韓曉極

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，遼寧 撫順 113122）

礦井火災(zāi)作為煤礦開采過程中的五大災(zāi)害之一，長期制約著我國煤礦安全高效開采[1]。我國煤炭資源稟賦復(fù)雜，近水平煤層與急傾斜煤層、特厚煤層與薄煤層、單一煤層與近距離煤層群廣泛分布[2-3]。不同煤層賦存與開采技術(shù)條件下的自然發(fā)火特性差異極大[4]。川南礦區(qū)作為四川省內(nèi)主要的煤炭生產(chǎn)基地，為全省乃至西南地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要的能源保障[5]。區(qū)內(nèi)主要開采高硫、高灰近距離煤層群，由于煤層賦存條件的特殊性，因監(jiān)測預(yù)警不及時、防治措施不合理而導(dǎo)致的采空區(qū)自然發(fā)火事故時有發(fā)生[6-8]，嚴(yán)重制約了礦井安全生產(chǎn)。因此，如何科學(xué)制定近距離煤層自然發(fā)火預(yù)警及防治方案，成為亟需解決的難題[9]。

近距離煤層群開采過程中，由于層與層之間距離較近，因此這種開采方式會形成大量層間裂隙，從而導(dǎo)通上下2 層的采空區(qū)，進(jìn)而形成復(fù)合采空區(qū)[10-12]。由于層間裂縫使得漏風(fēng)通道增多，上覆煤層采空區(qū)內(nèi)的遺煤經(jīng)多次氧化后，其自身發(fā)火特性發(fā)生顯著改變，增大了煤層自燃預(yù)測預(yù)報的難度[13]。同時層間裂隙會導(dǎo)致地下水大量進(jìn)入采空區(qū)，使采空區(qū)遺煤長期處于水浸狀態(tài)，而當(dāng)下部煤層回采完畢后，采空區(qū)積水會逐漸變干，而水浸后的煤層更易被氧化，自然發(fā)火率大大提高[14]。此外，近距離復(fù)合采空區(qū)間的巖層垮落，造成上分層遺煤再次破碎，改變了巖體滲透率，影響了空氣的滲流特性[15]。

為此，以川南礦區(qū)新維煤礦3102 工作面為研究對象，在煤自然發(fā)火特性分析的基礎(chǔ)上，提出煤自然發(fā)火分級預(yù)警判別標(biāo)準(zhǔn)與防治方法。

1 工作面概況

芙蓉公司新維煤礦新位于四川省筠連礦區(qū)沐愛勘探區(qū)東北部，采用中央平硐加暗斜井開拓，中央并列式通風(fēng)方式。井田范圍內(nèi)通過煤層群聯(lián)合布置由上至下依次開采2#、3#、8#煤層，其中3#、8#煤層屬Ⅱ類自燃煤層，2#煤層屬Ⅲ類不易自燃煤層。3102工作面為一盤區(qū)3#煤層首采工作面，煤層平均厚度1.4 m，煤層傾角平均9°，采用走向長壁綜合機(jī)械化采煤法，全負(fù)壓“U”型通風(fēng)方式，全部垮落法管理頂板。工作面走向長度350 m，傾斜寬度180 m，采用內(nèi)錯布置，上部為已回采完畢的2102 工作面，下部為未開采的8102 工作面。

2 3#煤層自然發(fā)火特性實驗

2.1 煤層自燃氧化產(chǎn)氣特性

3102 工作面掘進(jìn)期間，選取新鮮暴露的煤樣作為研究對象，利用中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司自主研發(fā)的煤氧化程序升溫實驗裝置，依次開展不同O2體積分?jǐn)?shù)條件下煤自然氧化過程中氣體產(chǎn)生規(guī)律研究。各O2體積分?jǐn)?shù)條件下的煤溫與CO 體積分?jǐn)?shù)關(guān)系如圖1。

由圖1 可以看出，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)在10%和20.9%的條件下，煤溫達(dá)到58 ℃時，開始出現(xiàn)CO；而O2體積分?jǐn)?shù)在7%條件下，煤溫達(dá)到70 ℃時，才開始出現(xiàn)CO；且CO 體積分?jǐn)?shù)不論O2體積分?jǐn)?shù)如何，都呈現(xiàn)先上升再下降的趨勢。O2體積分?jǐn)?shù)越高，CO 產(chǎn)生速率越快；當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為20.9%時，CO體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)3 829×10-6，此時煤溫為513 ℃；當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)分別為10%和7%時，CO 產(chǎn)生速率差距不大，但CO 最高體積分?jǐn)?shù)有所變化，分別為1 429×10-6和859×10-6，對應(yīng)煤溫分別為402 ℃和368 ℃。

O2體積分?jǐn)?shù)在20.9%的條件下，當(dāng)煤溫升高到180 ℃時，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到196×10-6，此時煤樣處于緩慢氧化階段；當(dāng)煤溫升高到219 ℃時，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到487×10-6，此時煤樣處于加速氧化階段；當(dāng)煤溫繼續(xù)升高到513 ℃時，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3 829×10-6，此時煤樣處于加速氧化向劇烈氧化過渡階段；當(dāng)CO 體積分?jǐn)?shù)在3 829×10-6以上時，煤樣處于劇烈氧化階段。

2.2 煤層自燃氧化熱力學(xué)特性

不同O2體積分?jǐn)?shù)條件下熱力學(xué)特性曲線如圖2。由圖2 可以看出，O2體積分?jǐn)?shù)在20.9%的條件下，煤樣的氧化有明顯的激烈氧化升溫階段，而當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)為10%時，煤樣雖然也有明顯的激烈氧化階段，但與O2體積分?jǐn)?shù)為20.9%時比較，CO 產(chǎn)生速率，反應(yīng)最高溫度都有所降低，說明煤樣氧化受到抑制，O2體積分?jǐn)?shù)為7%時，反應(yīng)最高溫度更低，氧化也不明顯，說明煤樣氧化受到進(jìn)一步抑制。

3 3102 工作面分級管控技術(shù)措施

3.1 分級預(yù)警制度

依據(jù)煤樣升溫氧化實驗中煤樣所處不同階段時CO 最高體積分?jǐn)?shù)為依據(jù)，基于現(xiàn)場容易實施的原則，對其取整數(shù)后，對工作面煤層自然發(fā)火實行分級管控。管控標(biāo)準(zhǔn)劃分：一級CO 體積分?jǐn)?shù)為24×10-6～200×10-6；二級CO 體積分?jǐn)?shù)為200×10-6～500×10-6；三級CO 體積分?jǐn)?shù)為500×10-6～4 000×10-6；四級為CO 體積分?jǐn)?shù)大于4 000×10-6。

3.2 分級管控措施

3.2.1 CO 體積分?jǐn)?shù)低于24×10-6

采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)在24×10-6以下時，主要采取以采空區(qū)埋管注氮以及上下隅角漏風(fēng)封堵為主的防滅火日常管理，工作面每推進(jìn)30 m，上下隅角施工1 道懸空密閉。采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報是該階段的重點(diǎn)，每周一、周三、周五派專人對采空區(qū)氣體進(jìn)行取樣化驗分析。

在工作面回風(fēng)巷間隔30 m 布置趟束管，束管外套無縫鋼管進(jìn)行保護(hù)，配合停采線處安裝的抽氣泵，構(gòu)建工作面簡易束管監(jiān)測系統(tǒng)，3102 工作面束管測點(diǎn)布置如圖3。

圖3 3102 工作面束管測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring point layout of beam tube on 3102 working face

3102 工作面回采期間采用邁步式埋管注氮的方式，采空區(qū)注氮量QN可按下式計算：

式中：Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均O2體積分?jǐn)?shù)，%，一般取14%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界O2體積分?jǐn)?shù)，%，取7%；CN為注入N2的N2體積分?jǐn)?shù)，97%；K為備用系數(shù)，取1.5。

根據(jù)各系數(shù)的取值結(jié)果，當(dāng)C2取10%時，工作面所需供氮量約為400 m3/h；當(dāng)C2取7%時，工作面所需的供氮量約為1 200 m3/h。

3.2.2 四級管控標(biāo)準(zhǔn)下管控措施

1）CO 體積分?jǐn)?shù)為24×10-6～200×10-6。當(dāng)采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)為24×10-6～200×10-6時，工作面啟動一級預(yù)警，此時煤體處于緩慢氧化階段，CO 產(chǎn)生速率升高，但仍可控制，這一階段，需縮短檢測周期，束管取樣化驗每天至少1 次，同時加快推進(jìn)度，每天至少推進(jìn)3 m，工作面每推進(jìn)15 m，上下隅角施工1道懸空密閉。提高采空區(qū)注氮量至1 200 m3/h，直至CO 體積分?jǐn)?shù)降低到安全水平以下。

2）CO 體積分?jǐn)?shù)為200×10-6～500×10-6。當(dāng)采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)為200×10-6～500×10-6時，工作面啟動二級預(yù)警，此時煤體處于加速氧化階段，溫度迅速升高，這一階段，束管取樣化驗變?yōu)槊咳罩辽? 次，并施工探火鉆孔，對疑似高溫火區(qū)進(jìn)行圈定并進(jìn)行注漿處理，停止瓦斯抽采，減少采空區(qū)漏風(fēng)，做好液態(tài)CO2井下直注管路鋪設(shè)、設(shè)備檢修、氣源聯(lián)系等各項準(zhǔn)備工作。

3）CO 體積分?jǐn)?shù)為500×10-6～4 000×10-6。當(dāng)采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)為500×10-6～4 000×10-6時，工作面啟動三級預(yù)警，此時煤體處于劇烈氧化轉(zhuǎn)化階段，CO產(chǎn)生速率急劇升高，且伴隨有上隅角、架間CO 超限現(xiàn)象，這一階段，需增加探火孔數(shù)量，加大探火范圍，對隱患區(qū)域進(jìn)行精確圈定，根據(jù)探測結(jié)果，將漿液改為膠體，若CO 體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高并超過1 000×10-6時，需通過預(yù)埋管路向采空區(qū)灌注液態(tài)CO2，每次灌注量不小于40 m3，若CO 體積分?jǐn)?shù)超過2 500×10-6時，立即準(zhǔn)備工作面封閉材料。

4）CO 體積分?jǐn)?shù)大于4 000×10-6。當(dāng)采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)大于4 000×10-6時，工作面啟動四級預(yù)警，此時采空區(qū)內(nèi)的煤體已出現(xiàn)明火，這一階段，需要臨時封閉工作面，進(jìn)行閉區(qū)注液態(tài)CO2，待達(dá)到火區(qū)熄滅條件后，再次啟封工作面。

4 可行性分析

由采空區(qū)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，3102 工作面在10月17 日監(jiān)測到CO，CO 體積分?jǐn)?shù)為3×10-6，在之后的監(jiān)測中，CO 體積分?jǐn)?shù)繼續(xù)升高，到10 月28 日，CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了54×10-6，且有持續(xù)升高的趨勢，因此，在10 月28 日當(dāng)天，工作面啟動一級預(yù)警，注氮量從原來的400 m3/h 升高至1 200 m3/h，同時，工作面上下隅角施工懸空密閉的距離由原來的每推進(jìn)30 m 變?yōu)?5 m，在做好上述工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合加快工作面推進(jìn)度，加強(qiáng)浮煤清收等措施，使采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)在之后的1 周內(nèi)下降至安全體積分?jǐn)?shù)，直至不再出現(xiàn)，保證了3102 工作面的安全回采。由此說明該分級管控措施能夠及時的發(fā)現(xiàn)采空區(qū)隱患并采取針對性措施消除隱患。

改變注氮量前后的采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)隨時間的變化曲線如圖4。

圖4 采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)變化曲線Fig.4 Change curve of CO volume fraction in goaf

5 結(jié) 語

1）新維礦3#煤層氧化過程呈現(xiàn)顯著的CO 階段產(chǎn)氣特征，并以CO 標(biāo)志氣體為依據(jù)，對該工作面自然發(fā)火實行四級預(yù)警與管控。

2）氧化升溫實驗表明，O2體積分?jǐn)?shù)下降對抑制3#煤層氧化效果顯著，當(dāng)采空區(qū)注氮量400 m3/h時，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)下降至10%，可滿足日常防滅火管理；當(dāng)采空區(qū)注氮量1 200 m3/h 時，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)下降至7%，可作為應(yīng)急滅火處置手段。

3）當(dāng)采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到54×10-6時，啟動一級預(yù)警，通過提升注氮量并結(jié)合漏風(fēng)封堵、加快推進(jìn)度、浮煤清理等措施，快速消除了火災(zāi)隱患，有效保障了工作面安全回采。