正旺煤業2號煤自燃機理及防治技術

武和平

(孝義市應急管理局，山西 孝義 032300)

據統計，我國國有重點煤礦中，存在煤炭自然發火危險的礦井占比達56%，而由于煤炭自燃引起的火災事故在礦井火災事故中的比例在90%以上。隨著工作面生產能力的增大，工作面走向和傾斜長度增大，采空區漏風面積大，遺煤自燃的幾率增大，給煤礦的安全生產造成了嚴重的影響[1-5]。

1 工程概況

正旺煤業21102工作面所采煤層2號煤，平均厚度2.3 m。該煤層為Ⅱ類自燃煤層，同時該煤層具有爆炸危險性，火焰長度為320 mm。工作面為刀把形，初始切眼長度為137 m，對接后的切眼長度為160 m。推進長度為697 m，工作面采用一次采全高走向長壁綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，最大控頂距5.4 m，最小控頂距4.6 m。工作面巷道沿煤層底板掘進，為矩形斷面，規格為4.8 m×3.2 m(寬×高)，錨網索聯合支護。

工作面通風方式為一進一回“U”型通風，運輸巷進風，運料巷回風。工作面采用“三八”制作業，早班檢修，中班和夜班生產，正常每天割煤5刀，進尺4.0 m，正常回采時的風量為750 m3/min。

2 自燃機理分析

2.1 煤炭自燃的特征

采空區煤炭的自然發火可以分為三個階段，如圖1所示。

圖1 煤炭自燃發火三個階段

1) 潛伏期。工作面開采后，在常溫甚至低于常溫下，采空區的遺煤與氧氣接觸，發生氧化反應，在煤體表面形成氧化物，煤的活性增強。

2) 自熱期。在該階段，采空區遺煤的化學反應速度加快，并且生成CO和CO2等氣體，同時釋放熱量，隨著熱能的積蓄，溫度逐漸升高，溫度的升高又增加了煤炭的反應速度，當達到臨界點溫度時，煤體發生自燃。該階段的主要監測對象是溫度。

3) 燃燒期。該階段內，煤體已經發生自燃，生成有大量的CO和CO2等氣體，并且有明顯的煙霧，甚至有明火出現。該階段內可以通過監測O2或標志性氣體的濃度來判斷煤炭的自燃情況。

2.2 著火點試驗

在21102運輸巷中取樣，實驗室內利用碎煤機將煤樣破碎，篩分出15～20目、35～50目、60～80目、90～110目、120～150目、160～190目和200目八組不同的粒徑，編號為1～8。將不同的煤樣置于恒溫箱內烘烤5 h以上，溫度保持在100 ℃，之后在坩堝內進行20～600 ℃的燃燒試驗。模擬的空氣流量為30 mL/min，O2和N2的比例為1∶4。采用DTGA法確定著火點，試驗結果如表1所示。

表1 煤樣燃點實驗結果

由試驗結果可以看出，2號煤最低著火點為364.2 ℃，相對較低，在一定溫度下容易發生自燃。

2.3 吸氧量試驗

將煤樣破碎篩分為7～15目、16～20目、25～40目和45～70目四組，每組2份試樣。采用的儀器為ZRJ-1 型煤自燃傾向性測定儀。取煤樣1 g置于儀器內，分別進行兩次吸附和脫附，吸附時間為20 min和5 min，脫附時間為2 min，分別計算實管峰和空管峰面積，試驗結果如表2所示。

表2 吸氧量試驗結果

由試驗結果可以看出，2號煤的最高吸氧量為1.307 6 cm3/g，相對較高，在密閉不好的條件下容易發生氧化反應。并且隨著粒徑的減少，吸氧量存在一定的波動，不是簡單的線性關系。

3 采空區氣體變化觀測研究

3.1 氣體變化監測

工作面推進60 m時，在21102進風巷中布置5個測點，間距為35 m，利用束管監測系統進行現場實測。束管與地面氣相色譜相連，利用氣相色譜定期分析的方法對采空區氣體中的成分進行分析。

其中4號測點的觀測結果如圖2所示。

圖2 4號測點氧氣濃度監測結果

由圖可以看出，工作面推過后，氧氣的濃度逐步下降。當工作面位于測點前方170 m時，采空區中的氧氣濃度下降到18%以下。當工作面推過測點260 m時，采空區中的氧氣濃度為7.341 9%.

3.2 溫度監測

在21102進風巷中設置5個測溫點，在實體煤幫施工鉆孔，在鉆孔中埋設熱電偶，監測采空區中的溫度變化。其中3號測點監測到的溫度變化如圖3所示。

圖3 3號測點溫度監測結果

3號測點的溫度觀測結果表明，在工作面推過后一段時間內，采空區內的溫度變化較大，但總體呈上升趨勢，最高溫度可達43.19 ℃，工作面推過13 d即在工作面后方65 m左右，工作面溫度達到穩定。

根據實驗室實驗，2號煤的煤樣在35 ℃左右時監測到了CO氣體，表明出現了氧化現象。因此高溫區內有煤炭氧化的可能。

3.3 三帶劃分

根據21102工作面O2濃度的監測結果，并結合采空區溫度變化特征，確定工作面采空區散熱帶的范圍為工作面后方60～70 m，窒息帶的范圍為工作面后方265 m，中間氧化帶的平均寬度為200 m，三帶分布如圖4所示。

圖4 采空區自燃“三帶”劃分(m)

4 自然發火防治措施

4.1 采空區注氮

按如下公式計算采空區注氮量Q：

式中：Q0為采空區氧化帶內漏風量，取8 m3/min；C1為采空區氧化帶內平均氧氣濃度，(18%～7%)，取12%；C2為采空區惰化防火指標，取7%；CN為注入采空區中的氮氣濃度，97%；k為備用系數，取1.3。

代入計算可得，21102工作面所需的氮氣量為780 m3/h。選用沈陽煤科院的DM-1000型注氮機，該注氮機以井下空氣為原料，產氮量為1 000 m3/h。將該注氮機布置在采區軌道下山內，利用76.2 mm管路經工作面兩個巷道向采空區內注漿，每隔30 m設置一個出氣口。注氮方式為預防性間隔注漿，每天的注氮時間不小于2 h，但采空區監測到有自燃的標志性氣體或其他發火征兆時，24 h不間斷注氮，直至自然發火征兆消失。當工作面遇到斷層等地質構造推進速度變慢時，應當延長注氮時間或連續注氮。

4.2 防火劑噴霧阻化

在工作面兩巷內，向工作面噴射MEA 防滅火材料，該防火材料由滅火劑和發泡劑組成，使用時加水制成漿液利用注漿泵注入到鉆孔中。操作流程如圖5所示。

圖5 MEA 防滅火材料工藝流程

在工作面上下隅角處，各布置3個鉆孔，呈扇形，孔深6 m。工作面正常推采期間滅火劑的比例為7%，和發泡劑的比例為9%，工作面推進緩慢期間可適當加大滅火劑的用量。采用2BN50/1.5 型泥漿泵，額定流量50 L/min，管路為內徑5 cm的鋼管，初始注漿壓力控制在0.9～1.0 MPa之間，當壓力升至1.3 MPa時停止注漿，并對管路進行清洗。

4.3 支設煤袋墻

在工作面遇到地質構造推進緩慢的地段或者停采期間，在工作面上下兩巷支設煤袋墻。現場取煤粉，噴灑水和防火劑，攪拌均勻，裝入編織袋中。沿巷道底板鋪設風簾布，在風簾上堆壘煤袋，同時將風簾緊貼袋子墻吊起，掛于巷道頂板的金屬網上，如圖所6示。

圖6 煤袋墻支設示意

該方式現場取材，施工方便，堵漏效果較好，需要加強監督管理，每班規定專人對擋風墻的質量和擋風簾的懸掛位置進行視察，如出現煤袋墻上部不接頂等漏風現象立即組織人員堵漏。

5 結 語

1) 正旺煤業2號煤層煤的最低著火點為364.2 ℃，最高吸氧量為1.307 6 cm3/g，具有著火點低、靜態吸氧量大等特點，在工作面回采中應當采取防滅火措施。

2) 21102工作面采空區散熱帶的范圍為工作面后方60～70 m，窒息帶的范圍為工作面后方265 m，中間氧化帶的平均寬度為200 m，工作面后方200 m是防治的重點區域。

3) 通過采取采空區注氮、噴射防火劑、支設煤袋墻等措施，實現了21102工作面的安全回采，為正旺煤業2號煤開采提供了經驗。