采空區瓦斯與煤自燃復合災害防治機理與技術探究

黃立新

湖南省煤業集團嘉禾礦業有限公司 湖南 郴州 424500

1 引言

受到采場復雜性的影響使煤自燃擁有了很多的特性,煤自燃是一種煤氧完成復合放熱的一個過程,本身就是一種放熱效應,另外煤的溫度隨著放熱性的升高而升高,這時產生的有毒氣體會隨著風的方向被精確定位,但是不能準確定位出現火情的位置,煤體本身在自燃的情況下會給控制火情造成一定影響,經過有關研究證明,溫度在高達200℃的情況下,即使氧氣不足也會產生復合反應,如果氧氣在充足的情況下就可以在短時間內產生明火。為了有效合理的對煤與瓦斯自燃復合災害進行防治,本文主要針對厚煤層中采空區煤層自燃發火防治方面的問題進行了研究。

2 復合災害預測、預報技術

2.1 采空區煤層自燃災害預測技術

(1)煤自燃的危險性預測。對煤層自燃危險程度的預測可通過自燃發火的等級來確定,煤自燃危險性預測的方法主要有統計類比方法、實驗方法和綜合評判的方法,統計類比方法是根據歷史發生自燃災害的數據,結合工作面實際工作情況來分析煤層的自燃程度。實驗方法中常用的是色譜動態吸氧的預測,該方法是對煤樣對氧氣的吸附量來劃分自燃性。綜合評判方法是在大量研究資料的基礎上,獲取煤層發生自燃危險的影響因素,然后根據這些因素建立模糊數學理論,通過逐步聚類的分析來預測煤層發生自燃的危險等級。

(2)煤層自燃發火期的預測。對煤層自燃發火期的預測是通過還原現場、建立大型模擬實驗臺來進行,這樣可以近似的還原現場的實際情況,但是這種實驗成本較高、工作量大,所以很多研究學者一般采用數值模擬的方法來進行預測。

(3)采空區自燃區的預測。采空區自燃預測一般采用數值模擬和現場觀測兩種方法,根據現場氧氣濃度的分布,將其劃分為氧化帶、散熱帶和窒息帶,另外還可以根據漏風的風速將采空區分為不自燃地區和自燃地區,但是這種只能反應出采空區兩巷的情況,不能全面反映出采空區自燃的情況。數值模擬是利用采空區溫度場和氧濃度場來建立數值模擬方程式,依據煤炭自燃的傳質來進行模擬分析。

2.2 采空區煤層自燃災害預報技術 采空區煤層自燃災害預報技術主要是根據煤層自燃的初期現象來判斷自燃的一種災害預報技術,目前主要分為指標氣體法和測溫法兩類,采用的手段一般是通過工人的現場取樣和采用礦井傳感器來實現。

指標氣體法：煤炭在發生氧化反應的過程中會產生一些氣體產物,例如CO2、CO、Cm Hn等氣體,根據這些氣體產物可以反映出煤層自燃的程度。實時對這些氣體產物進行監測,監測這些指標的種類、濃度和溫度等參數來分析指標氣體和煤體自燃之間的關系,這種方法主要用于礦井火災的早期預報,相應的監測系統已經廣泛使用,是一種有效的預報技術。

測溫法：煤在氧化過程中可以對本身的溫度和周邊巖層的溫度進行測驗,這種測溫方法主要通過對煤體和圍巖溫度變化進行測定,是發現煤自熱和高溫點的最直接方法,但是目前對煤體內部溫度的測試技術還不夠完整,現在常用測量儀器主要有溫度傳感器和紅外線測溫儀。

3 復合災害防治機理

瓦斯和煤自燃兩種災害是相互影響和相互制約,從兩種災害的特性來觀察,瓦斯災害的發生需要氧氣、瓦斯和引火源三者的共同作用,前兩者是客觀存在的,引火源主要為工作面的各種電氣和機械設備的影響,采空區內部引火源主要沒煤自燃的影響。煤礦對瓦斯的防治主要是通過各種措施來控制瓦斯的積聚,限制其達到爆炸的條件,但是在采空區內部是不能控制的,只能通過防治煤自燃來控制引火源。煤自燃需要同時具備四個條件,這四個條件分別為碎煤具有自燃傾向性、蓄熱條件、供氧環境和氧化時間,對煤自燃防治主要是通過對時間、溫度和氧氣進行控制。

4 以預測、預報為主的復合災害防治方法

4.1 控制漏風 隨著工作面風量的不斷提升,采空區自燃帶的寬度也有了明顯的提升,尤其是進風和回風側的自燃帶。所以在保證工作面用風需求的基礎上合理控制工作面的風量。采用控制漏風的方法來減少煤體與氧氣的結合,一般有封閉法、均壓法和噴漿法。水泥噴漿的工作量比較大、抗動壓的性能比較低,防火效果不理想；泡沫堵漏方法和水泥噴漿相比,其各方面的性能比較好,但是成本較高,另外在溫度較高的情況下還會釋放出有害氣體；均壓法又分為閉區和開區兩種,閉區均壓通過降低封閉區域的漏風來降低氧氣的濃度,開區均壓是通過減弱采空區四周的壓力差來降低氧氣濃度。

4.2 惰化防火 依靠惰性氣體的方法來降低濃度可以有效的控制火災的蔓延,常用的惰性氣體有二氧化碳、氮氣等以及一些惰性泡沫,采用惰性氣體的方法可以迅速注入整個空間,降低氧氣的含量,使發生火災的地方由于缺氧而窒息。但是由于煤體的自燃熱量高,滅火周期較長,所以效果不是太好,不能徹底的控制煤體的自燃,有時還會發生復燃的情況。

采用泡沫的主要好處是可以有效降低采空區的氧氣濃度,產生的泡沫包裹煤體后可以隔絕與氧氣的結合,缺點是持續的時間比較短,發泡性能比較差,成本也相對比較高。

5 結語

綜上所訴,基于采空區瓦斯與煤自燃復合災害防治機理的復雜性,對于采空區瓦斯和煤自燃復合災害的防治焦點應集中對煤自燃進行控制,杜絕瓦斯爆炸的引火源,在煤體自燃方面,通過對煤自燃災害的危險性預測、發火期預測以及采空區自燃區的預測,從控制漏風和惰化防火兩個方面制定防火方法,以此來確定以預測、預報為主的復合災害防治方法。