邢立杰 劉 芬

（陜西郭家河煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721500）

1 郭家河礦煤樣自燃特性測(cè)試

1.1 試驗(yàn)裝置及條件

（1）試驗(yàn)裝置

在一個(gè)半徑為5cm，長(zhǎng)22cm的鋼管內(nèi)，裝入1kg煤樣，在上下兩端分別保留有2cm左右的富余空間，之后置于箱內(nèi)按照設(shè)定程序逐漸加熱，采集不同煤溫時(shí)產(chǎn)生的氣體。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

（2）試驗(yàn)條件

現(xiàn)場(chǎng)采集郭家河煤礦1308工作面煤樣，并篩分 成 五 種 粒 度：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm，稱取每種粒度各200g組成混合煤樣，進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如表1所示。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）CO、CH4產(chǎn)生率

在分析CO、CH4等氣體的產(chǎn)生率時(shí)，可以認(rèn)為CO是煤氧化產(chǎn)物，CH4等氣體是煤熱解產(chǎn)物，其中大部分微量氣體來(lái)源于高溫脫附作用。郭家河煤樣CO、CH4氣體產(chǎn)生率如圖2所示。

圖1 程序加熱升溫試驗(yàn)流程圖

表1 程序升溫箱煤樣加熱升溫試驗(yàn)條件

圖2 CO、CH4生成速率

（2）C2H6和C2H4氣體濃度變化

在升溫初期，常溫狀態(tài)下，郭家河煤礦1308工作面煤樣就存在乙烷氣體，乙烯氣體產(chǎn)生的溫度在臨界溫度后，約為140℃左右。因此，可以把乙烷和乙烯氣體作為煤自燃的標(biāo)志性氣體。井下一旦發(fā)現(xiàn)乙烯氣體，說(shuō)明煤體溫度基本處于干裂溫度附近。圖3表明， C2H6并不適合作為1308工作面的煤自燃指標(biāo)性氣體，因?yàn)镃2H6氣體有相當(dāng)一部分是煤樣脫附逐漸釋放的，并且后期也主要是在高溫期產(chǎn)生，該指標(biāo)不具備預(yù)警能力。

圖3 煤樣C2H6、C2H4濃度與溫度關(guān)系曲線

（3）試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)分析煤氧化過(guò)程的耗氧速率、CO、CO2、C2H4、C2H6氣體的氧化生成規(guī)律，確定了工作面采空區(qū)遺煤的C2H4脫附溫度在90℃～130℃，臨界溫度70℃～80℃，干裂溫度110℃～120℃，確定CO與C2H4可以作為工作面的煤自燃預(yù)警指標(biāo)氣體。建立了工作面煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系，如表2所示。

表2 1308工作面煤自燃指標(biāo)體系

2 郭家河礦1308工作面煤自燃致因分析

2.1 工作面概況及煤自燃征兆

（1）1308工作面概況

1308 工作面可采走向長(zhǎng)度2280m，傾斜長(zhǎng)度290m。工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道在1308工作面停采線前沿煤層頂板布置，過(guò)了停采線后沿煤層底板布置，兩條順槽相互平行，采用錨網(wǎng)索梁聯(lián)合支護(hù)形式，矩形斷面，巷道布置簡(jiǎn)單。截至7月28日皮帶順槽回采381m，回風(fēng)順槽回采359m。工作面需要風(fēng)量1698m3/min，實(shí)際風(fēng)量2011m3/min。正常生產(chǎn)期間，上隅角CO平均濃度10ppm，回風(fēng)流CO平均濃度8ppm。高抽巷抽放CO濃度平均為50ppm，上隅角抽放CO濃度平均22ppm。工作面總共安裝支架168架，后部溜尾安裝在156架，工作面回采時(shí)152～168架不放煤，并在架前掛網(wǎng)護(hù)頂。

（2）煤自燃征兆

通過(guò)郭家河煤礦1308工作面自燃標(biāo)志性氣體測(cè)試試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以確定1308采空區(qū)工作面內(nèi)的煤自燃征兆凸顯過(guò)程：初期工作面CO濃度超過(guò)正常波動(dòng)最大峰值，逐步上升；在CO濃度出現(xiàn)第一次突變（大約440ppm）時(shí)，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)C2H4氣體；CO出現(xiàn)第二次濃度突變（800～1000ppm）時(shí)，工作面氣體中C2H4氣體濃度超過(guò)2ppm。

2.2 遺煤自燃原因分析

（1）1308工作面內(nèi)的遺煤厚度4～16m，達(dá)到最小浮煤厚度?，F(xiàn)場(chǎng)遺煤進(jìn)行氧化復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生熱量時(shí)，熱量能夠積聚導(dǎo)致煤體升溫引發(fā)自燃。

（2）回風(fēng)順槽1900m處因超前壓力影響，煤體形成裂隙，與鉆孔產(chǎn)生漏風(fēng)，提供了煤自燃所需的充足供氧的需求。

（3）現(xiàn)場(chǎng)高抽巷布置在采空區(qū)裂隙帶瓦斯富集區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)加重。

1308 工作面總共安裝支架168架，后部溜尾安裝在156架，工作面回采時(shí)152架至168架不放煤，目前高抽巷位置在157架上方，正好在不放煤區(qū)域內(nèi)且高抽巷層位較高。

在回采過(guò)程中，由于高抽巷不在垮落帶，導(dǎo)致其不能隨著工作面向前推進(jìn)及時(shí)垮落，致使高抽巷延伸至采空區(qū)深部。抽放時(shí)一直不斷給采空區(qū)深部供氧，擴(kuò)大采空區(qū)氧化帶，造成采空區(qū)深部區(qū)域遺煤氧化，產(chǎn)生CO、C2H4等氣體從高抽巷抽出，甚至氧化升溫帶和自燃帶向采空區(qū)深部進(jìn)一步移動(dòng)，如圖4所示，進(jìn)一步擴(kuò)大采空區(qū)三帶覆蓋的遺煤面積（散熱帶O2濃度≥18.5%；自燃帶O2濃度10%～18.5%；窒息帶O2濃度≤10%）。

圖4 高抽巷影響下的采空區(qū)三帶偏移量示意圖

充足的氧氣給采空區(qū)浮煤提供了氧化動(dòng)力基礎(chǔ)，高抽巷負(fù)壓產(chǎn)生的漏風(fēng)風(fēng)壓促使遺煤與氧氣接觸區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，遺煤氧化現(xiàn)象加劇，最終導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃的發(fā)生。

3 采空區(qū)煤自燃協(xié)同防控技術(shù)及應(yīng)用

3.1 多方法協(xié)同治理技術(shù)

（1）堵漏技術(shù)（工作面兩端頭封堵）。采空區(qū)的堵漏技術(shù)主要是采用打墻封堵、水泥噴漿、泡沫噴涂等，也有采用膠體進(jìn)行深部隔離。本質(zhì)上都是為了緩解漏風(fēng)程度進(jìn)行氧氣隔絕，從而有效地降低煤自燃火災(zāi)發(fā)生的概率。

（2）降溫技術(shù)（灌漿、三相泡沫等）。通過(guò)一定的裝置將防滅火泥漿運(yùn)輸?shù)矫鹤匀键c(diǎn)，對(duì)可能自燃的危險(xiǎn)區(qū)域采取注水措施，使水填充煤粒空隙，增加煤體含水量，從而達(dá)到抑制煤自燃趨勢(shì)；或者是對(duì)采空區(qū)可能存在危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)注入惰性氣體如N2和CO2等，控制采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度；或者加添阻化劑，包裹煤體排斥氧氣，阻斷煤氧復(fù)合反應(yīng)序列，減緩其蓄熱的效率，控制煤溫在較低水平。

（3）高抽巷降壓控氧（爆破切斷高抽巷、高抽巷打孔泄壓）優(yōu)化高抽巷下方深孔預(yù)裂爆破工藝。通過(guò)打孔泄壓的方式，控制高抽巷內(nèi)的風(fēng)流壓力或風(fēng)流速度，減小漏風(fēng)強(qiáng)度，降低負(fù)壓，減少對(duì)采空區(qū)深部的供氧，從而達(dá)到抑制采空區(qū)煤自燃的作用。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

（1）1308工作面上口超前棚向外100m（1308高抽巷1910m位置）左右向高抽巷再施工一個(gè)取樣觀測(cè)孔取樣分析。

（2）7月28日向采空區(qū)注氮?dú)夂忘S泥漿加三相泡沫。

（3）在回風(fēng)順槽頂板，工作面切眼向外15m，方位角180°，傾角14°位置向采空區(qū)裂隙帶打鉆孔，并全程下2趟1寸鋼管，鋼管上打3mm孔。下完鋼管后，進(jìn)行封孔，向采空區(qū)裂隙帶注水。

（4）在152架至168架后打5～6m鉆孔并全程下4分套管，向煤體內(nèi)注凝膠（水玻璃和MCA促凝劑混合成膠），封堵裂隙，形成隔離帶。

（5）提高工作面上、下口的打墻封堵質(zhì)量，最大限度地減少采空區(qū)漏風(fēng)，縮小采空區(qū)氧化帶范圍。

（6）精準(zhǔn)施治高抽巷長(zhǎng)懸臂難題：① 上抬溜尾段，跟頂回采；② 向高抽巷采空區(qū)打鉆（采空區(qū)以里60m），注泡沫凝膠、高水充填材料，封堵底板及下方裂隙。

（7）加強(qiáng)上下兩道堵漏。頂板用雙排煤矸石袋封嚴(yán)堵死，并噴涂艾格勞尼，吊掛風(fēng)帳.

（8）從工作面向外30m在回風(fēng)順槽煤壁每隔5m施工一組高位鉆孔，優(yōu)化高抽巷下方深孔預(yù)裂爆破工藝。

1308 工作面采空區(qū)的關(guān)鍵問(wèn)題是回采過(guò)程中高抽巷不能及時(shí)垮落的問(wèn)題，通過(guò)：優(yōu)化高抽巷下方深孔預(yù)裂爆破工藝；施工短孔，貫通采空區(qū)側(cè)高抽巷，降低負(fù)壓；施工扇形孔，形成隔離帶。每天確保施工一個(gè)扇形孔和高抽巷貫通孔，并優(yōu)先施工高抽巷下方爆破孔、高抽巷降壓孔，扼制高抽巷深部對(duì)采空區(qū)供氧的情況。

圖5 郭家河1308工作面協(xié)同防控布置圖

圖6 1308高抽巷內(nèi)CO氣體變化曲線圖

3.3 工作面煤自燃災(zāi)害防治效果

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，選定CO氣體濃度的變化趨勢(shì)作為1308工作面采空區(qū)煤體升溫氧化的指標(biāo)，進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)的遺煤自然發(fā)火過(guò)程預(yù)警預(yù)報(bào)。

隨著1308工作面推進(jìn)，氧氣濃度在風(fēng)流方向上呈下降趨勢(shì)。高抽巷CO濃度在7月28日之前呈正常數(shù)值60～100ppm，29日突然升至110ppm，此后上升至266ppm，初步懷疑可能是高抽巷密閉墻向里至850m段高抽巷內(nèi)出現(xiàn)煤氧化高溫點(diǎn)。為防止采空區(qū)遺煤自燃，采取了工作面兩端頭封堵，灌漿、三相泡沫等，爆破切斷高抽巷、高抽巷打孔泄壓等多項(xiàng)措施協(xié)同治理，此后采空區(qū)的CO濃度開(kāi)始下降，直至CO濃度波動(dòng)水平處在正常范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了高抽巷影響下的采空區(qū)遺煤自燃預(yù)防，在多方法協(xié)同防控下的可行性。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)測(cè)定了郭家河礦煤樣的臨界溫度為70℃～80℃，干裂溫度為110℃～120℃，確定CO濃度變化趨勢(shì)為該工作面煤自燃預(yù)警的主要指標(biāo)。

（2）理論分析了采空區(qū)遺煤自燃的原因：采空區(qū)遺煤厚度達(dá)到最小浮煤厚度；高抽巷不在垮落帶，造成高抽巷不能隨工作面向前推進(jìn)及時(shí)垮落，且回風(fēng)順槽因超前壓力影響，煤體形成裂隙與鉆孔產(chǎn)生漏風(fēng)風(fēng)流，導(dǎo)致采空區(qū)深部漏風(fēng)嚴(yán)重。

（3）構(gòu)建了以“端頭封堵控氧、填充降溫隔氧、高抽巷降壓控氧”為主的多方法協(xié)同治理技術(shù)方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，驗(yàn)證了該方法的可行性，為類似情況的礦井煤自燃危害防治提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。