王小燕

(霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

煤層自燃問題嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤礦中自然發(fā)火的火災(zāi)次數(shù)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%以上，而采空區(qū)遺煤自燃發(fā)生頻率最多，占總煤層自燃次數(shù)的60%[1]，因此，對采空區(qū)自燃規(guī)律的研究尤其重要。以辛置煤礦10-428B工作面為背景，利用現(xiàn)場束管檢測系統(tǒng)，獲得采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律來劃分采空區(qū) “三帶”[2]；據(jù)此計(jì)算出工作面推進(jìn)臨界速度，并提出預(yù)防性灌漿和注氮防滅火的技術(shù)措施防止煤體自燃，有利于工作面安全高效的回采。

1 工程概況

辛置煤礦10-428B工作面所采10#煤層厚度不穩(wěn)定，煤層平均厚度2.6 m，平均傾角4°.工作面布置10-428B1和10-428B2兩條巷道。10-428B1巷為運(yùn)輸巷，走向長度約883 m；10-428B2巷為回風(fēng)巷，走向長度約774 m.工作面長240 m，采高為2.6 m，采用單一煤層一次采全高走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。

2 采空區(qū)自燃指標(biāo)氣體的確定

取辛置礦工作面新鮮煤樣并進(jìn)行現(xiàn)場封裝，將其研磨制作成60～80目粒度的實(shí)驗(yàn)煤樣，放入控溫爐膛內(nèi)，同時安設(shè)溫度探頭。打開高壓空氣氣瓶供氣，供氣量為80 mL/min；實(shí)驗(yàn)設(shè)定的升溫速率為2 ℃/min；實(shí)驗(yàn)溫度為16 ℃～30 ℃.恒溫運(yùn)行2 min，再把煤樣管出氣管連接到礦用氣相色譜儀(GC-950型)中進(jìn)行氣體成分分析，得到氣體濃度與溫度變化曲線，見圖1，圖2.

圖1 煤樣升溫氧化指標(biāo)氣體濃度與溫度關(guān)系圖

圖2 C2H4/C2H6與溫度關(guān)系圖

由圖1可知，隨著煤溫的升高，O2、CO、CO2、C2H4、C2H6均呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化：

1)CO在30 ℃就出現(xiàn)。當(dāng)煤溫在30 ℃～70 ℃，CO濃度隨煤溫的升高變化不大；當(dāng)煤溫在70 ℃～110 ℃時，CO濃度隨煤溫升高稍有增大；當(dāng)煤溫超過110 ℃左右，CO濃度生成量呈指數(shù)規(guī)律增加。110 ℃可以作為CO指標(biāo)氣體濃度變化明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即是判斷進(jìn)入氧化帶緩慢氧化階段的指標(biāo)。

2)煤溫在30 ℃時含有CH4氣體，說明煤體本身含有CH4氣體。從圖1可以看出，煤溫在30 ℃～80 ℃、80 ℃～130 ℃、130 ℃～180 ℃時，CH4氣體量隨煤溫的增加而緩慢升高，煤溫超過180 ℃，CH4氣體量迅速增加。

3)為了便于觀察，C2H4和C2H6的氣體濃度擴(kuò)大100倍。由圖1可知，C2H4和C2H6分別在煤溫達(dá)到120 ℃、180 ℃時出現(xiàn)，C2H4和C2H6濃度隨著煤溫升高呈指數(shù)型增加。只有煤進(jìn)入加速氧化階段，C2H4和C2H6才能大量迅速出現(xiàn)，即C2H4和C2H6的出現(xiàn)是煤進(jìn)入加速氧化階段的一個重要標(biāo)志。通過上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，C2H4和C2H6是較好的指標(biāo)氣體。

4)從圖2可以看出，在210 ℃時，C2H4/C2H6的比值達(dá)到最高值，說明在210 ℃時，煤的氧化已經(jīng)進(jìn)入激烈氧化階段。

綜上所述，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，CO、C2H4/C2H6隨著煤溫的升高，變化更加劇烈，可以作為辛置煤礦10#煤樣標(biāo)志性氣體，而CH4、C2H4和C2H6雖然也隨著煤溫的升高，產(chǎn)生劇烈變化，考慮到煤氧化過程中釋放的 CH4、C2H4和C2H6氣體一般來源于吸附氣體釋放、氧化產(chǎn)生等情況，烷烴氣體宜作為煤層自然發(fā)火的輔助指標(biāo)。只要在井下檢測到烷烴氣體濃度呈持續(xù)快速上漲的趨勢，即可預(yù)報煤已自然發(fā)火，故可將其作為輔助參考指標(biāo)。

3 10-428采空區(qū)自燃“三帶”的測定劃分

3.1 束管檢測系統(tǒng)布置方案

10-428B工作面采用采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對煤炭自燃的連續(xù)監(jiān)測。該方案分別在10-428B1巷和10-428B2巷分別布置一組束管，每組4根束管，每根束管布置一個測點(diǎn)，每組測點(diǎn)間距設(shè)計(jì)為15 m，測點(diǎn)外管路再延伸100 m，即距離工作面145 m處布置觀測站，見圖3.

圖3 采空區(qū)“三帶”觀測系統(tǒng)布置示意圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

隨著工作面的不斷推進(jìn)，對采空區(qū)內(nèi)的氣體濃度及溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，得到不同測點(diǎn)的O2濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線，見圖4.

圖4 氧濃度隨距工作面距離變化曲線圖

由圖4c)、圖4d)可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)測點(diǎn)氧濃度隨距工作面距離變化情況，氧氣濃度在距工作面28 m處下降到18%左右，在51 m下降到10%以下，所以可認(rèn)為51 m以后已處于窒息帶內(nèi)。從圖4a)、圖4b)可知，回風(fēng)側(cè)測點(diǎn)氧濃度隨距工作面距離變化情況，氧氣濃度在距工作面32 m處下降到18%左右，在52 m下降到10%以下，所以可認(rèn)為52 m以后已處于窒息帶內(nèi)。

綜上所述，采空區(qū)距工作面大于28 m時，氧濃度小于18%；距工作面28～52 m時，氧濃度在18%～10%；距工作面大于52 m時，氧濃度小于10%.根據(jù)氧濃度劃分的采空區(qū)“三帶”：0～28 m為散熱帶，28～52 m為氧化帶，大于52 m為窒息帶。應(yīng)用數(shù)值模擬方法，根據(jù)10-428B實(shí)際氧濃度、工作面推進(jìn)等情況，建立采空區(qū)氧濃度幾何模型，模擬出采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，見圖5，模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測結(jié)果一致。

圖5 10-428B工作面采空區(qū)“三帶”計(jì)算模擬圖

4 采空區(qū)防滅火措施

4.1 工作面推進(jìn)臨界速度

10-428B工作面的散熱帶寬度為28 m，工作面平均推進(jìn)速度為2 m/d，即工作面推進(jìn)15 d后，采空區(qū)進(jìn)入自燃帶的范圍。根據(jù)煤層最短自然發(fā)火期T和工作面的推進(jìn)速度V0，可計(jì)算出工作面在最短自然發(fā)火期內(nèi)的推進(jìn)距離L0，即：

L0=T×V0

式中：

V0—工作面平均推進(jìn)速度，m/d.

工作面采空區(qū)內(nèi)散熱帶與氧化帶的寬度之和L小于L0的區(qū)域，浮煤不會發(fā)生自燃。散熱帶與氧化帶的寬度之和L大于L0的區(qū)域，浮煤有可能發(fā)生自燃，采空區(qū)內(nèi)長度L～L0的區(qū)域即為采空區(qū)氧化自燃危險區(qū)域。

根據(jù)采空區(qū)散熱帶與自燃帶的寬度之和L和煤層實(shí)際最短自燃發(fā)火期，可推算出工作面安全推進(jìn)速度VA，即：

VA=L/T

當(dāng)工作面的推進(jìn)速度V≥VA時，采空區(qū)浮煤就不會發(fā)生自燃。對于10-428B工作面，通過煤層自然發(fā)火試驗(yàn)可知，最短自然發(fā)火期為T=20 d，工作面的臨界推進(jìn)速度為：

V=L/T=(LA+LB)/T=2.6

式中：

L—自燃帶的最大寬度，m；

LA—散熱帶的寬度，m；

LB—氧化帶的寬度，m；

T—最短發(fā)火期，d.

對于10-428B工作面10#煤層來說，當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于2.6 m/d，采空區(qū)有自然發(fā)火的危險，應(yīng)采取相應(yīng)的防滅火措施；工作面推進(jìn)速度大于2.6 m/d時，應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)氣體檢測，根據(jù)化驗(yàn)氣體情況，采取相應(yīng)的措施。

4.2 滅火措施

1)灌漿防滅火。

2-208回采工作面移動注漿泵站安設(shè)在2-208副巷泵站附近。注漿順序?yàn)椋阂苿幼{泵站→2-208副巷→2-208上隅角→采空區(qū)。

注漿方法：灌漿方法采用踏步式埋管灌漿，即隨著回采工作面推進(jìn)向采空區(qū)內(nèi)埋管道進(jìn)行注漿，以充填采空區(qū)空隙，覆蓋采空區(qū)遺煤，減小采空區(qū)漏風(fēng)量，防止采空區(qū)自燃。采用上隅角插管向采空區(qū)注漿，注漿步距為4.0 m.注漿時一旦發(fā)現(xiàn)潰漿，立即停止注漿。

2)注氮防滅火。

氮?dú)馐且环N良好的惰性氣體，空氣中氮?dú)夂吭礁?，氧氣含量越低。?dāng)氧氣含量控制在5%～10%時，可抑制煤炭的氧化自燃；當(dāng)降至3%以下時，可以完全抑制煤炭等可燃物的自燃與復(fù)燃。將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)中，使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及遺煤帶，可以有效降低氧氣含量，形成氮?dú)舛杌瘞В_(dá)到抑制采空區(qū)自燃和安全開采的目的。

5 結(jié) 論

1)通過程序控溫箱、氣體分析儀等實(shí)驗(yàn)儀器對工作面所采集的煤樣進(jìn)行升溫過程中氣體濃度的測定，確定了CO、C2H4/C2H6為辛置煤礦10號煤樣的標(biāo)志性氣體，將CH4、C2H4和C2H6等氣體作為煤層自然發(fā)火的輔助指標(biāo)。

2)通過建立現(xiàn)場束管檢測系統(tǒng)，獲得采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律得到采空區(qū)“三帶”：0～28 m為散熱帶，28～52 m為氧化帶，距離工作面52 m后為窒息帶。

3)根據(jù)采空區(qū)“三帶”分布計(jì)算得出工作面推進(jìn)臨界速度為2.6 m/d，通過預(yù)防性灌漿和注氮防滅火的技術(shù)措施能夠有效地防止煤體自燃，有利于工作面安全高效的回采。