王小燕

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

煤層自燃問題嚴重影響煤礦的安全生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計，煤礦中自然發(fā)火的火災次數(shù)占礦井火災總數(shù)的90%以上，而采空區(qū)遺煤自燃發(fā)生頻率最多，占總煤層自燃次數(shù)的60%[1]，因此，對采空區(qū)自燃規(guī)律的研究尤其重要。以辛置煤礦10-428B工作面為背景，利用現(xiàn)場束管檢測系統(tǒng)，獲得采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律來劃分采空區(qū) “三帶”[2]；據(jù)此計算出工作面推進臨界速度，并提出預防性灌漿和注氮防滅火的技術措施防止煤體自燃，有利于工作面安全高效的回采。

1 工程概況

辛置煤礦10-428B工作面所采10#煤層厚度不穩(wěn)定，煤層平均厚度2.6 m，平均傾角4°.工作面布置10-428B1和10-428B2兩條巷道。10-428B1巷為運輸巷，走向長度約883 m；10-428B2巷為回風巷，走向長度約774 m.工作面長240 m，采高為2.6 m，采用單一煤層一次采全高走向長壁后退式綜合機械化采煤法，采空區(qū)采用全部垮落法處理。

2 采空區(qū)自燃指標氣體的確定

取辛置礦工作面新鮮煤樣并進行現(xiàn)場封裝，將其研磨制作成60～80目粒度的實驗煤樣，放入控溫爐膛內(nèi)，同時安設溫度探頭。打開高壓空氣氣瓶供氣，供氣量為80 mL/min；實驗設定的升溫速率為2 ℃/min；實驗溫度為16 ℃～30 ℃.恒溫運行2 min，再把煤樣管出氣管連接到礦用氣相色譜儀(GC-950型)中進行氣體成分分析，得到氣體濃度與溫度變化曲線，見圖1，圖2.

圖1 煤樣升溫氧化指標氣體濃度與溫度關系圖

圖2 C2H4/C2H6與溫度關系圖

由圖1可知，隨著煤溫的升高，O2、CO、CO2、C2H4、C2H6均呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化：

1)CO在30 ℃就出現(xiàn)。當煤溫在30 ℃～70 ℃，CO濃度隨煤溫的升高變化不大；當煤溫在70 ℃～110 ℃時，CO濃度隨煤溫升高稍有增大；當煤溫超過110 ℃左右，CO濃度生成量呈指數(shù)規(guī)律增加。110 ℃可以作為CO指標氣體濃度變化明顯的轉折點，即是判斷進入氧化帶緩慢氧化階段的指標。

2)煤溫在30 ℃時含有CH4氣體，說明煤體本身含有CH4氣體。從圖1可以看出，煤溫在30 ℃～80 ℃、80 ℃～130 ℃、130 ℃～180 ℃時，CH4氣體量隨煤溫的增加而緩慢升高，煤溫超過180 ℃，CH4氣體量迅速增加。

3)為了便于觀察，C2H4和C2H6的氣體濃度擴大100倍。由圖1可知，C2H4和C2H6分別在煤溫達到120 ℃、180 ℃時出現(xiàn)，C2H4和C2H6濃度隨著煤溫升高呈指數(shù)型增加。只有煤進入加速氧化階段，C2H4和C2H6才能大量迅速出現(xiàn)，即C2H4和C2H6的出現(xiàn)是煤進入加速氧化階段的一個重要標志。通過上述實驗數(shù)據(jù)表明，C2H4和C2H6是較好的指標氣體。

4)從圖2可以看出，在210 ℃時，C2H4/C2H6的比值達到最高值，說明在210 ℃時，煤的氧化已經(jīng)進入激烈氧化階段。

綜上所述，根據(jù)實驗結果分析，CO、C2H4/C2H6隨著煤溫的升高，變化更加劇烈，可以作為辛置煤礦10#煤樣標志性氣體，而CH4、C2H4和C2H6雖然也隨著煤溫的升高，產(chǎn)生劇烈變化，考慮到煤氧化過程中釋放的 CH4、C2H4和C2H6氣體一般來源于吸附氣體釋放、氧化產(chǎn)生等情況，烷烴氣體宜作為煤層自然發(fā)火的輔助指標。只要在井下檢測到烷烴氣體濃度呈持續(xù)快速上漲的趨勢，即可預報煤已自然發(fā)火，故可將其作為輔助參考指標。

3 10-428采空區(qū)自燃“三帶”的測定劃分

3.1 束管檢測系統(tǒng)布置方案

10-428B工作面采用采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)對煤炭自燃的連續(xù)監(jiān)測。該方案分別在10-428B1巷和10-428B2巷分別布置一組束管，每組4根束管，每根束管布置一個測點，每組測點間距設計為15 m，測點外管路再延伸100 m，即距離工作面145 m處布置觀測站，見圖3.

圖3 采空區(qū)“三帶”觀測系統(tǒng)布置示意圖

3.2 監(jiān)測結果及分析

隨著工作面的不斷推進，對采空區(qū)內(nèi)的氣體濃度及溫度變化進行監(jiān)測，得到不同測點的O2濃度隨推進距離的變化曲線，見圖4.

圖4 氧濃度隨距工作面距離變化曲線圖

由圖4c)、圖4d)可知，進風側測點氧濃度隨距工作面距離變化情況，氧氣濃度在距工作面28 m處下降到18%左右，在51 m下降到10%以下，所以可認為51 m以后已處于窒息帶內(nèi)。從圖4a)、圖4b)可知，回風側測點氧濃度隨距工作面距離變化情況，氧氣濃度在距工作面32 m處下降到18%左右，在52 m下降到10%以下，所以可認為52 m以后已處于窒息帶內(nèi)。

綜上所述，采空區(qū)距工作面大于28 m時，氧濃度小于18%；距工作面28～52 m時，氧濃度在18%～10%；距工作面大于52 m時，氧濃度小于10%.根據(jù)氧濃度劃分的采空區(qū)“三帶”：0～28 m為散熱帶，28～52 m為氧化帶，大于52 m為窒息帶。應用數(shù)值模擬方法，根據(jù)10-428B實際氧濃度、工作面推進等情況，建立采空區(qū)氧濃度幾何模型，模擬出采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，見圖5，模擬結果與實際監(jiān)測結果一致。

圖5 10-428B工作面采空區(qū)“三帶”計算模擬圖

4 采空區(qū)防滅火措施

4.1 工作面推進臨界速度

10-428B工作面的散熱帶寬度為28 m，工作面平均推進速度為2 m/d，即工作面推進15 d后，采空區(qū)進入自燃帶的范圍。根據(jù)煤層最短自然發(fā)火期T和工作面的推進速度V0，可計算出工作面在最短自然發(fā)火期內(nèi)的推進距離L0，即：

L0=T×V0

式中：

V0—工作面平均推進速度，m/d.

工作面采空區(qū)內(nèi)散熱帶與氧化帶的寬度之和L小于L0的區(qū)域，浮煤不會發(fā)生自燃。散熱帶與氧化帶的寬度之和L大于L0的區(qū)域，浮煤有可能發(fā)生自燃，采空區(qū)內(nèi)長度L～L0的區(qū)域即為采空區(qū)氧化自燃危險區(qū)域。

根據(jù)采空區(qū)散熱帶與自燃帶的寬度之和L和煤層實際最短自燃發(fā)火期，可推算出工作面安全推進速度VA，即：

VA=L/T

當工作面的推進速度V≥VA時，采空區(qū)浮煤就不會發(fā)生自燃。對于10-428B工作面，通過煤層自然發(fā)火試驗可知，最短自然發(fā)火期為T=20 d，工作面的臨界推進速度為：

V=L/T=(LA+LB)/T=2.6

式中：

L—自燃帶的最大寬度，m；

LA—散熱帶的寬度，m；

LB—氧化帶的寬度，m；

T—最短發(fā)火期，d.

對于10-428B工作面10#煤層來說，當工作面推進速度小于2.6 m/d，采空區(qū)有自然發(fā)火的危險，應采取相應的防滅火措施；工作面推進速度大于2.6 m/d時，應加強采空區(qū)氣體檢測，根據(jù)化驗氣體情況，采取相應的措施。

4.2 滅火措施

1)灌漿防滅火。

2-208回采工作面移動注漿泵站安設在2-208副巷泵站附近。注漿順序為：移動注漿泵站→2-208副巷→2-208上隅角→采空區(qū)。

注漿方法：灌漿方法采用踏步式埋管灌漿，即隨著回采工作面推進向采空區(qū)內(nèi)埋管道進行注漿，以充填采空區(qū)空隙，覆蓋采空區(qū)遺煤，減小采空區(qū)漏風量，防止采空區(qū)自燃。采用上隅角插管向采空區(qū)注漿，注漿步距為4.0 m.注漿時一旦發(fā)現(xiàn)潰漿，立即停止注漿。

2)注氮防滅火。

氮氣是一種良好的惰性氣體，空氣中氮氣含量越高，氧氣含量越低。當氧氣含量控制在5%～10%時，可抑制煤炭的氧化自燃；當降至3%以下時，可以完全抑制煤炭等可燃物的自燃與復燃。將氮氣注入采空區(qū)中，使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及遺煤帶，可以有效降低氧氣含量，形成氮氣惰化帶，達到抑制采空區(qū)自燃和安全開采的目的。

5 結 論

1)通過程序控溫箱、氣體分析儀等實驗儀器對工作面所采集的煤樣進行升溫過程中氣體濃度的測定，確定了CO、C2H4/C2H6為辛置煤礦10號煤樣的標志性氣體，將CH4、C2H4和C2H6等氣體作為煤層自然發(fā)火的輔助指標。

2)通過建立現(xiàn)場束管檢測系統(tǒng)，獲得采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律得到采空區(qū)“三帶”：0～28 m為散熱帶，28～52 m為氧化帶，距離工作面52 m后為窒息帶。

3)根據(jù)采空區(qū)“三帶”分布計算得出工作面推進臨界速度為2.6 m/d，通過預防性灌漿和注氮防滅火的技術措施能夠有效地防止煤體自燃，有利于工作面安全高效的回采。