基于“三位一體”技術易自然煤層采煤工作面防自然發火技術分析

摘要：文章對本礦在開采己16-17煤層工作面易自然煤層采煤工作面防自然發火的“三位一體”技術進行了研究。通過“易自燃煤層‘三位一體防治自然發火體系構建”項目，對平煤股份九礦開采己16-17煤層自燃機理、預測預報技術、防滅火措施等方面開展研究，形成一整套預測預報和防滅火體系，更好地為煤礦安全生產服務。最終研究結果表明，通過“三位一體”防治自然發火體系，確定了己16-17煤層自燃預測預報敏感氣體和指標，構建了平煤股份九礦“三位一體”易自燃煤層綜合防火技術保障體系。

關鍵詞：三位一體;易自然煤層;采煤工作面;防自然發火

中圖分類號：TD752.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0137-04

0 引言

平煤股份九礦設計能力21Mt/a，經產業升級改造和技術改造為90Mt/a，開采為甲組煤層和乙組煤層，其中易自燃煤層是己16-17煤層，采取綜采工作面，如果發生煤層自燃，后果將非常嚴重。“三位一體”自然發火防治體系包括自燃機理、預測預報技術、防滅火措施3個主要模塊[1]。本文主要通過實驗室參數測試、現場數據收集、分析，并結合數值模擬與理論計算，構建九礦己16-17-22062工作面“三位一體”自然發火防治體系，制定開采防滅火措施，通過現場應用，進一步修改、完善防火方案，為今后礦井安全生產提供保障。2019年單年在工作面未發生一次火災的前提下，九礦己16-17-22062工作面安全回收煤炭資源近30萬t，產值超過1.8億元。

1 己16-17-22062綜采工作面概述

1.1工作面開采布置情況

己16-17-22062采面位于己二下延采區西翼，東起采區回風下山、皮帶下山，西至井田邊界，南部為已回采的己16-17一22041工作面，北部無采掘活動，上部為已回采的己16-17-22061工作面，下部無采掘活動;地面位置位于彈花錘山下部及西部，地面標高介于+130 - +160m，開采時對地面建筑物無任何影響;己16-17，一22062采面風巷標高介于-620 -655m;機巷標高介于-660 - -725m，切眼標高介于-620 -660m工作面平均走向長度為60lm，工作面采長126m，煤層平均厚度3m。開采煤層為己16-17煤層，煤層自燃傾向性為容易自燃，據重慶煤炭科學總院取樣測定結果最短發火期為37d。

1.2工作面地質條件

本采面內地質構造較復雜。該工作風巷相鄰邊莊逆斷層，受斷層的影響，工作面次生斷層較多，隱伏小斷層發育，且工作面煤層賦存不穩定，煤層傾角、厚度及走向坡度變化較大，切眼上部15m范圍內煤層傾角15°左右，以下煤層傾角在28°左右。結合己16-17一22062切眼分析，在切眼向前施工14m有一條逆斷層構造，給回采帶來一定影響。

2 影響采煤工作面自然發火因素

在對煤礦進行開采的過程中，經常會出現某些煤層較其他煤層具有更高的自然傾向性的現象[2]。這些具有自然傾向性的煤一旦發生氧化、升溫、燃燒，便會引起該采煤工作面上的煤炭發生自然。從煤炭出現自然現象的必要因素進行剖析，影響采煤工作面自然發火的主要因素如圖1所示。

2.1 采煤方法

易燃煤層采煤工作面的采煤方法影響采煤工作面自燃的主要表現為：煤礦采用的炮采工藝會在采煤的同時在采空區殘留一定量的殘煤，這些殘煤為易燃煤層采煤工作面的自然發火提供了基礎。

2.2 回采工藝

易燃煤層采煤工作面的回采工藝影響采煤工作面自燃的主要表現為：煤礦采用的炮采工藝會在采煤的同時將媒體高度破碎化，極大地增加了煤體表面積，進而使煤體更多的接觸面與外界空氣實現接觸，加速了采煤工作面的煤料氧化，一旦采煤工作面的散熱條件不達標時，較容易因升溫過快引起采煤工作面煤料自燃[3]。

2.3 風速、風量

己16-17-22062下工作面停采階段，己16-17-22062外工作面與采空區是相互連通的狀態，己16-17-22062采煤工作面一旦與外界流過的新鮮空氣進行接觸，將大大增加采煤工作面煤層自燃的氧氣條件。

2.4 推進速度

煤層工作面的推進速度快慢不同，則浮煤在采煤工作面的堆放時間和位置也會發生相應的變化，進而為采煤工作面的防自然工作帶來威脅。

3 己16-17煤層自燃特征參數

3.1 測試煤的自燃傾向性

本實驗記錄的是煤層最短的自然發火期，實驗在絕熱的條件下進行，記錄將煤從常溫狀態下進行緩慢氧化、自然升溫再到加速氧化臨界溫度所需要的時間。根據建立的數學模型計算出煤樣的最短自然發火期，通過差示掃描量熱法計算煤樣的放熱速率[4]。本文利用重慶煤科院實驗室做了煤層自燃傾向性分析。

3.2 實驗內容及結果

取樣地點：己16-17煤層，己16-17-22062工作面。

3.2.1 煤樣自燃傾向和工業分試驗結果

實驗煤樣自燃傾向和工業分析鑒定結果如表1所示。

3.2.2 煤樣升溫氧化試驗結果

如表2所示為煤樣升溫氧化過程中濃縮度變化及其產物，臨界溫度為1640C[5]。

4 己16-17煤層“三位一體”易自然煤層采煤工作面

防自然發火體系構建

4.1己16-17-22062工作面煤自燃預測預報

在煤層開采后，根據煤自然進程中的升溫和釋放氣體等特征，來判別其自燃狀態并對自燃進行預警的技術稱之為煤自燃發火預報技術。其在礦井煤層中占有重要地位，是火災防治的關鍵，也是預防和處理礦井火災的基礎。井下煤層火災預報的越及時準確，所需要耗費的人力和物力資源就越少，只要可以做到及時、盡早和準確的進行預報，就可以做到及時的防御，而且能夠提高實效性，節約人力和物力，確保安全回采。

4.2 氣體分析的火災預測預報

經重慶煤科院實驗室分析，煤樣在30℃-200℃的氧化過程會有規律的出現CO和CO2，其濃度隨著煤溫的升高而升高。當溫度在120℃是會出現乙烷，當溫度在130℃時會出現乙烯，當溫度在140℃時會出現丙烷，而且這些氣體的生成量隨著溫度的升高而增多。當溫度在70℃時開始出現一氧化碳，在溫度比較低的環境中生成量比較小，當溫度升高到110℃時，一氧化碳就開始增加，這就說明了煤已經開始快速氧化了。當溫度在130℃時出現乙烯，說明此時煤已經和氧氣發生了比較強烈的化學反應;當溫度在30℃到200℃時沒有出現乙炔，說明了此時的溫度已經超過了200℃，如果出現了乙炔就說煤已經發生了強烈的化學反應。因此，一氧化碳可以作為煤樣的指標氣體，并且加上乙烯、乙烷和C2H8來輔助。當一氧化碳開始出現時說明煤已經開始發生氧化反應，當乙烯開始出現時說明溫度已經大于130℃，當乙炔開始出現時說明溫度已經大于200℃。煤的自燃階段變化趨勢可以贏一氧化碳來判斷，當一氧化碳的上升速度比較慢時說明煤溫小于110℃，反之則大于100℃。

4.3己16-17-22062工作面停采期間的防滅火措施

為搞好工作面停采、回收期間的防火工作，防止工作面自然發火事故的發生，確保在撤面期間的安全，特編制本措施。

1）在運輸進風巷內，回采切眼以里50m處提前預埋一條注漿管路，做好注漿準備工作，根據現場情況，做好對工作面不同深度采空區的防火注漿工作。

2）在回風隅角每天采集氣樣進行色譜分析，做好采空區內的氣體監測分析工作。

3）隨時監測風隅角一氧化碳數值的變化情況（用監測傳感器）

4）在工作面巡檢的瓦斯檢查員在工作時，可以用多功能氣體檢測儀器進行檢查，而且需要將瓦斯檢查深入到支架頂部的最里面，然后去檢查一氧化碳、氧氣和甲烷等氣體的濃度，如果一氧化碳含量出現異常，就需要帶回地面進行詳細分析。

5）瓦斯檢查員每班用CO檢定器不間斷檢查工作面回風隅角及回風流CO濃度，嚴禁CO超限作業。當回風流中CO濃度超過24PPm時，必須停止工作，撤出人員，匯報礦總工程師及礦調度室采取措施進行處理。

6）通風隊每天根據采空區氣體變化情況，如果一氧化碳連續升高或者出現乙烯等標志性氣體，就說明煤層有自燃的趨勢，需要盡快采取防護措施。

7）工作面距停采線50m時，需要減緩煤的氧化速度，可以采取向采空區噴灑阻化劑，要堅持連續不斷的在工作范圍噴灑。

8）工作面停采、回收期間，及時將工作面風量下調至500_800m3/min，通過現場測試，在保證瓦斯及其它氣體不超限的情況下，盡量減小工作面風量。另外，對全礦井通風設施全部檢查、維修一遍，保證全礦井通風系統穩定。

9）采停工作結束后，需要及時的清理干凈工作區域，盡可能的減少遺煤量，同時要大范圍的噴灑阻化劑。

10）搞好注漿、注氮防火工作。根據采空區取樣分析結果，對不同深度采空區實施大流量注漿或注氮，氮氣濃度應保持在97%以上。

11）盡量加快回收速度。自工作面停采之日起，力爭在30d內回收完工作面及兩巷設備和有關物料，并封閉采空區。

12）回收期間工作面進風隅角使用好擋風簾，擋風簾要求吊掛嚴實，接邦接頂，以減少向采空區漏風。

13）封閉期間安排救護隊員每班盯班閉工作。

4.4己16-17-22062工作面綜合防火技術保障

4.4.1 注氮防滅火技術

造成自燃的一個主要原因之一就是采空區漏風。采空區一般是封閉或者半封閉的，有N2進入后空間內的混合氣體增加，這樣可以減少內外壓力差，這樣就可以減少封閉區域外部向2內部漏風的現象。圖2所示為氮氣防滅火機理與作用示意圖。

4.4.2 注氮工藝和方法

己16-17-22062工作面采空區防火注氮采用埋管注氮工藝。

1）注氮口位置的確定。注氮口位置的確定取決于采空區氧化帶的寬度[9]。根據前述工作面氧化自燃帶寬度（7%<中02< 15%）為5l.OOm和以往防火的經驗，注氮埋管按照40m的步距布置，注氮口埋設及釋放口位置如圖3所示。

2）埋管注氮工藝。采用錯步埋管法預埋注氮管路。在進風側沿采空區埋設一趟注氮管路，管徑為108mm的無縫鋼管，當埋人40m后開始注氮，第二趟管路與第一趟管路的埋設步距為40m。當第二趟管路埋人采空區40m時，停止向第一趟管路注氮，開始向第二趟管路注入。同時，埋設新管路，在采停完成前一直這樣循環[10]。注氮釋放口應高于煤層底板400-500mm，以90°彎管轉向采空區，與工作面保持平行，并用石塊或者木垛等加以保護。

5 結語

綜上所述，針對易自燃煤層采取綜采開采工藝，一旦發生煤層自燃，則損失十分嚴重。本文構建了工作面綜合防滅火技術體系，主要有：完善了工作面注氮系統，制定了注氮期間安全措施及日常管理措施;完善了工作面注漿系統，確定注漿工藝及注漿措施;編制了己16-17一22062工作面防滅火技術組織保障措施，有力保障綜合防滅火技術體系的執行。

參考文獻

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作者簡介：鄢耀（1986-），男，漢族，湖北宜昌人，大學本科，工程師，研究方向：突出礦井瓦斯治理技術，自燃煤層防火方面。