隆安煤業8號煤層自然發火特征及預防措施

杜海東

（山西煤炭運銷集團忻州有限公司，山西 忻州 034000）

山西煤炭運銷集團泰山隆安煤業有限公司位于山西省保德縣城東南部即橋頭鎮北部，井田至保德縣城約10 km。井田范圍北至冀家溝村，南至橋頭鎮，西至吳家溝村，東至白家墕村。該煤礦位于黃河中游峽谷的東岸，井田的整體地勢呈現出東高西低的趨勢，最高位置的標高值是+1175 m最低位置的標高值是+911 m，最大標高和最小標高之間相差264m。該煤礦含有可采煤層4層，從上至下分別是8、11上、11下、13號煤層，現主要開采8號煤層。根據泰山隆安煤礦2016年9月2日采取的煤樣經山西公信安全技術有限公司鑒定，8號煤層的自然發火傾向性等級為Ⅱ級，為自然發火煤層。

1 煤自然發火氧化氣體產物特征與規律分析

此次研究利用煤自然發火模擬設備，針對煤炭在空氣之中發生自然發火的規律性加以分析。在泰山隆安煤業井田中的多個地點采集8號煤層煤樣，并將收集到的煤樣進行混合，測試的參數主要為煤樣不同自然發火階段所形成的火災氣體種類和氣體數量。

1.1 試驗方法與試驗裝置

所采用的試驗裝置為煤自然發火模擬設備，見圖1。該設備包含有煤樣氧化升溫加熱爐裝置、溫控裝置、自動記錄裝置、氣體分析裝置以及數據分析與處理裝置等。在進行實驗過程中，把所采集的煤樣放置到加熱爐裝置之中，采取定量預熱的方式，確保爐溫能夠穩定升高，而煤溫也會隨之升高，在煤加熱自然發火過程中將產生一些標志性氣體，通過取樣裝置輸送到分析裝置中完成氣體分析工作，然后將分析的數據傳輸至數據分析與處理裝置，進行數據的分析和處理，最終得到試驗數據。

圖1 自然發火模擬設備實物

1.2 試驗條件

所選用的試樣煤樣為8號煤層煤樣，煤樣質量為10g，粒度不超過0.15 mm，設備的供氣流量值為100ml/min；爐溫為25℃～80℃時，溫度上升速率為0.5℃/min；爐溫為81℃～200℃時， 溫度上升速率為1℃/min；爐溫為201℃～300℃時，溫度上升速率為2℃/min；氣體取樣的時間間隔設定為20 min。

1.3 煤自然發火氣體測試數據分析

在煤發生自然發火過程中，需要經過三個時期，分別為緩慢氧化時期、加速氧化時期以及激烈氧化時期。在各個時期之中，相應的自然發火溫度也有所不同，而且氣體產物以及氣體濃度均有所差異，可以通過不同時期氣體產物的特征，來預測并預報煤炭自然發火的具體進程。

從試驗數據來看，泰山隆安煤業8號煤層煤自然發火預測標志氣體有CO、C2H4、C2H2等。

（1）CO氣體

在煤炭發生氧化時，CO氣體屬于形成最早的一種煤炭氧化產物，而且CO氣體還會存在于煤炭的整個氧化階段，CO在煤炭自然發火過程中濃度變化具體數據見圖2。

圖2 煤炭自然發火時期CO濃度值和煤炭溫度值關系

若是煤炭開采過程中，不考慮一些其它因素影響，比如原生煤巖體中沒有CO氣體賦存等，則CO濃度值在煤炭自然發火時期表現為隨著煤炭溫度值逐漸增加而增加。就試驗情況來看，泰山隆安煤業井田之中煤炭形成CO氧化產物的溫度大約為75℃左右，而且，當溫度值在90℃之下所對應的CO濃度值均相對小。而在溫度處于80℃～140℃范圍之中，CO濃度值增速相對較小，當煤炭的溫度值大于150℃之后，則CO濃度值便會呈現快速升高的趨勢。依照這一特征便能夠相對準確的對煤炭自然發火實際動態進行描述，從而可以有效的指導煤礦開采作業，確保能夠及時的制定相應防治措施。

（2）C2H4氣體和C3H6氣體

C2H4氣體為烯烴氣體，此種氣體只有在煤炭氧化過程中才能產生，通過實驗得出，在煤炭吸附各個氣體組分之中，并沒有烯烴組分的存在，同時也沒有發現導致烯烴氣體產生的其它具體原因，C2H4氣體和C3H6氣體在煤炭自然發火過程中濃度變化具體數據見圖3。

圖3 煤炭自然發火時期C2H4濃度值和C3H6濃度值和煤炭溫度值關系

從上圖能夠看出C2H4氣體的產生數量和煤炭溫度間存在的較為單一的關系，即隨著煤炭溫度不斷的增加，C2H4氣體的濃度也不斷增加。C2H4氣體開始形成的溫度大約在170℃左右，在溫度小于160℃情況下，未能檢測有C2H4氣體形成。所以，通過這現象能夠看出，若是煤炭處在低溫氧化時期，則便檢測不到C2H4氣體。

（3）C2H2氣體

通過試驗能夠得出，C2H2氣體形成于煤體自然發火的最后時期，也就是此時煤體的氧化非常激烈，已經趨向著火，同時根據試驗情況來看，也只有處在此時期之中才會產生C2H2氣體，C2H2氣體在煤炭自然發火過程中濃度變化具體數據見圖4。

圖4 煤炭自然發火時期C2H2濃度值和煤炭溫度值關系

能夠將C2H2作為一種標志氣體，實際測試規程中檢測到C2H2氣體形成，則表明了煤體處于激烈氧化時期，而且正向著著火方向發展。在對泰山隆安煤業井田煤樣進行試驗過程中發現，C2H2氣體形成的溫度區間為200℃～400℃。對于泰山隆安煤業井田來說，檢測到了C2H2氣體，則反映出了此位置處煤炭的自然發火溫度值已經超過了200℃，很多情況下已經接近400℃，而此溫度條件下煤炭已經臨近燃燒，或者煤炭已經開始出現燃燒，而此時僅僅采用普通的應對措施無法取得有效的防治效果，要是灼熱煤炭暴露于空氣之中，則便會即刻引發自燃，所以，必須理解采取相應的措施進行治理。

2 阻化劑防滅火系統

2.1 阻化劑選擇

現階段，在煤炭開采時所使用的防滅火阻化劑材料多為工業氯化鈣、水氯石、氯化鈣、氯化鎂、氯化鋅、氯化鋁、五氧化二磷、氫氧化鈣以及釀酒廠的廢液等。而其中以工業氯化鈣以及水氯石所擁有的阻化效果最為優良，而且這些原材料的來源較為豐富，在儲存以及運輸過程中均較為便捷，使用較廣泛。

在選擇阻化劑材料的過程中，充分考慮貨源問題、成本問題以及產品性能問題，為了確保阻化劑不會對煤礦設備以及一些金屬部件造成較大腐蝕，而且不會對人體造成傷害，所以，在泰山隆安煤業阻化劑防滅火系統構建時，所選用的阻化劑材料為工業氯化鈣。

2.2 氣霧阻化系統與阻化劑噴灑系統選擇

氣霧阻化系統是將霧化噴嘴設置于進風隅角位置，然后利用噴嘴將阻化劑霧化噴出，借助于漏往采空區域氣流，將阻化劑帶至采空區域中，然后在重力以及靜電等各種外力的作用之下，霧化的阻化劑便能夠附著在浮煤表面，從而確保浮煤能夠得以惰化。此種阻化系統相對來說技術簡便，而且安全，成本較少。然而，氣霧阻化劑需要利用采空區漏風，而大的漏風對采空區防火是不利的。

噴灑阻化系統則是借助于噴霧設備把阻化液直接的噴灑于煤體表層。此種方法技術更為簡單，而且適宜應用在巷道、浮煤以及工作面之中，所以，正常回采期間，本設計選用在采煤工作面直接向采空區浮煤噴灑阻化劑。

2.3 工作面一次噴灑量

（1）工作面底板浮煤噴灑量

式中：G為按重量計算一次噴灑量，kg；K為噴灑加量系數，取1.2；d為松散煤的密度值，取1 t/m3；L為工作面長度值，為240 m；B為一次噴灑的寬度值，取1.2m；h為底板浮煤厚度值，取0.02 m；A為原煤的吸藥液量，取47 kg/t。

將有關數據代入（1）式，則8號煤工作面一次噴灑量為：

G綜=KdLBhA=1.2×1.0×240×1.2×0.02×

47=324.86 kg

8號煤工作面一次噴灑所需阻化劑用量為：

G阻=G×ρ=324.86×10%=32.49 kg

（2）巷道煤壁的噴灑量

式中：G0為噴灑范圍內巷道所需溶液的噴灑量，kg；K為噴灑加量系數，取1.2；L0為噴灑巷道的長度值，8號煤取1500m；A0為巷道單位長度吸液數量，取3 kg/m。

則可以計算得出，8號煤層為：

G0=KL0A0=1.2×1500×3=5400 kg

順槽巷道噴灑所需阻化劑用量為：

G阻=G0×ρ=5400×10%=540 kg

（3）阻化劑噴灑工藝說明

噴灑阻化劑在準備班進行，主要是在運輸和回風順槽煤柱側噴灑，同時在每次移架前對支架和運輸機之間進行噴灑。工作面底板若是存在底煤，則同樣應當噴灑阻化劑。要是底板結構中不存在底煤，則要確保浮煤應當在回收作業前徹底被清理完，這樣可以不噴灑。

3 結語

在煤礦開采過程中，不可避免的會發生煤炭自然發火問題，而若是出現煤炭自然發火問題，將會對井下作業人員的生命財產安全造成極大威脅。因此，針對這一問題，結合泰山隆安煤業8號煤層的實際情況，針對煤炭不同自然發火期的特征以及所形成的特有氣體加以分析與試驗，分別研討了出現CO、C2H4、C2H2等氣體情況下所對應的溫度值，結合不同的溫度對煤炭自然發火情況加以分析，從而及時的檢測出可能存在的自然發火點，以采取有效的措施加以防治。結合上述試驗數據，其對于指導泰山隆安煤業煤炭自燃的預測預報工作起到了重要作用，具體體現在下列幾個方面：

1）借助于紅外測溫裝置，定期的開展巡視工作，找出煤層高溫位置，及時的采取有效措施防止發生自然發火問題。

2）采用鉆孔測溫方法進行輔助監測，針對頂煤破碎以及存在自燃隱患的位置，埋設長度為1.8 m左右測溫管實時的監測該位置處溫度情況。

3）由于煤炭處在低溫氧化階段會形成CO氣體，同時通過上述實驗得出，CO氣體屬于早期監測煤炭自然發火問題的敏感指標，尤其是在煤炭的溫度值超過了150℃情況下，更易檢測出CO氣體，當監測到煤層之中的CO氣體持續存在，而且其濃度一直在增加，則說明煤炭開始出現了自熱現象并向著自燃方向發展，此時應當及時采取有效的防滅火措施。如此實際檢測中發現空氣之中存在C2H4氣體，說明采區之中某位置處出現了溫度超過160℃的自然發火位置，也表明了該位置處的煤體進入到了加速氧化時期，應當引起重視。當檢測到了C2H2氣體，表明煤炭已經臨近燃燒，或者煤炭已經開始出現燃燒，應當即刻制定防滅火方案，盡可能的避免煤層出現自燃問題。