對(duì)煤層自燃危險(xiǎn)程度的預(yù)測(cè)可通過(guò)自燃發(fā)火的等級(jí)來(lái)確定,煤自燃危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)的方法主要有統(tǒng)計(jì)類(lèi)比方法、實(shí)驗(yàn)方法和綜合評(píng)判的方法,統(tǒng)計(jì)類(lèi)比方法是根據(jù)歷史發(fā)生自燃災(zāi)害的數(shù)據(jù),結(jié)合工作面實(shí)際工作情況來(lái)分析煤層的自燃程度。實(shí)驗(yàn)方法中常用的是色譜動(dòng)態(tài)吸氧的預(yù)測(cè),該方法是對(duì)煤樣對(duì)氧氣的吸附量來(lái)劃分自燃性。綜合評(píng)判方法是在大量研究資料的基礎(chǔ)上,獲取煤層發(fā)生自燃危險(xiǎn)的影響因素,然后根據(jù)這些因素建立模糊數(shù)學(xué)理論,通過(guò)逐步聚類(lèi)的分析來(lái)預(yù)測(cè)煤層發(fā)生自燃的危險(xiǎn)等級(jí)。

(2)煤層自燃發(fā)火期的預(yù)測(cè)。對(duì)煤層自燃發(fā)火期的預(yù)測(cè)是通過(guò)還原現(xiàn)場(chǎng)、建立大型模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)來(lái)進(jìn)行,這樣可以近似的還原現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,但是這種實(shí)驗(yàn)成本較高、工作量大,所以很多研究學(xué)者一般采用數(shù)值模擬的方法來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(3)采空區(qū)自燃區(qū)的預(yù)測(cè)。采空區(qū)自燃預(yù)測(cè)一般采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)兩種方法,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氧氣濃度的分布,將其劃分為氧化帶、散熱帶和窒息帶,另外還可以根據(jù)漏風(fēng)的風(fēng)速將采空區(qū)分為不自燃地區(qū)和自燃地區(qū),但是這種只能反應(yīng)出采空區(qū)兩巷的情況,不能全面反映出采空區(qū)自燃的情況。數(shù)值模擬是利用采空區(qū)溫度場(chǎng)和氧濃度場(chǎng)來(lái)建立數(shù)值模擬方程式,依據(jù)煤炭自燃的傳質(zhì)來(lái)進(jìn)行模擬分析。

2.2 采空區(qū)煤層自燃災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù) 采空區(qū)煤層自燃災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)主要是根據(jù)煤層自燃的初期現(xiàn)象來(lái)判斷自燃的一種災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù),目前主要分為指標(biāo)氣體法和測(cè)溫法兩類(lèi),采用的手段一般是通過(guò)工人的現(xiàn)場(chǎng)取樣和采用礦井傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

指標(biāo)氣體法：煤炭在發(fā)生氧化反應(yīng)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些氣體產(chǎn)物,例如CO2、CO、Cm Hn等氣體,根據(jù)這些氣體產(chǎn)物可以反映出煤層自燃的程度。實(shí)時(shí)對(duì)這些氣體產(chǎn)物進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)這些指標(biāo)的種類(lèi)、濃度和溫度等參數(shù)來(lái)分析指標(biāo)氣體和煤體自燃之間的關(guān)系,這種方法主要用于礦井火災(zāi)的早期預(yù)報(bào),相應(yīng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用,是一種有效的預(yù)報(bào)技術(shù)。

測(cè)溫法：煤在氧化過(guò)程中可以對(duì)本身的溫度和周邊巖層的溫度進(jìn)行測(cè)驗(yàn),這種測(cè)溫方法主要通過(guò)對(duì)煤體和圍巖溫度變化進(jìn)行測(cè)定,是發(fā)現(xiàn)煤自熱和高溫點(diǎn)的最直接方法,但是目前對(duì)煤體內(nèi)部溫度的測(cè)試技術(shù)還不夠完整,現(xiàn)在常用測(cè)量?jī)x器主要有溫度傳感器和紅外線(xiàn)測(cè)溫儀。

3 復(fù)合災(zāi)害防治機(jī)理

瓦斯和煤自燃兩種災(zāi)害是相互影響和相互制約,從兩種災(zāi)害的特性來(lái)觀(guān)察,瓦斯災(zāi)害的發(fā)生需要氧氣、瓦斯和引火源三者的共同作用,前兩者是客觀(guān)存在的,引火源主要為工作面的各種電氣和機(jī)械設(shè)備的影響,采空區(qū)內(nèi)部引火源主要沒(méi)煤自燃的影響。煤礦對(duì)瓦斯的防治主要是通過(guò)各種措施來(lái)控制瓦斯的積聚,限制其達(dá)到爆炸的條件,但是在采空區(qū)內(nèi)部是不能控制的,只能通過(guò)防治煤自燃來(lái)控制引火源。煤自燃需要同時(shí)具備四個(gè)條件,這四個(gè)條件分別為碎煤具有自燃傾向性、蓄熱條件、供氧環(huán)境和氧化時(shí)間,對(duì)煤自燃防治主要是通過(guò)對(duì)時(shí)間、溫度和氧氣進(jìn)行控制。

4 以預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)為主的復(fù)合災(zāi)害防治方法

4.1 控制漏風(fēng) 隨著工作面風(fēng)量的不斷提升,采空區(qū)自燃帶的寬度也有了明顯的提升,尤其是進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)側(cè)的自燃帶。所以在保證工作面用風(fēng)需求的基礎(chǔ)上合理控制工作面的風(fēng)量。采用控制漏風(fēng)的方法來(lái)減少煤體與氧氣的結(jié)合,一般有封閉法、均壓法和噴漿法。水泥噴漿的工作量比較大、抗動(dòng)壓的性能比較低,防火效果不理想；泡沫堵漏方法和水泥噴漿相比,其各方面的性能比較好,但是成本較高,另外在溫度較高的情況下還會(huì)釋放出有害氣體；均壓法又分為閉區(qū)和開(kāi)區(qū)兩種,閉區(qū)均壓通過(guò)降低封閉區(qū)域的漏風(fēng)來(lái)降低氧氣的濃度,開(kāi)區(qū)均壓是通過(guò)減弱采空區(qū)四周的壓力差來(lái)降低氧氣濃度。

4.2 惰化防火 依靠惰性氣體的方法來(lái)降低濃度可以有效的控制火災(zāi)的蔓延,常用的惰性氣體有二氧化碳、氮?dú)獾纫约耙恍┒栊耘菽?采用惰性氣體的方法可以迅速注入整個(gè)空間,降低氧氣的含量,使發(fā)生火災(zāi)的地方由于缺氧而窒息。但是由于煤體的自燃熱量高,滅火周期較長(zhǎng),所以效果不是太好,不能徹底的控制煤體的自燃,有時(shí)還會(huì)發(fā)生復(fù)燃的情況。

采用泡沫的主要好處是可以有效降低采空區(qū)的氧氣濃度,產(chǎn)生的泡沫包裹煤體后可以隔絕與氧氣的結(jié)合,缺點(diǎn)是持續(xù)的時(shí)間比較短,發(fā)泡性能比較差,成本也相對(duì)比較高。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所訴,基于采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害防治機(jī)理的復(fù)雜性,對(duì)于采空區(qū)瓦斯和煤自燃復(fù)合災(zāi)害的防治焦點(diǎn)應(yīng)集中對(duì)煤自燃進(jìn)行控制,杜絕瓦斯爆炸的引火源,在煤體自燃方面,通過(guò)對(duì)煤自燃災(zāi)害的危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、發(fā)火期預(yù)測(cè)以及采空區(qū)自燃區(qū)的預(yù)測(cè),從控制漏風(fēng)和惰化防火兩個(gè)方面制定防火方法,以此來(lái)確定以預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)為主的復(fù)合災(zāi)害防治方法。