煤層自然發(fā)火機(jī)理及其規(guī)律與防治應(yīng)用

井慶輝 陳西東 李建鋒

摘要：煤層自燃是多方面因素共同作用的，其發(fā)火原因復(fù)雜，在煤層自燃火災(zāi)防治技術(shù)運(yùn)用上積極深入了解煤層自然發(fā)火機(jī)理及其規(guī)律極為重要，以便針對(duì)自然發(fā)火機(jī)理及規(guī)律制定更適宜的防治措施。

關(guān)鍵詞：煤層；自然發(fā)火機(jī)理；規(guī)律；防治應(yīng)用

一、煤層自然發(fā)火機(jī)理的評(píng)論

煤層自然發(fā)火期是指在開(kāi)采過(guò)程中暴露的煤炭，從接觸空氣到發(fā)生自燃的一段時(shí)間。影響發(fā)火期的因素：煤的自燃傾向性、地質(zhì)因素、開(kāi)采方法和通風(fēng)條件等，另外還與煤層的自燃危險(xiǎn)程度、煤炭氧化發(fā)熱與聚熱的條件有關(guān)。而造成這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因包括煤的的化學(xué)成分及變質(zhì)程度、孔隙率、 吸氧性、溫度、地質(zhì)構(gòu)造等自然內(nèi)部因素，也包括開(kāi)采技術(shù)等人為外部因素。

二、煤層自燃發(fā)火主要存在地點(diǎn)及其規(guī)律：

1、煤巷的冒頂、垮幫處：巷道斷層附近易于出現(xiàn)冒頂，由于風(fēng)流沖刷不到冒頂、垮幫深部，煤炭氧化熱量易于積存，使煤體熱量積聚而導(dǎo)致自燃。

2、采煤工作面采空區(qū)遺煤，上下隅角處容易發(fā)火：當(dāng)工作面推進(jìn)速度低于采空區(qū)遺煤氧化升溫帶寬度時(shí)，氧化升溫帶內(nèi)煤炭氧化蓄熱，煤體存留時(shí)間可能超過(guò)自然發(fā)火期而出現(xiàn)自燃；采煤工作面上下隅角煤幫塌落不實(shí)， 易形成三角區(qū)，出現(xiàn)漏風(fēng)通道，且易堆浮煤，為煤炭自然發(fā)火提供了物質(zhì)條件。

3、切眼附近和停采線(xiàn)處容易發(fā)火：綜放開(kāi)采開(kāi)切眼處，由于綜放開(kāi)切眼托頂煤較厚且開(kāi)切眼寬度大，支護(hù)不當(dāng)時(shí)，易造成冒頂現(xiàn)象，工作面安裝速度慢，超過(guò)自然發(fā)火期，發(fā)生煤炭自燃事故；停采線(xiàn)處易發(fā)火，在開(kāi)采下部分層時(shí)，上部分層的停采線(xiàn)遺煤容易出現(xiàn)自然發(fā)火，停采線(xiàn)是壓差最大的漏風(fēng)通道，若兩端密閉墻封閉不嚴(yán)，停采線(xiàn)處煤炭易于自然發(fā)火，特別是在厚煤層分層開(kāi)采時(shí)，表現(xiàn)更為突出。

三、煤層自燃防治應(yīng)用

目前的煤層自燃火災(zāi)防治技術(shù)主要從以下三個(gè)方面入手：一是隔離煤與氧氣的接觸，使其窒熄；二是降低煤溫，抑制煤的氧化放熱強(qiáng)度，隨著煤溫下降，煤的氧化放熱強(qiáng)度降低，最終使火熄滅；三是惰化煤體表面活性結(jié)構(gòu)，降低煤氧復(fù)合速度，防止煤自燃的發(fā)生。

1、堵漏防滅火技術(shù)：在煤炭的氧化過(guò)程的熱平衡關(guān)系中，漏風(fēng)起兩個(gè)方面的作用，一是向煤炭提供氧化所必需的氧氣，二是帶走氧化生成的熱量。一般漏風(fēng)較小，起到前者的作用，對(duì)漏風(fēng)進(jìn)行有效的封堵，斷絕浮煤氧氣的供給可以較好的防治煤層自燃火災(zāi)的發(fā)生。在我國(guó)大部分煤礦井下，比較常用的堵漏手段是水泥噴漿、泡沫噴涂和粉煤灰堵漏等。

2、膠體防滅火技術(shù)：膠體防滅火技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型防滅火技術(shù)。膠體材料在設(shè)定時(shí)間和范圍內(nèi)發(fā)生膠凝作用，有效地鈍化煤表面活性基團(tuán)，隔絕氧氣，吸熱降溫，終止氧化，并能降低水煤氣爆炸傷人危險(xiǎn)。它具有滅火速度快、安全性好、火區(qū)啟封時(shí)間短、復(fù)燃性低等特點(diǎn)。

3、均壓技術(shù)：均壓技術(shù)又稱(chēng)調(diào)壓技術(shù)，所謂的均壓是指均衡漏風(fēng)通道進(jìn)出口兩端的風(fēng)壓以杜絕或減少漏風(fēng)量的措施，通過(guò)破壞煤炭自燃的四個(gè)必要條件之一，從而達(dá)到防火和滅火的目的。首先，要在保證沖淡有毒有害氣體，使風(fēng)速、氣溫適宜的情況下，全面施行區(qū)域性均壓通風(fēng)，為保證風(fēng)速穩(wěn)定，避免風(fēng)量忽大忽小，應(yīng)加強(qiáng)井下通防設(shè)施巡查維護(hù)及有毒有害氣體檢測(cè)，及時(shí)對(duì)工作面全面測(cè)風(fēng)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以便及時(shí)處理。

4、注漿技術(shù)：注漿防滅火技術(shù)措施至今已經(jīng)發(fā)展形成幾種比較成熟的工藝。其主要作用就是隔氧和降溫，即通過(guò)漿體材料包裏煤體，隔絕煤氧的接觸，膠結(jié)頂板，降低采空區(qū)空隙率，增加漏風(fēng)阻力，防止煤的氧化。注漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際及工作面出水情況而定，還必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)仰俯采實(shí)際實(shí)施。

5、阻化劑防火：阻化劑又稱(chēng)為阻氧劑，主要指一類(lèi)有機(jī)鹽類(lèi)化合物。將此類(lèi)溶液噴灑在煤壁上、采空區(qū)或者注入煤體內(nèi)，具有阻止氧化，防治自燃的作用。它的作用機(jī)理是：增加煤在低溫時(shí)的化學(xué)惰性，或提高煤氧化的活化能；形成液膜包圍煤塊和煤的表面裂隙面；充填煤柱內(nèi)部裂隙；増加煤體的蓄水能力；水分蒸發(fā)吸熱降溫。其實(shí)質(zhì)是降低煤在低溫時(shí)的氧化速度，延長(zhǎng)煤的自然發(fā)火期。

6、注惰性氣體：注惰性氣體也是煤礦井下常用的防滅火手段之一，礦井防滅火所用的惰氣與化學(xué)上的惰氣在概念上有所區(qū)別，是指不能助燃的氣體，目前國(guó)內(nèi)外使用的惰性氣體主要有CO2、N2。注CO2、N2前必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)仰俯采實(shí)際實(shí)施，并且制定嚴(yán)密的技術(shù)措施，注CO2、N2期間重點(diǎn)監(jiān)測(cè)工作面及回風(fēng)隅角氣體變化，回風(fēng)隅角安設(shè)氧氣傳感器，以加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。應(yīng)根據(jù)采空區(qū)“三帶”動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，結(jié)合煤層最短自然發(fā)火期和工作面日推進(jìn)速度，合理確定注氮時(shí)間和注氮口轉(zhuǎn)換周期，使氧化自燃帶始終處于被注入氮?dú)舛杌采w的狀態(tài)，從而有效抑制采空區(qū)自然發(fā)火。

7、建立完善的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，開(kāi)展自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，建立健全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。利用安全監(jiān)控系統(tǒng)，24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面回風(fēng)隅角、工作面回風(fēng)流的氣體變化，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)、掌握一氧化碳、瓦斯、溫度變化；利用束管系統(tǒng)每天抽氣分析回風(fēng)隅角及采空區(qū)的氣體，及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)；瓦斯檢查員三班現(xiàn)場(chǎng)檢查工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流的氣體，每班向調(diào)度室報(bào)崗匯報(bào)氣體情況，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理并匯報(bào)；加強(qiáng)人工取樣監(jiān)測(cè)，安排專(zhuān)人每周對(duì)工作面隅角、架間、回風(fēng)流、高位區(qū)、采空區(qū)及可能積熱著火的地點(diǎn)取樣監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)預(yù)報(bào)。

8、及時(shí)封閉與采空區(qū)連通的巷道及各類(lèi)廢棄鉆孔，采煤工作面回采結(jié)束后45天內(nèi)進(jìn)行永久性封閉。根據(jù)地質(zhì)條件，煤層賦存，合理確定停采線(xiàn)位置，采用雙道密閉的方法進(jìn)行封閉。在實(shí)施正常密閉的基礎(chǔ)上，在相隔3至6m處再構(gòu)筑一道密閉，中間充填樹(shù)脂發(fā)泡劑SPA-2材料。不但加固了密閉強(qiáng)度，杜絕了漏風(fēng)，還有效地抗擊了周邊動(dòng)壓的影響。

9、加強(qiáng)工作面長(zhǎng)短臂注水工作，使煤體濕潤(rùn)，不僅起到防塵效果，同時(shí)降低了煤體表面的溫度，又可以降低有害氣體濃度。

因此，應(yīng)根據(jù)煤層自然發(fā)火機(jī)理及變化規(guī)律，結(jié)合煤層最短自然發(fā)火期和工作面日推進(jìn)速度，合理確定防治措施，積極處于主動(dòng)狀態(tài)，才能有效抑制煤層自然發(fā)火，保障礦井能和諧的安全生產(chǎn)，減少資源浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]鮑慶國(guó)，文虎，等.煤自燃理論及防治技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002.

（作者單位：棗礦集團(tuán)滕東煤礦）

作者簡(jiǎn)介：井慶輝，男，漢族，1978年出生，畢業(yè)于華北科技學(xué)院采礦工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為山東省棗礦集團(tuán)滕東煤礦通防科技術(shù)員。