厚煤層綜放工作面自然發火治理技術研究

張 斌 華 帥

（安陽市主焦煤業有限責任公司，河南 安陽 455141）

1 工程概況

安陽市主焦煤業公司位于安陽礦區北部倫掌鄉內，產能60 萬t/a。2308 工作面位于23 采區北翼，主要開采二疊系山西組下部二1 煤層，煤層厚4.0～6.5 m，均厚6.0 m，煤層結構簡單，局部地區含2 層夾矸。工作面走向長678.8 m，傾斜長140.3 m。

2308 工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，采用U 型通風方式，上行通風，工作面有獨立通風系統，新鮮風經工作面回入采區回風巷，通過風井排至地面，工作面風量為1050 m3/min。工作面絕對瓦斯涌出量為4.2 m3/min，原始瓦斯含量為5.864 8 m3/t，采用高位鉆孔、埋管抽放或采空區抽放、淺孔抽放等方法防止瓦斯超限。煤塵具有爆炸性，爆炸指數19.26%。煤層自燃傾向性為Ⅲ類不易自燃。

2 2308 工作面煤自燃特性參數測試與分析

對主焦煤業23 采區2308 工作面進行煤樣測試分析，測試結果見表1。

表1 工業分析測試結果

在實驗室對煤樣進行程序升溫控制測試，得出2308 工作面煤層煤自燃預測預報指標：2308 工作面煤層工作面指標氣體以CO 為主，高溫之后輔以C3H8、C2H4、C2H2掌握煤炭自燃情況；CO 的出現說明煤已經發生氧化反應，C3H8出現表明煤溫已經達到110 ℃以上，C2H4出現表明煤溫已經達到150℃以上，C2H2的出現說明煤溫至少已經超過220 ℃，此時應采取積極防滅火措施。

基于氧化動力學方法實驗，得到2308 工作面煤樣罐出口氧氣濃度和交叉點溫度分別為20.75 %和201.6 ℃，根據煤自燃傾向性綜合判定指數計算公式計算得出了2308 工作面煤樣氧化動力學判定指數I 為1 216.9，建立氧化動力學判定指數與絕熱氧化時間之間的關系，計算得到該煤層的最短自然發火期為90.78 d。

利用熱重分析儀對2308 工作面煤樣進行不同加熱速率條件下的熱重實驗，分析表明：實驗煤樣升溫氧化過程可劃分為失水失重階段、氧化增重階段、燃燒失重階段，分析得出了實驗煤樣的臨界溫度、干裂溫度、增重極值溫度、著火溫度和失重極大值溫度等。

計算得到2308 工作面煤樣的失水失重階段、氧化增重階段、燃燒失重階段的活化能分別為38.78 kJ/mol、63.87 kJ/mol、114.31 kJ/mol。計算結果表明，2308 工作面煤樣熱重實驗各階段的活化能不高，自燃等級鑒定為Ⅲ級自燃，但是如果通風條件適宜且蓄熱條件較好時，主焦煤業2308 工作面采空區浮煤與氧氣的反應就會加快，使得熱量集聚發生自燃，因此需要對2308 工作面煤自燃采取防火措施。

3 2308 工作面煤自燃綜合防治技術

3.1 堵漏風防治采空區煤自燃技術

針對主焦煤業公司2308 工作面的實際情況，著重從漏風控制方面進行采空區煤自燃研究[1-2]，實現采空區漏風的有效處理。

堵漏風防治方案：隨著2308 工作面的回采，在上下順槽堆砌堵漏墻，堵漏墻用袋子裝填矸石進行堆砌，袋子之間用矸石充填。每間隔5 m堆砌一座，厚度0.6 m，寬度為巷道寬度，增加采空區后部漏風風阻。為避免風流在上下隅角產生渦流，堵漏墻與回采方向成鈍角，角度160°左右。堵漏墻在工作面上下順槽的封堵如圖1。

圖1 上下順槽袋墻封堵示意圖

3.2 噴灑阻化液預防采空區自然發火技術

針對2308 工作面煤自燃的情況，采取噴灑阻化液預防采空區自然發火的技術方案，從阻化劑選擇、防滅火系統選擇、防滅火參數、噴灑工藝等方面進行論述。

3.2.1 阻化劑選擇

試驗表明：水玻璃、氫氧化鈣、純堿、小蘇打、鹽類（CaCl2、MgCl2）等阻化劑對2308 工作面煤樣在空氣下氧化有明顯抑制作用和降低煤氧化活性作用。阻化劑溶解度曲線如圖2。

圖2 阻化劑溶解度曲線

綜合分析礦井實際情況，選用在水中有較高溶解度、來源廣泛、經濟成本低的CaCl2，作為噴灑或注入2308 工作面煤層的阻化劑。

3.2.2 噴灑阻化液防滅火系統的選擇

2308 工作面選用移動式噴灑壓注系統，儲液箱和注液泵安裝在平板車上，放置在2308 工作面的平巷中，距工作面30 m 左右，經過輸液管路將阻化劑輸送到工作面進行噴灑。

3.2.3 噴灑阻化液防滅火參數的確定

1）噴灑阻化液時機及阻化液濃度和密度確定

阻化劑應每班噴灑1 次，噴灑阻化劑的作業人員必須站在頂板支護完好和上風側方向的區域。煤炭自燃前隨著緩慢氧化釋放出熱量，并釋放CO、CO2、CH4等氣體，自燃指標氣體實驗可得出2308工作面煤層煤自燃指標氣體，根據現場指標氣體濃度的變化增減噴灑阻化劑的次數及時間。阻化劑濃度暫定控制在20%，阻化劑密度為1.11 t/m3，后期可根據阻化效果進行調整。

2）阻化液噴灑量計算

2308 工作面阻化劑噴灑量應按式（1）計算：

式中：V為噴灑量，m3/d；Qy為噸煤用液量，一般取0.04～0.06 m3；η為工作面丟煤率，取7%；ρc為煤的容重，取1.4 t/m3；L為工作面傾斜長度，取140.3 m；H為工作面煤層高度，取6 m；S為工作面日推進度，取1.8 m/d。

將以上參數代入式（1）可得：V=Qy·η·ρc·L·H·S=0.05×0.07×1.4×140.3×6×1.8=7.425 m3/d。2308 工作面每日噴灑阻化液量為7.425×1.11=8.242 t/d=8242 kg/d，預計2308 工作面每日所需阻化劑為8242×20%=1648 kg。

3.2.4 阻化液噴灑工藝

阻化液噴灑工藝如圖3 所示，自制2 個攪拌水箱，每個攪拌水箱容積在1 m3左右，阻化液噴灑泵和水箱都安裝在平板車上，接通工作面的供水管路按比例加足清水，配成溶液攪拌均勻后，用阻化劑噴灑泵將阻化液沿順槽和支架鋪設的Φ25 mm 高壓膠管壓至工作面，與Φ13 mm 的膠管和噴槍相連。一臺泵配一支噴槍，從支架間隙向采空區噴灑。

圖3 阻化液噴灑工藝示意圖

結合現場條件，選用WH-24 阻化劑噴射泵2 臺，該泵具有體積小、重量輕、移動方便等特點。能夠滿足主焦煤業2308 工作面噴灑阻化液防滅火的設計要求。

3.3 注氮氣防治采空區煤自燃技術

3.3.1 注氮工藝及參數設計

根據現場條件，2308 工作面回采過程中采用埋管注氮的注氮工藝，如圖4。在工作面的進風側沿煤壁埋設一趟4 寸鋼管作為主注氮管路，從4 寸注氮管路上引出2 寸鋼管作為支注氮管路，當2 寸注氮管路埋入采空區氧化帶與散熱帶的交界部位時開始注氮，同時又埋入第二趟2 寸注氮管路，當第二趟2 寸注氮管口埋入采空區氧化帶與散熱帶的交界部位時向采空區注氮，此時停止第一趟2 寸注氮管路注氮，重新埋設2寸注氮管路，循環至工作面采完。注氮口處先做木垛，高約1 m，然后將注氮管加入木垛空隙中。當停止第一趟2 寸注氮管路注氮時，回收第一二趟注氮管路之間的4 寸鋼管。

圖4 2308 工作面注氮管路

3.3.2 防火注氮參數設計

2308 工作面煤層自然發火等級為Ш 級，2308 工作面防火注氮方式選用間歇注氮。2308 工作面二1煤層防火注氮時機為：1）當上隅角出現一氧化碳且含量向上遞增達到2.4×10-5時，立即注氮防火；當含量波動變化，只需達到2.4×10-5時，也必須立即注氮防火。2）當工作面旬推進度＜15 m 或月推進度＜50 m 時，必須及時注氮，至工作面推進度大于或等于防火合理推進度時停止注氮。3）當工作面測溫地點的溫度出現下列情況立即注氮防火：45℃≤采空區溫度＜70 ℃，或40 ℃≤上隅角溫度＜45℃。4）撤架時，只要進入采空區氧化帶與窒息帶交界處的煤炭達到發火期，無論工作面是否有發火征兆，均應及時注氮防火。5）巷道高溫煤炭放入到采空區時，必須立即注氮，一直注到將高溫煤炭甩入窒息帶。

2308 面注氮口暫定為進風側距離工作面40 m位置，制氮裝置為DM-600 煤礦用移動式膜分離制氮裝置，最佳注氮流量可選擇為350～500 m3/h。根據2308 工作面現場注氮效果，可適當提高或降低注氮量。

4 治理效果分析

在2308 工作面接續2309 運輸巷施工觀測鉆孔10 個，鉆孔間距20 m，1#鉆孔距工作面12 m 位置，2#～10#鉆孔依次施工。2308 工作面煤自燃綜合防治技術治理6 個月后，連續30 d 取鉆孔氣樣進行分析。結果表明：2308 工作面采空區內CO 濃度在（0～4.5）×10-6范圍，2308 工作面CO 濃度為0；2308 工作面采空區氮氣濃度84.2%～90.4%，甲烷濃度0.24%～1.73%范圍。綜上所述，2308 工作面開采期間CO 濃度未出現異常變化，未出現自燃升溫跡象，有效消除了浮煤的自然發火隱患，自然發火治理效果顯著，保證2308 工作面開采安全。