低瓦斯易自燃煤層防滅火技術

崔志軍

（汾西礦業(yè)集團中興煤業(yè)公司 ，山西 交城 030500）

0 引言

我國煤炭資源十分豐富，且煤層的具體地質賦存條件具有明顯的差異。我國在煤炭開采過程中，由于煤炭資源屬于易燃物質，煤炭自燃成為影響井下安全采煤的重要因素之一。我國大部分礦區(qū)煤層開采都存在瓦斯爆炸的危險。近年來，瓦斯礦井易自燃災害越來越受到重視，因此，開展對瓦斯易自燃煤層防滅火技術的研究，對礦井安全開采具有十分重要的意義。

本文針對低瓦斯易自燃煤層防滅火技術難題，闡述了煤體自然發(fā)火現(xiàn)象的機理與煤自然等級劃分，通過工業(yè)分析確定了某礦6號煤層屬于Ⅱ類，容易自燃煤層；通過實驗分析了煤樣產(chǎn)生氣體與溫度的關系，并歸納了常用的防滅火技術措施。

1 工程概況

某礦井田南北長14967m，東西寬12110m，井田面積為 104km2，主要可采煤層為 2#、3#、5#、6#、7#、8#、9#煤。本文研究以6號煤層的三采區(qū)6312工作面作為研究對象，該采區(qū)為長壁垮落法綜采工作面。6號煤層厚度為4.3～7.2m，平均厚度為5.1m，煤層傾角為3°～12°，平均傾角為7°，煤層直接頂為細砂巖，底板為砂質頁巖，頂?shù)装鍘r性如表1所示。

根據(jù)礦井煤層檢測報告可知，該礦屬于瓦斯礦井，6號煤層屬于中硬煤層，所含灰份21.3%，所含硫份0.92%，且煤塵具有爆炸性。因此，工作面會存在火災隱患需要進一步采取防治措施。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 煤自然發(fā)火機理及自燃等級鑒定

2.1 煤自然發(fā)火機理

研究學者已經(jīng)針對煤的自燃機理做了大量的研究，并形成了多種學說。上世紀90年代開始，國內外研究學者廣泛認可了煤氧復合作用學說。其解釋了煤發(fā)生自燃現(xiàn)象的原因為煤與氧氣發(fā)生了物理和化學復合作用。該作用包括了煤與氧氣的物理吸附作用、化學吸附作用、化學反應作用。

近年來，國內的研究學者在煤氧復合作用學說的基礎上進一步研究發(fā)展，提出了更為合理和具體的學說。徐精彩等通過煤的微觀機理研究，根據(jù)煤的表面分子活性，提出了煤氧復合作用過程中可以分為三步的學說，其認為不同活性基團與氧作用的難易程度也不同。第一步為煤表面通過物理吸附的方式吸附氧分子；第二步為煤表面分子通過化學吸附的方式吸附氧分子；第三步為煤表面的活性基團吸附完成氧分子后發(fā)生并完成煤氧復合反應。

2.2 煤自燃等級鑒定

評價煤層自然發(fā)火的重要指標為煤層的自燃等級。經(jīng)過多年的研究，可以針對煤自燃傾向性鑒定的方法有很多種，目前我國常用的方法為色譜吸氧鑒定法（MT/T707-1997）。這種方法鑒定煤自燃傾向性的原理為：測定每克干煤在30℃，1.0133×104Pa條件下的吸氧量為指標進行劃分煤的自燃傾向性等級。沒得自燃傾向性等級指標分類標準見表2。

表2 煤自燃傾向性等級分類

取6號煤層煤樣進行化學分析及自燃傾向性鑒定，結果表3所示：

表3 6號煤自燃傾向性鑒定結果

由工業(yè)分析結果可知，該礦6號煤層的自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬于容易自燃煤層。

3 煤自燃特性測試

為更好的針對煤自燃選取合適的防滅火技術，本文采用升溫試驗系統(tǒng)針對6號煤層煤樣進行試驗，分析煤在不同溫度下生成易燃氣體CO、C2H4和C2H2的變化規(guī)律，通過對這些煤自燃特性參數(shù)的分析，選取合適的防滅火技術。

3.1 實驗設備與方法

圖1 升溫試驗系統(tǒng)

實驗設備如圖1所示，包括控溫箱、氣路和氣樣分析儀器等三部分。原理為將煤樣置于控溫箱內加熱，并采集分析煤樣在不同溫度時產(chǎn)生的氣體含量，升至最高溫度后，停止加熱自然降溫。

3.2 測試結果分析

選取6號煤層煤樣，實驗前去除煤氧表面氧化層，并篩分選取0.5～1mm粒徑，取100g放入實驗裝置內。測試結果如圖2、圖3所示。

圖2 C2H2和C2H4濃度隨溫度變化規(guī)律

圖3 CO濃度隨溫度變化規(guī)律

由圖2和圖3曲線可知，6號煤層煤樣在實驗裝置內溫度處于30～350℃不同階段時，生成C2H2、C2H4和CO氣體，且隨著溫度的升高呈現(xiàn)上升的規(guī)律。溫度處于30℃常溫階段時，開始有少量的CO氣體生成，隨著溫度升高，煤樣迅速開始發(fā)生氧化作用，當處于90～100℃時，CO開始迅速增加，伴隨著開始生成C2H4氣體，當溫度超過150℃時，C2H4氣體開始迅速增加。到達180℃時，開始生成C2H2氣體。

因此，可以通過監(jiān)測氣體的成分預報火災溫度。當監(jiān)測到C2H4氣體時，火情溫度達到90℃，當檢測到C2H2氣體時，火情溫度已達到180℃，此時應該立刻采取緊急的防滅火措施。

4 綜合防滅火技術

4.1 漏風封堵技術

采用納米改性彈性體材料涂抹、水泥噴漿或泡沫噴涂、均壓等手段對煤層采空區(qū)關鍵位置進行封堵，從而達到減少或斷絕采空區(qū)易燃煤體氧氣提供的目的。對斷層裂隙進行噴漿處理達到徹底封堵的狀態(tài)，有效的封堵通風通道，避免采空區(qū)內高溫火點出現(xiàn)復燃現(xiàn)象。

4.2 惰化技術

此技術是指向煤層發(fā)火區(qū)處注入氮氣等惰性氣體或惰氣泡沫，以達到降低發(fā)火區(qū)氧氣濃度，隔離火源，消滅火源的目的。原理為：將惰性氣體或惰氣泡沫充填入發(fā)火區(qū)域，可以迅速降低發(fā)貨火區(qū)域的蔓延，有效隔斷發(fā)火區(qū)域，還可以迅速窒息火源。但若煤體煤質比熱容較大，則使用惰性氣體和惰氣泡沫對發(fā)火區(qū)的控制效果不好，滅火時間長且容易發(fā)生復燃。

4.3 煤體阻化技術

煤體阻化技術目的是通過一些技術手段，有效降低煤的氧化活性，阻止煤體與氧氣發(fā)生物理化學反應，此技術采用的技術手段有：噴注霧化阻化劑、惰化阻化劑或 CaCl2、MgCl2等。原理為：當 CaCl2、MgCl2溶液附著于煤上時，會形成一張液體薄膜，可以有效的阻止煤體與氧氣發(fā)生反應；當惰化阻化劑所處環(huán)境的溫度超過一定值時，阻化劑開始吸收熱量，進而氣化，產(chǎn)生惰性阻化氣體，阻止煤體與氧氣發(fā)生反應，進而達到防滅火的作用。

4.4 膠體防滅火技術

近年來，國內外研究學者針對膠體滅火技術進行了深入的研究，研究開發(fā)的膠體泥漿、凝膠和復合膠體，將采空區(qū)內易流動的礦井水溶液在采空區(qū)內指定位置發(fā)生凝結，生成膠體將發(fā)火區(qū)域包裹，并且膠體在一千攝氏度環(huán)境下仍然不會較快的氣化，只會因為水分的蒸發(fā)發(fā)生較小程度的萎縮。此技術滅火性能較好，可以使用的時間較長。此外，在實踐現(xiàn)場應用中，專家根據(jù)現(xiàn)場條件研發(fā)出了許多因地適宜的可移動式的、多功能的膠體滅火系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的礦井地質條件選取合適的膠體滅火系統(tǒng)進行防滅火治理。

5 結論

本文針對低瓦斯易自燃煤層防滅火技術等問題，闡述了煤體自然發(fā)火現(xiàn)象的機理

與煤自然等級劃分，通過工業(yè)分析確定了該礦6號煤層屬于Ⅱ類，容易自燃煤層；通過實驗分析了煤樣產(chǎn)生氣體與溫度的關系，可以通過檢測生成氣體的成分去反應火情溫度的變化；最后歸納了現(xiàn)有的低瓦斯易自燃防滅火技術有：漏風封堵技術、采空區(qū)惰化技術、煤體阻化技術和膠體防滅火技術。