高瓦斯易燃煤層自燃發火原因分析及防治

劉英明

（陽泉煤業集團有限責任公司，山西 陽泉 045000）

高瓦斯易燃煤層自燃發火原因分析及防治

劉英明

（陽泉煤業集團有限責任公司，山西 陽泉 045000）

針對厚煤層開采比重加大，且伴隨采空區遺留浮煤，回采工作面漏風等因素致使煤層自燃發火頻繁，礦井安全生產形勢日趨嚴峻的問題，分析了煤體自燃發火原因，加強自燃發火預測，采取有效的防滅火技術及裝備，確保易燃煤層安全高效開采勢在必行。

煤層；自燃發火；防治

1 煤體自燃原因分析

根據自燃發火工作面及科研院校的煤層自燃研究成果分析，煤體自燃發火原因主要取決于煤層的自燃傾向性，煤的粒度，工作面推進度，漏風量等因素。

1）煤層自燃傾向性。由于煤體本身為可燃物質，煤體賦存的孔隙和裂隙可吸附氧氣，氧化產生熱量，并在適當的聚熱條件和環境下持續聚熱升溫，只要具備一定的條件時，就會發展到著火點溫度并產生煤的自燃現象。不同煤體的物理特性存在差異，因此，不同賦存條件的煤對流態氧的吸附能力也不同，其氧化自燃性能也不同。煤的氧化自然性能可通過測定煤的吸氧量來表征。

當采用BD-ZRJ-I型煤的自燃性測定儀，以煤在特定條件下即每克干煤在常溫（30℃）、常壓（1.0133×105Pa）通過流動色譜吸氧法對粉碎到粒度<0.15 mm的煤樣脫水、載氣、吸附、脫附過程，測定煤的吸氧量，配以工業分析等參數，通過模糊數理統計的聚類分析方法，將煤的吸氧量值與工業分析結果綜合評判，同時結合現場有關煤的自燃發火特征資料反饋修正，可了解和認識開采煤層的氧化自燃傾向性，確定煤的自燃發火危險等級，為制定礦井火災防治方案提供技術依據。

2）煤的粒度與氧化自燃性。根據現場觀測，回采過程中支架頂部煤體承受擠壓后必然會破碎，生產過程中煤層頂底板不可避免遺留浮煤。支架頂部的破碎煤體及采空區內的浮煤粒度越小，氧化放熱性越強，越易于發生自燃。

為研究并揭示煤的粒度與氧化自燃性關系，由北京科技大學分別對粒徑為0～0.9 mm（18目）、0.9～3 mm（7目）、3～5 mm（4目）、5～7 mm（3目）、7～10 mm（2目）煤樣進行煤炭自燃發火模擬實驗，并繪制出各粒徑煤樣溫度隨時間變化曲線，各粒徑煤樣耗氧速率與溫度的變化曲線，見圖1和圖2。

從圖1和圖2可知，煤樣越細，對氧氣的吸附程度越強，其自燃發火越容易。由于物體的表面積與粒徑成反比，煤的破碎程度越大，粒徑越小其比表面積越大，煤氧接觸面積越大，煤的升溫和耗氧速率越大，氧化放熱性越強，煤樣粒度越小耗氧速度增加越快煤的氧化自燃性也會越明顯。

通過煤的粒度與氧化自燃性模擬實驗，既揭示了破碎煤體及采空區遺留浮煤易發自燃的原因，又為認識及防治綜采工作面支架頂部及采空區煤體自燃提供了理論依據。

3）工作面推進對自燃發火的影響。根據對工作面漏風量、推進距離、采空區溫度三者的關系觀測試驗結果表明，采空區的溫度變化與采空區距工作面的推進距離有關，明顯呈現散熱、氧化升溫、窒息三個不同寬度的帶。工作面正常開采和推進時，支架頂梁上和支架后部的松散煤氧化升溫時間尚不夠充分，煤溫尚未達到自燃條件時已隨著工作面的不斷推進而被甩入窒息帶；如工作面不能正常開采和推進（或不推進），支架頂梁上和支架后部的松散煤就會停滯在氧化升溫帶，并處于長時間充分氧化升溫狀態，具備了工作面落山和支架頂梁上的松散煤體氧化、蓄熱的必要環境和條件，此時，工作面是否發火則完全取決于非正常推進造成的氧化升溫帶的停滯時間。在生產實踐中，當工作面遇地質構造或煤層頂板破碎時，工作面推進低于正常進度；綜放面末采拆架期間更易發生自燃火現象，這也從另一方面印證了“三帶”的客觀存在和“三帶”理論的可信性。工作面推進與煤層自燃三帶關系，見圖3。

除以上所列舉的煤的自燃傾向性、煤的粒度和蓄熱條件、工作面推進進度外，瓦斯抽放負壓在抽放瓦斯的同時，在抽放系統的抽放負壓和流量作用下，采空區冒落帶和裂隙帶成為向工作面落山滲流供氧的通道問題也應引起重視。

煤層自燃的最根本原因是煤本身的自燃傾向性，對于易燃煤層的易燃特性是無法改變的，煤層在開采過程中，煤體也不可能不破碎，采空區也不可能不遺留浮煤，即設想從根本上改變松散煤體的自然條件和環境是比較困難的，完全杜絕煤層自燃實則更加困難。因此，從預防的角度講，及早發現自燃預兆，準確預測發火點范圍和位置，及時采取防治措施則顯得尤為重要。

2 自燃發火預測

1）煤炭自燃傾向性的確定是礦井防滅火技術重要的預測手段。基于煤在低溫常壓下對氧的吸附屬于單分子物理吸附狀態為理論基礎，按朗格紐爾單分子層吸附方程，用雙氣路流動色譜法測定煤吸附流態氧的特性，以煤在特定條件下，每克干煤在常溫（30℃）、常壓（1.0133×105Pa）下的吸氧量作為自燃傾向性分類主指標（高硫煤、無煙煤的自燃傾向性分類，吸氧量>1.0 cm3/g為I類，易自燃。）通過測定煤炭自燃傾向性可了解開采煤層的自然發火危險性，為礦井確定防滅火組織方案提供依據。

2）煤在氧化升溫過程中會釋放出一系列氣體，通過氣相色譜儀和煤自燃特性測試儀，測定煤氧化升溫過程中放出的一系列反應煤炭自然特征氣體的含量，并根據其氣體生成量隨煤溫升高的變化規律，找出可以靈敏，準確地反應煤炭早期自然特征的氣體，作為指標氣體進行煤自然發火的早期預測預報。

實驗表明，自然發火過程中，火災生成物中CO的最低檢知溫度為60℃～70℃,在160℃～190℃左右，CO發生量已相當高。CO是煤層自燃獨有的，能夠表征氣體生成量與相應溫度并能進行預測預報火災的氣體，在井下現場很容易檢測到。以CO為主，結合其他氣體進行火災預測預報，可準確分析火點溫度。

界定開采煤層的自燃傾向性等級，測定自燃發火標志性氣體有關預測預報指標，可認知開采煤層自燃傾向的危險等級，掌握和判斷自燃發火所處的發展階段和嚴重程度。可為礦井制定防災工作提供編制組織管理、物資儲備、技術管理、防滅火技術措施提供可靠的基礎依據，使防滅火技術管理措施更科學，做到有的放矢。

3 自燃發火治理措施

1）束管監測預報。為能夠及時、準確、連續獲取采空區氣體和溫度變化，工作面建立束管監測系統，對工作面進行適時監控。工作面間隔10-20組支架間設一布控點，在支架與采空區間敷設束管，對采空區進行監測并記錄測點氣樣成分及溫度，通過計算機處理分析火源探測結果并繪制平面圖，提交自燃發貨預測分析報告，實現煤層自燃的早期預防工作。為工程技術人員制定防滅火技術方案及措施提供可靠依據。

2）采空區注氮惰化處理。工作面遇構造或其他特殊情況不能正常推進時，提前沿進風順槽敷設注氮管，注氮管會隨著工作面的不斷推進將管道埋入落山。注氮管按一定的間隔設置三通，三通間隔的設定將根據“三帶”實測距離確定。三通節點聯結一根0.5 m長支管作為氮氣釋放口，以防采空區冒落煤矸堵塞管道。

當束管監測系統檢測到采空區氧化升溫帶產生CO，溫度發生變化時，可對照指標氣體分析判斷煤層自燃發展階段及趨勢，當第二個注氮管口支管埋入采空區氧化帶與冷卻帶的交接部位時，啟動井下移動式注氮機向采空區注氮，利用漏風流將氮氣帶入漏風流所流經的氧化升溫帶，從而惰化漏風流及漏風流所流經的區域，在整個注氮區域均勻擴散，起到惰化整個采空區的作用。為保證氧化帶注氮后處于惰化狀態，通過預埋在采空區的束管對氧化帶的O2濃度檢測，確保O2濃度降到10%以下方可停止注氮。

生產面和拆除面均為正常通風狀態，此種注氮屬于開放式注氮，開放式注氮只是降低采空區氧氣濃度，延緩采空區氧化升溫帶松散煤的自燃發展進度，從而贏得時間，爭取工作面恢復正常推進后將異區甩入窒息帶，或堅持到工作面拆除結束永久封閉。

開放式注氮往往只適用于工作面采空區的區域自燃預防性防治，當松散煤體出現高溫火點時，注凝膠漿的滅火效果會更直接有效。

3）注凝膠滅火。工作面支架頂部或靠近支架的采空區出現高溫或火點，澆注高分子材料凝膠漿降溫滅火效果更直接有效。

高分子凝膠是由粉末狀的高分子材料與水直接混合后，短時間內經化合反應形成類似于果凍性的膠質物，其雖具有凝固性，卻沒有機械強度；其膠體主要成分為水分，且可以固體形態充填附著于煤體空隙內，其膠狀物對煤體表面及空隙起到封閉隔氧的阻燃作用，而膠狀物的水分則會吸收煤體熱量，快速降溫滅火的作用。因此，注射高分子凝膠漿更適用于出現高溫或點，需迅速控制和直接滅火的工作面發火點。注高分子凝膠雖具有快速有效滅火特點，但通過注膠釬管注膠，當高溫發火點位于注釬管伸不到的采空區深部時，注凝膠方法也難奏效。注凝膠滅火通常更適用于對支架部位及支架后部一定范圍的落山滅火。除注氮和注凝膠外，采空區撒阻化濟、探索抽放負壓、流量的控制與漏風關系等方法，對防治煤層自燃已具有一定的輔助作用。

4 結束語

礦井煤層自燃發火防治是一項綜合性技術管理工作，涉及到煤層自燃發火的機理，又涉及到現場滅火防治技術及措施的實施應用。總結礦井煤層自燃防治工作基本方法和步驟為：a.與科研院校合作，測定煤層自燃傾向性，認知開采煤層自燃傾向等級及危險性，為制定防治方案提供科學依據。b.建立束管檢測系統，及時、準確、適時掌握測點氣樣成分及溫度，提交預測分析報告，制定針對性的操作性技術措施。c.根據具體情況選擇采空區注氮惰化處理；注凝膠滅火及其他滅火方法。

總之，如能根據具體情況對各種防治方法綜合應用與組合，并不斷總結與改進，防治礦井煤層自燃發火工作一定會取得效果。

[1]周心權，鄔燕云，朱紅青，等.煤礦災害防治科技發展現狀對策分析[J].煤炭科學技術，2002（1）：1-6.

[2]王省身，張國樞.礦井火災防治[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004.

Cause Analysis and Control of Spontaneous Combustion in High-gas and Inflammable Seams

LIU Yingming
(Yangquan Coal Group,Yangquan 045000,China)

Increased proportion of thick seam mining,with other factors,including float coal left behind in mined-out areas and air leak in caving face,causes more frequent spontaneous combustion, which has become a worsening problem threatening the safe production in mines.The paper studies its causes and proposes the prediction for the spontaneous combustion and effective fire control techniques and equipment to ensure the safe and efficient mining in the inflammable seams.

coal seams;spontaneous combustion;control

TD75

A

1672-5050（2015）01-0008-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.004

（編輯：武曉平）

2014-10-15

劉英明（1970-），男，山西壽陽人，大學本科，工程師,從事通風技術管理工作。