高地溫綜放工作面煤自燃防治研究

林賢偉

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

隨著礦井開采深度不斷加深，煤層原始地溫不斷上升[1]。信湖煤礦8 煤層埋深大，818 綜放工作面地溫達(dá)到42℃，使得采空區(qū)遺煤自燃氧化的起始溫度升高，安全生產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅，亟需研究高地溫對(duì)遺煤的影響并制定綜合防治措施。

1 工作面概況

818 綜放工作面為81 采區(qū)首采面，上區(qū)段為816 工作面(未準(zhǔn)備)，下區(qū)段為8110 工作面（未準(zhǔn)備），左靠81采區(qū)上山，右鄰SDF33 斷層及81 采區(qū)邊界。該工作面標(biāo)高為-858.6～-924.0m，走向長1871m，傾斜長181 m，煤層傾角10°-21°,平均14°。該面煤層厚度0-10.7m，平均煤厚7.6 m。81 采區(qū)地溫梯度平均為2.69℃/百米，該巷道最低埋深-927m，地溫達(dá)到42.0℃，屬于高地溫工作面。

2 煤層特征

2.1 煤層自然傾向性

根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)煤層自然傾向性鑒定報(bào)告結(jié)論：818 綜放工作面內(nèi)81 煤、82 煤均為Ⅱ類自燃，81 煤最短自然發(fā)火期74 天，82 煤最短自然發(fā)火期64 天。

2.2 煤自燃標(biāo)志氣體

根據(jù)常溫氧化與低溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，信湖煤礦8 煤層適合采用CO 和C2H4兩種氣體作為煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體。常溫條件下，信湖煤礦818 工作面實(shí)驗(yàn)煤樣與氧氣接觸，緩慢發(fā)生氧化復(fù)合反應(yīng)，暴露在空氣中5d 后，即能檢測到氧化產(chǎn)生的CO，隨著氧化時(shí)間的延長，氧化所產(chǎn)生的CO 氣體濃度逐漸上升。在煤自燃低溫氧化實(shí)驗(yàn)中，CO在50℃左右出現(xiàn)，其濃度變化總體表現(xiàn)為隨著煤溫上升呈指數(shù)規(guī)律增長。當(dāng)煤低溫氧化溫度達(dá)到140℃時(shí)乙烯（C2H4）氣體出現(xiàn)，170℃時(shí)乙烯（C2H4）氣體達(dá)到1ppm。

2.3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)818 工作面現(xiàn)場情況，布置由熱電偶測溫系統(tǒng)和束管監(jiān)測系統(tǒng)組成的煤自燃參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)。對(duì)818 綜放工作面進(jìn)、回風(fēng)兩條巷道采空區(qū)內(nèi)氣體含量進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場氧氣濃度變化實(shí)測數(shù)據(jù)，繪制出氧氣濃度變化與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系，如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷測點(diǎn)O2 濃度隨工作面推進(jìn)距離關(guān)系圖

由采空區(qū)氧氣濃度實(shí)際變化結(jié)果可知：隨著工作面持續(xù)往前推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度逐漸降低。進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度在33.6m 處達(dá)到17.28%，隨著工作面往前推進(jìn)在96m 處，氧濃度下降為7.44%?；仫L(fēng)側(cè)氧濃度在24m 處為17.48%，隨著采空區(qū)長度不斷加深，在93.6m 處降至7.79%。

工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分通常以氧氣濃度為劃分標(biāo)準(zhǔn)，濃度處于8%～18%時(shí)劃分為氧化帶[2]。以此為依據(jù)，對(duì)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)布置測點(diǎn)所得數(shù)據(jù)分別分析，可知818工作面采空區(qū)“三帶”范圍如表1 所示。

表1 818 工作面采空區(qū)“三帶”范圍

最終得到818 綜放工作面采空區(qū)“三帶”范圍劃分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 818 工作面采空區(qū)“三帶”范圍分布示意圖

3 高地溫環(huán)境對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響分析

高地溫環(huán)境對(duì)采空區(qū)遺煤的影響主要體現(xiàn)在對(duì)煤自身氧化活性、蓄熱環(huán)境及漏風(fēng)供氧條件三個(gè)方面[3-4]。

3.1 高地溫環(huán)境對(duì)煤自身氧化活性的影響

隨著地溫上升，煤體內(nèi)部裂隙及孔隙不斷增多，煤內(nèi)表面積擴(kuò)大，吸附氧的能力增強(qiáng)。煤的表面活性隨之提高，煤體更易于氧化自燃。同時(shí)長時(shí)間處于高地溫的環(huán)境下，煤體不斷升溫，煤內(nèi)活性官能團(tuán)充分激活，不斷轉(zhuǎn)化生成更具活性的自由基參與到煤氧化反應(yīng)中，遺煤氧化性增強(qiáng)。

3.2 高地溫環(huán)境對(duì)蓄熱環(huán)境的影響

煤低溫氧化階段以對(duì)流散熱為主，熱傳導(dǎo)為輔。由于圍巖及煤壁自身溫度高，煤氧化所釋放熱量不能通過熱傳導(dǎo)及時(shí)釋放至圍巖，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)原巖冒落會(huì)釋放出積聚的熱量，共同導(dǎo)致采空區(qū)環(huán)境溫度及濕度增加，熱輻射的散熱速率降低，顯著抑制了煤體向周邊環(huán)境的對(duì)流散熱，煤體熱量不斷積聚，采空區(qū)內(nèi)形成了良好的蓄熱環(huán)境。采空區(qū)內(nèi)煤體長時(shí)間處于高地溫的環(huán)境中，煤氧復(fù)合反應(yīng)過程受阻，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)周邊環(huán)境溫度發(fā)生變化且煤體自身蓄熱條件改變時(shí)，采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃危險(xiǎn)性上升。

3.3 高地溫環(huán)境對(duì)漏風(fēng)供氧條件的影響

高、低溫環(huán)境之間由于溫差效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致熱風(fēng)壓的產(chǎn)生，有限空間的工作面尤為明顯。通常井下會(huì)在進(jìn)、回風(fēng)巷安裝通風(fēng)裝置以增加風(fēng)流帶走多余熱量，從而達(dá)到降低工作面高溫作業(yè)溫度的目的，但會(huì)導(dǎo)致大量低溫風(fēng)流在通過工作面及采空區(qū)時(shí)與長時(shí)間運(yùn)行的高溫設(shè)備以及高溫煤壁、圍巖所釋放的熱量之間相互碰撞，工作面低溫風(fēng)流與高溫氣體之間分布不均，導(dǎo)致局部之間形成熱風(fēng)壓，這些熱風(fēng)壓之間又相互影響，從而改變采空區(qū)的漏風(fēng)供氧條件，新鮮風(fēng)流不斷通過漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部，供氧充足，導(dǎo)致遺煤的氧化放熱能力增強(qiáng)，其自燃危險(xiǎn)性上升。

4 綜合防治措施

4.1 818 工作面正常開采時(shí)期防滅火技術(shù)

4.1.1 注氮防滅火技術(shù)

氮?dú)夥罍缁鸬谋举|(zhì)即通過預(yù)設(shè)管路，將高濃度氮?dú)獬掷m(xù)通入采空區(qū)內(nèi)氧化帶，降低其氧氣含量；或向火區(qū)持續(xù)注入，使其充斥目標(biāo)空間以達(dá)到絕氧目的，其具有正壓、驅(qū)氧、冷卻作用[5]，如圖3 所示。

圖3 氮?dú)夥罍缁饳C(jī)理及其作用

818 工作面設(shè)計(jì)通過預(yù)先鋪設(shè)管路向采空區(qū)內(nèi)部冒落區(qū)、裂隙帶及易發(fā)生自燃的遺煤帶持續(xù)注入氮?dú)?，使其逐步滲透到這些危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，降低危險(xiǎn)區(qū)域空間內(nèi)的氧氣濃度，形成氮?dú)舛杌瘞?，達(dá)到降低采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃危險(xiǎn)性的目的。

4.1.2 灌漿防滅火技術(shù)

818 工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面以U 型方式布置，采用綜合放頂煤開采方法?；谑褂梅奖恪⒐に嚭唵蔚脑瓌t，選擇隨采隨灌、采后集中灌漿等方式進(jìn)行灌漿。正?；夭蓵r(shí)期，通過風(fēng)巷上隅角預(yù)設(shè)管路向采空區(qū)注漿，能有效防止遺留在采空區(qū)內(nèi)的浮煤自燃同時(shí)還具有降溫、防塵效果。收作完成后，停采線上下出口封閉，采空區(qū)內(nèi)實(shí)施集中灌漿處理，保證采空區(qū)完全密封，減少漏風(fēng)通道，并對(duì)易于發(fā)生自燃的停采線進(jìn)行填充，防止發(fā)生遺煤自燃。

表2 注漿管路布置

4.1.3 注凝膠防滅火技術(shù)

注凝膠防滅火具有降溫、阻化、堵漏及固結(jié)水等作用，可有效減少采空區(qū)漏風(fēng)[6]。a.注凝膠地點(diǎn)。兩巷松冒區(qū)注膠。選擇利用探查撞管對(duì)818 工作面兩巷所有的松冒區(qū)異常點(diǎn)進(jìn)行注膠，松冒區(qū)比較集中的地點(diǎn)要適當(dāng)加密注膠孔，確保注膠均勻、充填到位。工作面注凝膠方式選擇采空區(qū)預(yù)埋管道注凝膠方式，即在上隅角預(yù)埋注膠管道。b.注凝膠路線。地面注膠站→中央風(fēng)井→81 回風(fēng)石門→81 五中車場→818風(fēng)巷底板巷→818 里風(fēng)巷→818 工作面。

4.1.4 其他防滅火技術(shù)。

a.減少采空區(qū)遺煤：工作面在回采過程中使用不燃性材料接頂，減少采空區(qū)遺煤。b.工作面上下隅角封堵：正常回采時(shí)采用氣囊對(duì)上、下隅角進(jìn)行充填，垛墻由袋裝碎矸石構(gòu)筑，垛墻的縫隙處須用黃泥封堵以減少向采空區(qū)漏風(fēng)。初采時(shí)期對(duì)上、下隅角進(jìn)行連續(xù)封堵填實(shí)。c.各類鉆孔封堵：工作面50m 內(nèi)地質(zhì)探查、探放水鉆孔等完成后要立即對(duì)其注漿進(jìn)行封堵，確?？锥幢惶顚?shí)，杜絕由鉆孔向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)的可能。d.煤層注水：通過工作面煤層壁上的鉆孔進(jìn)行注水，增加8 煤層煤體的水分含量。e.合理瓦斯抽放管理：在保證回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔淮笥?.30%，瓦斯治理目標(biāo)得到保證的情況下，對(duì)上隅角埋管及鉆孔的抽采參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，減小工作面對(duì)采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)。f.工作面收作均壓措施：工作面停采收作期間，回風(fēng)流中CH4濃度小于0.30%、溫度、風(fēng)速等滿足《煤礦安全規(guī)程》的前提下，可通過降低供風(fēng)量，減小進(jìn)、回風(fēng)側(cè)間的壓差，實(shí)現(xiàn)均壓通風(fēng)，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

4.2 特殊時(shí)期防滅火技術(shù)

4.2.1 采空區(qū)注液態(tài)二氧化碳

向采空區(qū)注入液態(tài)二氧化碳可有效降低其內(nèi)部的氧氣濃度，減緩采空區(qū)遺煤氧化反應(yīng)的進(jìn)程，同時(shí)可利用液態(tài)二氧化碳的相變吸熱降溫，達(dá)到采空區(qū)防滅火的目的[7]。a.系統(tǒng)構(gòu)成。液態(tài)CO2輸送系統(tǒng)主要構(gòu)成有地面出流段、垂直保壓段及水平保壓段，輸送管路均為高壓鋼管。壓注具體流程為液態(tài)CO2從地面出流段釋放經(jīng)由地面鉆孔輸送至井下硐室最后壓注至防滅火區(qū)域，如圖4 所示。b. 注入位置。為確保CO2能夠順利利用漏風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，并隨之?dāng)U散至采空區(qū)內(nèi)部空間，注入口位置應(yīng)設(shè)置在接近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，同時(shí)其與工作面支架間的距離也應(yīng)合理。注入口距工作面的距離可由式（1）確定。

圖4 液態(tài)二氧化碳輸送系統(tǒng)示意圖

4.2.2 采空區(qū)均壓防滅火技術(shù)

采空區(qū)均壓防滅火就是根據(jù)采空區(qū)的特點(diǎn)，設(shè)置風(fēng)流壓力調(diào)節(jié)設(shè)施，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)壓能分布，減小采空區(qū)漏風(fēng)通道間壓差，減少漏風(fēng)，預(yù)防煤自燃的發(fā)生或?qū)Σ煽諈^(qū)自燃區(qū)域惰化[8]。工作面開采后，沿煤層傾向方向，實(shí)體煤和采空區(qū)冒落巖石之間互相支撐，煤壁、煤層頂板和采空區(qū)之間構(gòu)成了簡支支撐下的弧形三角板結(jié)構(gòu)，在工作面上下隅角原兩巷位置形成了不完全壓實(shí)區(qū)。U 型通風(fēng)方式下，不完全壓實(shí)區(qū)因風(fēng)流方向的直角拐彎，成為采空區(qū)漏風(fēng)的主要通道。其空隙率的大小對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)范圍具有重要的影響。在工作面上下隅角支架立柱之間采用風(fēng)筒布作為擋風(fēng)簾，擋風(fēng)簾的存在在采空區(qū)漏風(fēng)分支上增大了漏風(fēng)風(fēng)阻，改變了采空區(qū)漏風(fēng)能位分布狀態(tài)，降低采空區(qū)內(nèi)部之間的能位差，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)內(nèi)不同位置之間的均壓，減少了采空區(qū)漏風(fēng)與自然發(fā)火的發(fā)生。

4.3 應(yīng)用效果分析

在818 綜放工作面采取綜合防治措施以后，采空區(qū)內(nèi)溫度得到有效控制，煤層自然標(biāo)志氣體含量無明顯增加，防治效果顯著，為8 煤層的安全開采提供了有力保障。

5 結(jié)論

針對(duì)818 工作面高地溫采空區(qū)實(shí)際環(huán)境與條件，提出的集“控制漏風(fēng)、惰化降氧、吸熱降溫”于一體的采空區(qū)煤自燃火災(zāi)預(yù)控方法，將818 工作面回采期間分為正常開采時(shí)期與特殊開采時(shí)期。正常開采時(shí)期，采用上下隅角堆垛堵漏風(fēng)、注氮、灌漿及注膠降溫等防滅火方法；特殊時(shí)期在正常時(shí)期防滅火措施的基礎(chǔ)上，增加注入液態(tài)二氧化碳及均壓防滅火等相結(jié)合的方法，有效控制了高地溫環(huán)境對(duì)煤體自身氧化活性、漏風(fēng)供氧和蓄熱條件的影響，保障了信湖煤礦8 煤層的安全開采，同時(shí)也可應(yīng)用于同類型生產(chǎn)條件工作面。