近距離煤層群采空區(qū)自然發(fā)火指標(biāo)及防控技術(shù)

郭海相

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

礦井火災(zāi)是制約我國煤礦安全開采的一大影響因素，在我國重點(diǎn)煤礦中有54.9%的礦井有自然發(fā)火傾向[1]，煤氧化自燃是自然界中的1 種自然現(xiàn)象，煤經(jīng)歷物理、化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)、熱量積蓄等一系列過程后進(jìn)而表現(xiàn)出自燃現(xiàn)象[2]。礦井火災(zāi)不僅造成我國有限的煤炭資源損失嚴(yán)重，燒毀礦井開采設(shè)備，其燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體給煤礦工作人員健康作業(yè)帶來極大難題[3]，尤其火災(zāi)嚴(yán)重礦區(qū)環(huán)境污染極其嚴(yán)重，因此在礦井火災(zāi)防治方面一定要堅(jiān)持“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的理念。礦井火災(zāi)具有隱蔽難以精準(zhǔn)定位、治理難度大的特點(diǎn)，經(jīng)過我國煤礦安全科研工作者及現(xiàn)場人員幾十年堅(jiān)持不懈對(duì)礦井火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的全過程深入研究，逐步掌握了煤自然發(fā)火的一些規(guī)律，通過大量試驗(yàn)研究結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出煤氧化自燃過程中其生成的氣體組分及氣體量度與溫度有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而能對(duì)煤氧化自燃進(jìn)程進(jìn)行量化分析，廣泛用于指導(dǎo)礦井工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中煤自然發(fā)火防治工作[4]。

我國西北礦區(qū)煤層賦存埋藏淺、間距小。早期神東礦區(qū)首層煤回采速度快，且未采取預(yù)防性注漿等防火措施，現(xiàn)階段礦井已回采下部煤層。由于煤層間距小，首層煤開采后產(chǎn)生的永久地表裂隙，受重復(fù)采掘饒動(dòng)影響，下部煤層回采時(shí)，產(chǎn)生新地表裂隙、層間裂隙的同時(shí)，原有裂隙更加發(fā)育，加之神東公司礦井工作面走向長3～6 km，工作面寬約300 m，上、下煤層采空區(qū)聯(lián)通后形成超大面積采空區(qū)[5]。本煤層工作面采空區(qū)和上、下煤層采空區(qū)漏風(fēng)，以及地表裂隙漏風(fēng)使得礦井漏風(fēng)方式復(fù)雜多樣化，給生產(chǎn)礦井預(yù)防煤自然發(fā)火工作增加難度[6]。為此通過采集補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤樣，經(jīng)程序升溫氧化試驗(yàn)，建立礦井防滅火預(yù)測預(yù)報(bào)體系，分析研判淺埋深近距離煤層群工作面回采時(shí)自燃危險(xiǎn)重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)上、下煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治采取統(tǒng)籌分析、分源治理的方案。

1 工作面概況

神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦煤礦主采12 煤四盤區(qū)、12煤五盤區(qū)及22 煤四盤區(qū)，礦井采用中央分列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。12 煤為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期48 d；22 煤為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期41 d。

22410 工作面為22 煤四盤區(qū)第2 個(gè)綜采工作面，工作面地面標(biāo)高1 212～1 291 m，煤層底板標(biāo)高1 047.2～1 059.4 m。上覆基巖厚度138～213 m，松散層厚度0～42 m。煤層傾角1°～3°，煤層平均厚度6.6 m，設(shè)計(jì)采高6.6 m，工作面傾向長度301 m，可采長度3 728 m。設(shè)計(jì)月推進(jìn)速度387.52 m。22410 工作面巷道參數(shù)見表1。

表1 22410 工作面巷道參數(shù)Table 1 Roadway parameters of 22410 coal mining face

22410 工作面東側(cè)緊鄰22411 采空區(qū)，相鄰采空區(qū)保護(hù)煤柱平均寬度18 m，東側(cè)布置22409 備采工作面；工作面正上方有12410、12411、12418、12419、12420 采 空 區(qū)，22 煤 四 盤 區(qū) 對(duì) 應(yīng) 上 覆 有12401～12414、12418～12420 等17 個(gè)采空區(qū)，12 煤與22 煤層間距平均44 m 左右。

2 煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)研究

通過對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22 煤層3 種不同粒徑的煤樣進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)，得出了煤氧化過程中生成的各種氣體體積分?jǐn)?shù)變化與煤溫變化之間的相應(yīng)關(guān)系，結(jié)合標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，得出煤自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2.1 CO 與溫度變化關(guān)系

程序升溫過程中CO 體積分?jǐn)?shù)與溫度變化關(guān)系如圖1。

由圖1 可以看出，隨著煤溫逐漸升高，CO 體積分?jǐn)?shù)由初始溫度至60 ℃時(shí)增加緩慢，此時(shí)煤處于低溫氧化階段，60～70 ℃后CO 體積分?jǐn)?shù)生成量隨煤溫的增加表現(xiàn)出指數(shù)增加趨勢，此時(shí)煤氧復(fù)合作用強(qiáng)烈，進(jìn)入加速氧化階段。對(duì)比3 種不同粒徑煤樣隨煤溫變化曲線，可得出在煤低溫氧化階段，CO 體積分?jǐn)?shù)生成量隨粒度的減小而增大的趨勢不明顯，但當(dāng)煤溫度高于150 ℃時(shí)這種趨勢比較明顯，說明在升溫試驗(yàn)中煤樣隨粒度的降低，煤與氧氣接觸的表面逐漸增大[7]，煤樣易于氧化，煤氧復(fù)合子作用越大，產(chǎn)生的CO 體積分?jǐn)?shù)量越大。

圖1 CO 與溫度變化關(guān)系Fig.1 Change of CO with temperature

在化學(xué)反應(yīng)階段，即煤溫高于60～70 ℃情況下，隨著煤溫度持續(xù)升高，CO 體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生量與煤溫度成指數(shù)規(guī)律變化增加，據(jù)此可用于預(yù)報(bào)煤的自燃狀況。

2.2 CO2 和CH4 與溫度變化關(guān)系

CO2與溫度變化關(guān)系如圖2。CH4與溫度變化關(guān)系如圖3。

圖2 CO2 與溫度變化關(guān)系Fig.2 Change of CO2 with temperature

圖3 CH4 與溫度變化關(guān)系Fig.3 CH4 change with temperature

由圖2 可知，隨著溫度的上升，CO2體積分?jǐn)?shù)呈增長趨勢，且初始煤樣中檢測到CO2氣體，原煤中吸附有CO2氣體，升溫產(chǎn)生的CO2氣體是脫附和煤氧化共同作用的結(jié)果[8]。由于煤中吸附的CO2含量易受新鮮空氣中的CO2影響較大，因此CO2氣體不宜用來預(yù)報(bào)煤自燃情況。

由圖3 可以看出，CH4體積分?jǐn)?shù)隨煤溫的升高先表現(xiàn)出緩慢增長，當(dāng)溫度超過100～120 ℃后呈急劇增長。低溫階段CH4體積分?jǐn)?shù)增長緩慢說明補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤樣中含游離瓦斯量小；當(dāng)煤溫達(dá)到100～120 ℃后，CH4體積分?jǐn)?shù)爆發(fā)式增長，是由于煤激烈氧化，煤中大分子支鏈斷裂后經(jīng)氧化分解產(chǎn)生大量CH4，因此CH4大量產(chǎn)生與煤的裂解溫度有關(guān)。由于在煤低溫氧化階段不能區(qū)分所測得的CH4是來源于游離瓦斯解吸還是氧化產(chǎn)生[9]，因此CH4不能用來為預(yù)報(bào)補(bǔ)連塔22 煤層自燃情況。

2.3 C2H4 和C2H6 與溫度變化關(guān)系

C2H4與溫度變化關(guān)系如圖4，C2H6與溫度變化關(guān)系如圖5。

圖4 C2H4 與溫度變化關(guān)系Fig.4 C2H4 change with temperature

由圖4、圖5 可以看出，補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤樣在試驗(yàn)初始階段未檢測到C2H4、C2H6，在70～80 ℃時(shí)才出現(xiàn)少量的C2H4、C2H6，這些少量氣體部分來源于煤的脫附，說明煤樣中吸附一定體積分?jǐn)?shù)的C2H4、C2H6，因此，從試驗(yàn)結(jié)果來看C2H4、C2H6不能很好地預(yù)報(bào)煤自燃情況。當(dāng)煤溫在100～120 ℃后，C2H4、C2H6體積分?jǐn)?shù)呈指數(shù)形式增加，這是由于煤樣經(jīng)高溫裂解激烈氧化產(chǎn)生大量氣體，推斷C2H4、C2H6體積分?jǐn)?shù)大幅度增加與煤樣的裂解溫度有關(guān)。

圖5 C2H6 與溫度變化關(guān)系Fig.5 C2H6 change with temperature

2.4 φ（C2H6）/φ（CH4）和φ（C2H4）/φ（CH4）與溫度關(guān)系

φ（C2H6）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系如圖6，φ（C2H4）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系如圖7。

圖6 φ（C2H6）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系Fig.6 Change of φ（C2H6）/φ（CH4）with temperature

圖7 φ（C2H4）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系Fig.7 Change of φ（C2H4）/φ（CH4）with temperature

CH4、C2H4、C2H6受煤樣初始含量及煤大分子結(jié)構(gòu)影響，補(bǔ)連塔22 煤層煤樣升溫試驗(yàn)所測得的鏈烷比、烯烷比數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍小，無明顯趨勢，因此φ（C2H6）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（CH4）不宜用來指導(dǎo)補(bǔ)連塔煤礦22 煤層自然發(fā)火預(yù)報(bào)情況。

2.5 R1～R3 與溫度變化關(guān)系

因格雷哈姆系數(shù)R1（第一火災(zāi)系數(shù)）、R2（第二火災(zāi)系數(shù)）、R3（第三火災(zāi)系數(shù)）值能有效補(bǔ)充單一氣體預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火時(shí)易受新鮮風(fēng)流影響這一缺陷[10]，而廣泛應(yīng)用于受自然發(fā)火影響礦井的火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)工作。

補(bǔ)連塔22 煤層煤樣R1、R2、R3值與溫度變化關(guān)系分別如圖8～圖10。

圖8 R1 與溫度變化關(guān)系Fig.8 Relation between R1 and temperature

圖10 R3 與溫度變化關(guān)系Fig.10 Relation between R3 and temperature

由圖8 可看出，R1值經(jīng)初始溫度到50 ℃小幅度增加，是由于低溫階段產(chǎn)生的CO2是煤樣解析和低溫氧化階段耗氧產(chǎn)生，所以CO2體積分?jǐn)?shù)增加量比O2體積分?jǐn)?shù)減少量大；50 ℃后R1值下降繼而穩(wěn)定在一定值范圍內(nèi)，當(dāng)煤溫度升至160 ℃后R1值大幅度增加，是由于煤進(jìn)入氧化激烈階段，煤樣充分氧化，產(chǎn)生大量CO2。

由圖9 可看出，R2值在煤初始溫度至60 ℃維持在1%～2%，說明煤樣處于低溫氧化階段；70～110℃維持在2%～5%左右，煤溫度超過130 ℃后，煤樣氧化劇烈，R2爆發(fā)式增長。據(jù)此分析得出補(bǔ)連塔22煤臨界溫度在60～70 ℃，干裂溫度在100～120 ℃。

圖9 R2 與溫度變化關(guān)系Fig.9 Relation between R2 and temperature

由圖10 可看出，隨煤溫度上升，R3值整體呈增加趨勢，但是在升溫過程中多次出現(xiàn)峰值，規(guī)律不明顯，不宜用作補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤自燃預(yù)報(bào)工作。

3 近距離煤層群采空區(qū)自燃防控技術(shù)

3.1 近距離煤層群采空區(qū)自燃影響因素分析

根據(jù)煤自然發(fā)火影響因素，從煤質(zhì)及煤層賦存條件、采掘部署、通風(fēng)系統(tǒng)、采空區(qū)遺煤量等方面分析補(bǔ)連塔煤礦22 煤層工作面回采時(shí)易自燃區(qū)域。

1）礦井主采的12 煤和22 煤均為容易自燃煤層，且發(fā)火期短。

2）據(jù)煤層賦存厚度及采掘設(shè)計(jì)分析，工作面兩側(cè)巷道、開采線及終采線處有大量遺煤，其厚度遠(yuǎn)超極限浮煤厚度，且這些大量遺煤正處于裂隙“O”形圈范圍內(nèi)。

3）22 煤回采后采動(dòng)圍巖裂隙發(fā)育更加充分，圍巖裂隙使22 煤層四盤區(qū)采空區(qū)和22 煤層四盤區(qū)上覆12 煤采空區(qū)相互聯(lián)通形成超大面積采空區(qū)，且因采掘形成的地表永久裂隙和圍巖裂隙使兩煤層采空區(qū)在地表空氣壓力和礦井負(fù)壓通風(fēng)方法共同作用下，采空區(qū)氣體均表現(xiàn)出氣與進(jìn)氣“呼吸”現(xiàn)象[11]，上下煤層采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)不穩(wěn)定，上覆采空區(qū)遺煤經(jīng)二次氧化更易自燃。

4）22410 工作面上覆主要遺留煤柱有：自工作面切眼至回撤通道方向560 m 處，有1 條長560 m、寬20 m 的走向煤柱；85～228 m 處，有1 條長146 m、寬25 m 的走向煤柱；80 m 處，有1 條長100 m、寬15 m 的傾向煤柱；223 m 處，有1 條長301 m、寬20 m 的傾向煤柱；555 m 處，有1 條長301 m、寬20 m 的傾向煤柱；885 m 處，有1 條長301 m、寬20 m的平行傾向煤柱，及1 條長301 m、寬28 m 的傾向煤柱；953 m 處，有1 條長2 766 m、寬20 m 且平行于22410 回風(fēng)巷的走向煤柱。煤柱在重復(fù)采動(dòng)擾動(dòng)作用下受壓破碎。22410 工作面與22411 采空區(qū)保護(hù)煤柱布置36 個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷施工密閉受回采擾動(dòng)影響易壓裂[12]，本采空區(qū)與鄰近采空區(qū)聯(lián)通。

5）為排放上覆12 煤采空區(qū)積水，設(shè)計(jì)探放水鉆孔65 個(gè)，累計(jì)疏放水量1.3 萬m3。12 煤采空區(qū)疏放水有新鮮空氣輸入，且試驗(yàn)研究表明水浸煤疏干后其吸氧量比原煤體的大，氧化進(jìn)程加快[13]。

3.2 近距離煤層群采空區(qū)自燃綜合防控技術(shù)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論及分析結(jié)果，明確補(bǔ)連塔煤礦標(biāo)志氣體為CO、C2H4和C2H6，針對(duì)近距離煤層群開采工作面，對(duì)本采空區(qū)及鄰近采空區(qū)制定關(guān)鍵監(jiān)測位置區(qū)域，采用注漿封堵、注氮惰化、均壓應(yīng)急系統(tǒng)、紅外探測等綜合預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃措施[14]。

3.2.1 本煤層采空區(qū)遺煤自燃防治控技術(shù)

1）22410 工作面回風(fēng)隅角及進(jìn)、回風(fēng)巷道均布置一氧化碳和溫度傳感器。

2）工作面配置束管監(jiān)測系統(tǒng)，22410 工作面回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)布置3 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距依采空區(qū)自燃“三帶”情況設(shè)定，監(jiān)測束管外設(shè)套管保護(hù)，取樣端頭高出巷道底板一定距離預(yù)防采空區(qū)積水進(jìn)入束管；利用22409 回風(fēng)巷與22410 運(yùn)輸巷之間的聯(lián)絡(luò)巷預(yù)留觀測孔，監(jiān)測本煤層采空區(qū)氣體變化情況。

3）本煤層采空區(qū)可用進(jìn)、回風(fēng)巷預(yù)先埋設(shè)的注漿管路連接地面固定注漿站進(jìn)行預(yù)防性注漿，本煤層采空區(qū)采空區(qū)重點(diǎn)注漿區(qū)域?yàn)椤皟傻纼删€”。

4）本煤層采空區(qū)通過進(jìn)風(fēng)巷預(yù)埋注氮管路進(jìn)行惰化采空區(qū)，注氮口位置應(yīng)根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”和漏風(fēng)區(qū)域確定。

3.2.2 鄰近采空區(qū)自然發(fā)火防治措施

1）22410 工作面回風(fēng)巷與22411 運(yùn)輸巷留設(shè)的聯(lián)絡(luò)巷密閉均布置觀測孔，監(jiān)測22411 采空區(qū)氣體情況。

2）利用進(jìn)、回風(fēng)巷和回撤通道疏放水孔監(jiān)測上覆12 煤采空區(qū)，當(dāng)工作面回采至有上覆煤柱區(qū)域時(shí)，需在進(jìn)、回風(fēng)巷頂板超前工作面施工上覆12 煤采空區(qū)觀測孔。

3）由于采空區(qū)面積大，灌注黃泥漿為最經(jīng)濟(jì)和有效的封堵措施。漿液既能對(duì)氧化遺煤吸熱降溫，又能緊密包裹破碎煤體、充實(shí)并封堵圍巖裂隙裂隙，隔絕氧氣供應(yīng)。由于22410 工作面上覆12 煤采空區(qū)已回采結(jié)束封閉，從工作面巷道頂板施工上覆采空區(qū)注漿鉆孔，注漿量和注漿范圍非常有限，漿液堆積效果很不理想，堵管和漏漿嚴(yán)重，而從地表直接施工至12 煤采空區(qū)煤柱區(qū)域的鉆孔，具有定位準(zhǔn)、施工快、注漿量大、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，因此對(duì)上覆煤柱區(qū)域施工地面鉆孔灌注泥漿。

4）22410 工作面回采前，上覆采空區(qū)疏放水工作結(jié)束后，利用疏放水鉆孔或補(bǔ)打鉆孔對(duì)上覆采空區(qū)注氮惰化；22410 工作面推進(jìn)時(shí)，尤其過上覆遺留煤柱區(qū)域時(shí)，超前工作面對(duì)上覆采空區(qū)預(yù)防性注氮。

5）由于12 煤開采時(shí)未采取預(yù)防性注漿等措施，22 煤開采時(shí)易受上覆遺留煤柱自燃影響[15]，補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤工作面回采期間有低氧現(xiàn)象，分析認(rèn)為上覆采空區(qū)遺煤氧化是造成22 煤層三盤工作面低氧的一方面影響因素[16]，因此為防止22 煤開采期間因上覆遺煤氧化自燃產(chǎn)生的有毒有害氣體侵入本煤層工作面，22410 工作面設(shè)有均壓應(yīng)急系統(tǒng)。

6）紅外成像探測主要用于井下煤巷、井下煤柱、煤層破碎頂板等自燃隱患處的溫度探測。利用紅外熱成像儀對(duì)巷間的聯(lián)絡(luò)巷及頂板進(jìn)行定期紅外掃描，尤其對(duì)工作面頂板應(yīng)力集中區(qū)域、上覆采空區(qū)原集中大巷位置需加強(qiáng)掃描頻次。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)研究確定適用于本煤層自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體有CO、C2H4和C2H6；淺埋深近距離易自燃煤層群開采自燃的影響因素主要在于其遺煤量多、漏風(fēng)通道復(fù)雜，為防控煤自燃采取了以監(jiān)測采空區(qū)標(biāo)志氣體、上覆采空區(qū)地面鉆孔注漿、本層采空區(qū)地面注漿站鋪設(shè)管路注漿、采空區(qū)注氮惰化、工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)等綜合防控煤自燃技術(shù)。