易自燃煤層首采面的煤火防治措施

魏 剛

(榆林神華能源有限責任公司，陜西 神木 719315)

0 引言

我國重點煤礦中的54.9%存在自然發火危險[1]，隨著煤礦開采現代化、機械化進程的發展，煤火災害問題日益凸顯，嚴重影響了礦山生產安全。以某煤礦開采易自燃煤層的首采綜采面51103工作面為例，首先進行煤自然發火判定指標優選，確定CO為煤自然發火監測指標，之后對工作面開拓及采煤方式進行分析，根據工作面特點對進回風進行優化，最后根據可能發生的采空區遺煤自燃采取防范措施，設計灌漿系統并對其材料、參數進行優化。

1 煤自然發火標志氣體測定

1.1 程序升溫氣相分析聯動實驗

人工采取井下煤樣，采樣方法及采樣步驟參照《GBT 482-2008煤層煤樣采取方法》執行；取樣后將煤樣破碎，并進行篩分，煤樣粒度小于0.15 mm，裝入熱解析儀并與氣相色譜相連，進行熱解析實驗。實驗設備采用程序升溫氣化進樣聯動氣相色譜分析原理設計，其原理示意圖如圖1所示。將煤樣放置在程序升溫裝置中，開啟程序升溫進程，煤體溫度會逐漸升高，在不同溫度下煤樣與氧氣作用生成的多種氣體成分不盡相同。將煤氧反應生成的氣體經由管路輸送至氣相色譜進樣口，程序自動控制每隔15 min對氣體進行一次檢測，將檢測到的結果記錄后即可進行分析。

圖1 實驗設備原理示意圖

實驗開始后，程序升溫裝置按照預先設定的升溫進程對煤樣進行加熱，具體升溫程序見表1。煤氧反應后生成的氣體通過氣化進樣裝置進入氣相色譜進行分析，每間隔15 min讀取O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C3H6、C2H2等氣體濃度值，并進行記錄。

表1 升溫程序表

1.2 煤自然發火標志氣體優選原則

首先應當計算各氣體在各升溫階段的濃度增率Ir

(1)

式中：Ir—標志性氣體濃度增加速率，min-1；C1、C2—2次測定標志性氣體的濃度；Δt—2次測量間隔時間，min。

比較各預選氣體的Ir，選擇Ir較高的(即隨溫度變化較明顯的)氣體作為煤自然發火標志性氣體。在選取標志性氣體時，應優先考慮CO、C2H4、C2H2作為標志氣體，因為以上3種氣體在一定程度上反應了煤的緩慢氧化階段、加速氧化階段以及劇烈氧化階段且標志性明顯[2]。

經分析，標志氣體測定結論見表2。

表2 標志氣體測定

因此，確定51103工作面緩慢氧化階段(常溫下)煤自然發火標志氣體為CO。

2 煤自然發火防范措施

2.1 工作面布置及采煤方法

51103工作面為首采工作面，采用一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤方法，采高平均為5 m。巷道布置簡單，由51103工作面膠運順槽、51103工作面回風順槽以及51103綜采工作面構成。工作面相鄰51104工作面為備采工作面，其巷道及51102工作面巷道布置已經完成，51103工作面膠運順槽與51104工作面回風順槽相鄰且留有聯絡巷，51103工作面回風順槽與51102工作面膠運順槽相鄰且留有聯絡巷。51103工作面巷道布置示意圖如圖2所示。

圖2 51103工作面巷道布置示意圖

2.2 通風系統的設計及優化

通風系統的良好設計對煤火災害的防治有著積極的作用。在此對通風系統進行優化。

51103工作面通風路線為主(副)斜井→5-1煤主運(輔運)大巷→51103工作面膠運(輔運)順槽→51103綜采工作面→51103回風順槽/51102回風順槽→5-1煤回風大巷→回風立井→地面，由于51103工作面為首采面，因此通風系統漏風較少，便于管理。在此僅針對51103工作面及其相鄰的51102、51104工作面巷道進行通風系統優化。

減小采空區漏風：嚴格按照《煤礦安全規程》的要求對工作面風量進行計算，防止冗余風量進入采空區，造成采空區遺煤氧化升溫。

上、下隅角防漏風：工作面上、下隅角由于其特殊的位置，導致膠運順槽的風流容易經由下隅角進入采空區，經采空區后由上隅角流出，形成風流回路。風流帶出的CO、CH4等有害氣體會對采煤工作面帶來安全隱患，同時也加劇了采空區遺煤自燃。因此采取措施在工作面上、下隅角處懸掛風簾，防止采空區漏風。

設防火風門：在51103工作面膠運順槽及回風順槽設置防火風門，一旦發生火災且形勢無法控制時，可以關閉防火門，阻止損失擴大。

杜絕地面漏風：由于51103綜采面開采的5-1煤層較淺，因此需在回采期間密切關注51103采空區地表塌陷情況，若發現異常，及時充填因采動地表產生的裂縫，杜絕地面漏風引起采空區煤層自燃。

2.3 灌漿系統的設計優化

51103工作面開采的5-1煤層為Ⅰ類易自燃煤層，需要對工作面設計安裝灌漿系統。

灌漿系統類型的選擇：灌漿系統分為集中灌漿和分散灌漿系統。集中灌漿系統便于管理，但其建設時間長，投資大，便于掌控。分散灌漿系統又可分為鉆孔灌漿系統及移動灌漿系統，其特點是機動靈活，但管理難度較大。研究對象煤礦已經建立了集中灌漿系統，且首采的51103工作面位置關系便于利用灌漿泵站，因此選擇使用集中灌漿系統。

灌漿材料的選擇：對灌漿材料的性能應滿足①比重2.4～2.8 t/m3；②塑性指數9～11(亞粘土)；③膠體混合物(按MgO含量計)為25%～30%；④含砂量為25%～30%(顆粒為0.5～0.25 mm以下)；⑤容易脫水和具有一定的穩定性。按照以上要求，選用FCJ12復合膠體膠凝劑混合黃泥漿進行漿液調制。

灌漿方法的選擇：51103工作面采用埋管間歇式灌漿方法對采空區進行灌漿。事先在回風順槽埋下鋼管，隨工作面推進，每間隔10～20 m進行一次灌漿作業，確保工作面開切眼(起采線)、運輸巷、回風巷和停采線等4線的灌漿質量，進而確保采空區封閉質量，管灌漿示意圖如圖3所示。井下黃泥灌漿采用動壓供漿。井下黃泥灌漿為專用的枝狀管網，灌漿泥漿通過D159×8管道經1號回風立井壓力至井下采空區。管道采用無縫鋼管，管道連接方式采用卡箍式柔性管接頭，各分支管設有閘閥以便檢修。在井下采、掘工作面每50 m設注漿閥一個。

1-預埋注漿管；2-高壓膠管；3-灌漿管；4-回柱絞車；5-鋼絲繩；6-采空區圖3 采空區灌漿管路布置示意圖

灌漿參數的計算：在此主要對每日灌漿用土量Qt進行計算。

(2)

式中：Qt—每日灌漿所需土量，m3/d；G—礦井日產量，t；γ—煤的容重，t/m3；K—灌漿系數，取0.01。

3 煤火防范措施效果驗證

測定CO濃度變化率作為煤體是否氧化升溫的指標氣體。根據2016年3月5日至2016年6月2日51103工作面CO數據的監測結果，繪制散點圖，如圖4所示。

圖4 51103工作面回風順槽CO濃度散點圖

由圖4可知，51103工作面回風順槽CO濃度處于9～25 ppm之間，屬于安全水平，說明51103工作面沒有煤自然發火跡象，采取的煤火防范措施有效。

4 結語

對于易自燃煤層首采綜采面51103工作面，首先通過程序升溫聯動氣相色譜的方法測定了各預選指標氣體的升溫速率，確定了CO為遺煤緩慢氧化階段監測指標氣體，之后在通風系統優化、灌漿系統設計兩方面布置了煤自然發火防治措施，在工作面實際回采過程中加以應用，最后通過對回風順槽CO濃度監測結果的分析說明了采取的煤自然發火防范措施取得了良好的效果，對今后的采空區防滅火工作具有指導意義。