高瓦斯易自燃綜放面采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)防控

王憲光，陳志平，龔邦軍

（鐵法煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大興煤礦，遼寧 調(diào)兵山112700）

1 概述

火災(zāi)是礦井的五大災(zāi)害之一，礦井火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)兩大類。煤炭自然發(fā)火屬于內(nèi)因火災(zāi)，由于其火源具有隱蔽性，常發(fā)生在人們難以看見或不能進(jìn)入巷道松散煤體或采空區(qū)內(nèi)部。做好易自然煤層自燃發(fā)火的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)工作，是保證回采過程安全進(jìn)行的必要工作。防范在先，采取預(yù)防性措施，加強(qiáng)日常檢測(cè)工作，可以為安全回采提供保障。

自然發(fā)火一旦形成火災(zāi)將產(chǎn)生大量高溫有毒、有害氣體，且隨風(fēng)流擴(kuò)散蔓延，對(duì)井下人員造成危害，尤其在高瓦斯區(qū)域或瓦斯積存區(qū)域更容易造成二次瓦斯災(zāi)害，形成火災(zāi)、煤塵與瓦斯爆炸的連鎖反應(yīng)，擴(kuò)大了災(zāi)害的程度和范圍，對(duì)于高瓦斯易自燃煤層的綜放面是制約其安全生產(chǎn)的一個(gè)重要因素。

2 綜采放頂煤開采分析

綜采放頂煤采煤法在我國已經(jīng)應(yīng)用二十余年，這種采煤法掘進(jìn)率低、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)，并且容易實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)，而是用于現(xiàn)代化礦井大型化、生產(chǎn)集中化的發(fā)展，可以實(shí)現(xiàn)一井一面或一井兩面的高產(chǎn)高效高集中化的生產(chǎn)模式。

綜采放頂煤采煤法實(shí)質(zhì)是在厚煤層中沿煤層底板布置一個(gè)長壁工作面，用常規(guī)綜機(jī)法回采一定高度的煤炭，利用礦山壓力作用或者輔以人工松動(dòng)的方法，使綜采支架上部的頂煤，自行破碎成松散煤，由支架的放煤窗口放出，開采較集中，生產(chǎn)能力大。

由于開采強(qiáng)度大，采放同時(shí)作業(yè)，開采高瓦斯低透氣性煤層時(shí)，由于煤體瓦斯含量高，預(yù)抽效果差，瓦斯抽放主要依靠采動(dòng)影響增透后的邊采邊抽，抽放量還是受很多因素制約，工作面瓦斯涌出量較大，一般工作面需要配給較大的風(fēng)量，上下隅角的壓差大，煤塵產(chǎn)生量也較大。工作面放頂煤支架的放煤工藝不同，造成支架后部采空區(qū)遺留不同程度的脊背煤，另外一般綜采放頂煤工作面，端頭支架不放煤，也將是采空區(qū)內(nèi)遺留煤炭的主要來源之一。再有頂?shù)装宀煞琶翰煌耆?，也?huì)造成采空區(qū)遺留煤炭，為煤炭自燃埋下隱患。

圖1 可燃性煤炭氧化過程示意圖

3 自燃發(fā)火條件及位置分析

井下煤炭達(dá)到自然發(fā)火必須同時(shí)具備以下四個(gè)條件，即：具有可自燃性破碎松散煤存在、不斷的有含氧風(fēng)流供給、在這個(gè)環(huán)境中能夠造成熱量積聚，以上三個(gè)條件在足夠長的作用時(shí)間下，即有可能引起煤炭自燃發(fā)火，發(fā)展為火災(zāi)。如圖1 所示，可燃煤從暴露在空氣中開始，不斷地在氧化，但是只有在滿足自然發(fā)火另外三個(gè)條件時(shí)才能夠由蓄熱氧化潛伏時(shí)期轉(zhuǎn)變?yōu)榛馂?zāi)，否則，煤體冷卻后，一直會(huì)處于緩慢氧化狀態(tài)。

易自然高瓦斯工作面回采后，隨著工作面的推進(jìn)，會(huì)間斷不等量地在采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)松散遺留煤，也會(huì)使開采煤層卸壓，兩順側(cè)，尤其是超前支護(hù)段，煤體的破碎最為突出，這就提供了可燃物存在的條件；工作面需要連續(xù)不斷的通風(fēng)供給含氧不小于20%的新鮮風(fēng)流，為自燃提供了可支持燃燒的氧條件；支架支護(hù)的放頂煤工作面可以簡化為壁面不同粗糙程度的兩個(gè)相互聯(lián)通的矩形通道，根據(jù)管流流體流動(dòng)規(guī)律，管閉粗糙度大的區(qū)域流體流動(dòng)的雷諾系數(shù)低，越靠近支架風(fēng)速越低，特別是支架后部放煤空間處風(fēng)量更小，風(fēng)速更低。高頂和易造成瓦斯聚集的區(qū)域，也容易成為微風(fēng)或者無風(fēng)區(qū)。工作面上下隅角封堵不能夠完全實(shí)現(xiàn)隔絕采空區(qū)，上下三角點(diǎn)在通風(fēng)壓差作用下，要向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)，如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分示意圖

放頂煤工作面采空區(qū)內(nèi)的煤層頂板的受力形式可以近似于一個(gè)如圖3 所示的砌體梁式結(jié)構(gòu)模型。在這個(gè)模型中，梁的中間部位受到力的破壞效果最為顯著，即采空區(qū)暴露的頂板，沿工作面方向中間部位最先冒落。而在順槽兩側(cè)要留有隔離煤柱而且不放煤，是應(yīng)力集中區(qū)域，煤體受壓破碎，一般較中間部位壓實(shí)程度好，冒落高度較中間部位小，而且作用時(shí)間要較中間部位延遲，移架后，在上下端頭支架后部要形成較大的隅角空間。采空區(qū)的冒落空間、放煤空間、采煤空間，可以認(rèn)為是連同的三個(gè)并聯(lián)管流，如圖4，工作面風(fēng)流在壓力差作用下，由前三角點(diǎn)向后三角點(diǎn)流動(dòng)，所以下隅角空間成為主要漏風(fēng)的源，上隅角空間成為主要漏入采空區(qū)風(fēng)流的匯,由此流向回順。

圖3 砌體梁式結(jié)構(gòu)模型

圖4 工作面平面圖與剖面圖、等效網(wǎng)絡(luò)圖

我們可以將工作面采空區(qū)建立成一個(gè)以工作面傾向?yàn)閄 軸，以采空區(qū)深部為Y 軸，以垂直于工作面頂板方向?yàn)閆 軸的一個(gè)三維直角坐標(biāo)系。

（1）沿X 軸方向采空區(qū)內(nèi)流體流動(dòng)及自然發(fā)火情況分析

如圖4，風(fēng)流流動(dòng)是因?yàn)榇嬖谥鴫翰?，前三角點(diǎn)處一定比后三角點(diǎn)全壓高，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)情況如圖4漏風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，通風(fēng)壓差逐漸減小，漏風(fēng)量也逐漸減少，采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)自然發(fā)火三帶的寬度也逐漸向工作面前移，另外采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯受漏風(fēng)的影響向工作面上隅角聚集，受瓦斯一定程度抑制作用的影響，也是回順側(cè)自然發(fā)火三帶變窄的一個(gè)原因。采空區(qū)中間部位冒落和穩(wěn)定較快，一般較兩順難自然發(fā)火。故沿X 軸方向采空區(qū)靠近運(yùn)順側(cè)是自然發(fā)火幾率較高區(qū)。

（2）沿Y 軸方向采空區(qū)內(nèi)流體流動(dòng)及自然發(fā)火情況分析

由工作面支架后部深入采空區(qū)，漏風(fēng)量和風(fēng)流速度逐漸減小，含氧風(fēng)流不斷的對(duì)遺煤氧化，很容易產(chǎn)生蓄熱環(huán)境，形成自燃帶，氧化速度快，很容易轉(zhuǎn)變成劇烈燃燒。沿Y 軸方向采空區(qū)內(nèi)發(fā)火一般是在自燃帶內(nèi)的脊背煤處可能性較大。

但是工作面不斷地向前推進(jìn)，自然三帶也交替的向前隨工作面移動(dòng)，確定三帶的寬度，對(duì)于確定推進(jìn)最低速度和最佳停產(chǎn)時(shí)間，保障安全回采事很重要。

（3）沿Z 軸方向采空區(qū)內(nèi)流體流動(dòng)及自然發(fā)火情況分析

如圖3，1、2、3 區(qū)域均為冒落帶，冒落順序?yàn)?、2、1，漏風(fēng)裂隙逐漸由下向上部打開，隨時(shí)間，先冒落的要先趨于穩(wěn)定，裂隙逐漸壓實(shí)，而較為發(fā)育的裂隙應(yīng)該是冒落活動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域，所以，這些區(qū)域的漏風(fēng)也較為嚴(yán)重，但是這些裂隙也是采空區(qū)內(nèi)瓦斯的向上運(yùn)移通道和可能存儲(chǔ)地點(diǎn)，一般在其上部回賦存一定量的瓦斯氣體，這些氣體將起到一定的抑燃作用，所以自然發(fā)火區(qū)域應(yīng)該不會(huì)是在裂隙頂部，而是在距離底板有一定高度的富集遺煤處。

（4）上下隅角流體流動(dòng)及自然發(fā)火情況分析

下隅角漏風(fēng)始終是運(yùn)順內(nèi)溫度較低的新風(fēng)不斷補(bǔ)充，雖起到了冷卻的作用，但沒有終止氧化作用，而且隨著工作面推進(jìn)，冷卻帶進(jìn)入氧化帶后漏風(fēng)強(qiáng)度較弱會(huì)蓄熱升溫，最易發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)。而上隅角為主要的采空區(qū)漏風(fēng)主要出口，受通風(fēng)壓力的影響，其后部采空區(qū)內(nèi)的游離瓦斯也會(huì)向此處匯聚涌出，一定程度的起到了抑制自然發(fā)火的作用，是火災(zāi)發(fā)生的主要災(zāi)害擴(kuò)大區(qū)域。

4 影響自然發(fā)火的因素

4.1 煤的自燃性能

（1）煤的分子結(jié)構(gòu)，研究表明，煤的氧化能力主要取決于含氧官能團(tuán)多少和分子結(jié)構(gòu)的疏密程度。隨煤化程度增高，煤中含氧官能團(tuán)減少，孔隙度減小，分子結(jié)構(gòu)變得緊密。

（2）煤化程度，煤化程度是影響煤炭自燃傾向性的決定性因素。就整體而言，煤的自燃傾向性隨煤化程度增高而降低，即自燃傾向性從褐煤、長焰煤、煙煤、焦煤至無煙煤逐漸減??；局部而言，煤層的自燃傾向性與煤化程度之間表現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系，即同一煤化程度的煤在不同的地區(qū)和不同的礦井，其自燃傾向性可能有較大的差異。

（3）煤巖成分，煤巖成分對(duì)煤的自燃傾向性表現(xiàn)出一定的影響，但不是決定性的因素。各種單一的煤巖成分具有不同的氧化活性，其氧化能力按鏡煤＞亮煤＞暗煤＞絲煤的順序遞減。

（4）煤中的瓦斯含量，煤中瓦斯存在和放散影響吸氧和氧化過程進(jìn)行，它類似用惰性氣體稀釋空氣對(duì)氧化發(fā)生的影響。

（5）水分，煤的外在和內(nèi)在水分以及空氣中的水蒸汽對(duì)褐煤和煙煤在低溫氧化階段起一定的影響，既有加速氧化的一面，也有阻滯氧化的因素。

（6）煤中硫和其它礦物質(zhì)，煤中含有的硫和其它催化劑，則會(huì)加速煤的氧化過程。統(tǒng)計(jì)資料表明，含硫大于3%的煤層均為自然發(fā)火的煤層，其中包括無煙煤。

4.2 開采工藝

（1）回采面布置，目前應(yīng)用的長壁采煤法，煤炭回收率高，回采時(shí)間長，單面產(chǎn)量大。仰斜較俯斜開采工作面瓦斯涌出量大，但是向采空區(qū)的漏風(fēng)量少，有利于防治自然發(fā)火。運(yùn)回順布置上還是要按照有利于通風(fēng)上考慮，要充分利用自然風(fēng)壓，盡量減少工作面上下的壓差。

（2）確定合理的回采速度，盡量減小放煤步距，減少脊背煤的損失，放煤時(shí)，盡可能的放出煤炭，制定合適的見矸關(guān)窗措施。

4.3 漏風(fēng)

在煤炭氧化過程的熱平衡關(guān)系中，漏風(fēng)起兩方面的作用：一是向煤提供氧化所必須的氧氣，促進(jìn)氧化發(fā)展；二是帶走氧化生成的熱量，降低煤溫，抑制氧化過程發(fā)展。采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度是影響自然發(fā)火的主要因素。把風(fēng)速控制在易燃風(fēng)速區(qū)之外，是從通風(fēng)的角度預(yù)防自然發(fā)火的原則。

4.4 地質(zhì)因素

地質(zhì)因素主要有：傾角、煤層厚度、地質(zhì)構(gòu)造、開采深度。表1 為傾角和厚度對(duì)自燃影響的部分統(tǒng)計(jì)資料。在有地質(zhì)構(gòu)造的地區(qū)，自燃危險(xiǎn)性加劇。煤層賦存太深或太淺都會(huì)增加自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。

表1 煤層傾角和厚度對(duì)自燃影響

5 防治火災(zāi)措施

防治煤炭自燃的基本原理是破壞自然發(fā)火的四個(gè)基本條件。

（1）做好礦井的火災(zāi)統(tǒng)計(jì)工作，對(duì)于發(fā)生過自燃的煤層或采區(qū)，記錄好發(fā)火時(shí)間、地點(diǎn)、地質(zhì)構(gòu)造、發(fā)火前后的區(qū)域礦井氣候參數(shù)，做好規(guī)律總結(jié)工作。

（2）提高煤炭回收率，合理布置回采巷道和確定開采開拓方法，制定合理的回采速度，盡量不要過長時(shí)間的停止工作面生產(chǎn)。

（3）減少采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)。可以加強(qiáng)抽放工作，減少工作面風(fēng)量，對(duì)上下端頭支架進(jìn)行封填堵漏，前三角點(diǎn)掛風(fēng)障等。

（4）采空區(qū)充填河砂、泥漿等，目的在于充填煤巖裂隙，起到一定的膠結(jié)作用，增加含氧風(fēng)流擴(kuò)散阻力，利用其浸潤煤巖、冷卻煤體。

（5）采空區(qū)惰化，通過向采空區(qū)內(nèi)注入惰性氣體，降低采空區(qū)內(nèi)的氧濃度，使其低于發(fā)火的最低濃度，注入氣體還可以起到冷卻作用。

（6）停產(chǎn)期間，采空區(qū)內(nèi)的自然三帶相對(duì)處于穩(wěn)定，所以就給處于蓄熱燃燒潛伏期的自燃帶提供了增加作用時(shí)間的條件，所以必須加強(qiáng)采取堵漏、冷卻和惰化等手段。

（7）加強(qiáng)巡查、監(jiān)測(cè)工作，可以通過現(xiàn)場(chǎng)巡查檢驗(yàn)，使用束管技術(shù)在地面時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體鑒定及其參數(shù)量化，做好日常的取樣分析工作。

6 結(jié)論

采空區(qū)內(nèi)容易發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)，一般應(yīng)該距離底板有一定的高度，并且要靠運(yùn)順側(cè)。工作面正常回采時(shí)，一般自燃帶存在時(shí)間沒有達(dá)到自然發(fā)火期，就已經(jīng)進(jìn)入了窒息帶，所以不會(huì)發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)。但是緩慢推進(jìn)或停產(chǎn)期間是最為危險(xiǎn)的，可以通過控制漏風(fēng)、充填冷卻、惰化采空區(qū)措施予以延緩內(nèi)因火災(zāi)發(fā)生。在長期停產(chǎn)工作面宜主動(dòng)封閉。