吳建賓，李 冬，張彥寬，拓龍龍，吳明明，孫風(fēng)榮

（1.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；2.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017300；3.內(nèi)蒙古昊晟煤業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017212；4.新礦內(nèi)蒙能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤自燃容易引起其他次生災(zāi)害，常發(fā)生煤自燃的區(qū)域主要包括工作面后部采空區(qū)、破碎煤柱、高冒區(qū)和相鄰采空區(qū)等。煤礦井下環(huán)境較為復(fù)雜，煤自然發(fā)火存在一定的隱蔽性，火源位置無法直接精準(zhǔn)判定，給礦井防滅火工作帶來了極大的困難[1]。

陜蒙礦區(qū)隨著開采深度逐年增加，煤自燃危險性增強(qiáng)，特別是受防治沖擊地壓的影響，開采速度慢，自燃防治難度大。為提高煤炭回采效率，沿空留巷和沿空掘巷技術(shù)不斷地被推廣應(yīng)用，成為很有效的開采方式[2]。按照預(yù)留煤柱的寬度可以將沿空掘巷分為：完全沿空掘巷、窄煤柱沿空掘巷和寬煤柱沿空掘巷等[3-4]。經(jīng)過沿空掘巷后，原始應(yīng)力的初始平衡狀態(tài)被破壞，煤柱和巷道周圍的煤體發(fā)生破碎，產(chǎn)生的大量裂隙增強(qiáng)了煤體間的漏風(fēng)，甚至與相鄰采空區(qū)發(fā)生導(dǎo)通漏風(fēng)，長時間暴露在極易發(fā)生煤自燃的環(huán)境中，存在沿空巷道松散煤體和相鄰采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自燃的可能性[5-6]。隨著工作面向前推進(jìn)，窄煤柱進(jìn)入采空區(qū)后成為采空區(qū)遺煤，增大了采空區(qū)煤自燃的危險性[7-8]。

根據(jù)徐精彩[9]提出的采空區(qū)煤自燃“三帶”理論，采空區(qū)內(nèi)的遺煤在合適的氧氣氛圍和蓄熱環(huán)境下，以一定的粒度和厚度堆積時，且時間超過最短自然發(fā)火期后容易發(fā)生煤自燃，該理論也適用于相鄰采空區(qū)；文虎等[10]研究得到煤體的滲透率對采空區(qū)氧化帶有顯著影響，提出相應(yīng)的措施治理沿空留巷煤自燃隱患區(qū)域；王洋等[11]通過氧氣體積分?jǐn)?shù)劃分了沿空掘巷條件下，工作面在不同開采階段時的相鄰采空區(qū)內(nèi)的煤自燃危險區(qū)域，提出了控制相鄰采空區(qū)漏風(fēng)和向采空區(qū)內(nèi)分段注高分子材料的防滅火措施；金永飛等[12]分析了某礦工作面停采線附近的煤自燃現(xiàn)象，提出適合相鄰采空區(qū)煤自燃治理的高分子膠體防滅火技術(shù)；郭春生等[13]針對陽煤一礦小煤柱綜放工作面的相鄰采空區(qū)由于漏風(fēng)量大和遺煤多的特點(diǎn)，提出了小煤柱加固堵漏、加強(qiáng)監(jiān)測和向相鄰采空區(qū)充填無機(jī)防滅火材料等綜合治理技術(shù)；呂志金等[14]針對22307 相鄰采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)異常，采取注液態(tài)CO2后效果不明顯，采用SF6示蹤氣體測定了漏風(fēng)通道。綜上，針對營盤壕煤礦井下2-2煤的埋深超過700 m，礦壓大，采空區(qū)內(nèi)遺煤破碎程度較高，2202 工作面與2201 采空區(qū)中間留有窄煤柱，相鄰采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重的問題，通過對原煤和氧化煤采用煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)得到2 次氧化過程中的氣體變化規(guī)律，加強(qiáng)相鄰采空區(qū)煤自燃監(jiān)測，提出相鄰采空區(qū)煤自燃分區(qū)防控方法。

1 礦井概況

營盤壕煤礦位于鄂爾多斯市烏審旗納林河礦區(qū)，距離陜西省榆林市約100 km，距離烏審旗城區(qū)16 km。含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組，全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層為2-2、3-1、4-1 煤層，煤自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃，最短自然發(fā)火期約為47 d。

2201 工作面為2-2 煤層的首采工作面，其平均標(biāo)高約為520 m，煤層頂板平均埋深約為715 m。2201 工作面走向長度為2 500 m，傾向長度為300 m，工作面寬度為10 m，高為4.9 m。工作面平均厚度為6.3 m，平均傾斜角度為3°，煤層結(jié)構(gòu)相對簡單，起伏變化不大。2202 工作面與2201 工作面相鄰，2202 工作面與2201 采空區(qū)中間留有5 m 寬的保護(hù)煤柱。

通過工業(yè)分析儀對煤樣的水分、灰分、揮發(fā)分等參數(shù)進(jìn)行分析，采用其他實(shí)驗(yàn)得到全硫、真相對密度和吸氧量等參數(shù)。煤樣的基本參數(shù)見表1。2202 工作面沿空側(cè)概況如圖1。

圖1 營盤壕煤礦2202 工作面沿空側(cè)概況Fig. 1 General situation of 2202 working face along goaf side in Yingpanhao Coal Mine

表1 煤樣工業(yè)分析及煤自燃傾向性等級Table 1 Industrial analysis of coal samples and grades of coal spontaneous combustion propensity

2 煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)

在現(xiàn)場采集煤樣，密封處理后送往實(shí)驗(yàn)室破碎并開展煤自燃程序升溫初次氧化和二次氧化實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將取至2201 工作面的煤樣進(jìn)行破碎處理，篩分出粒徑為7～10 mm 的實(shí)驗(yàn)煤樣。將實(shí)驗(yàn)煤樣放入真空干燥箱中放置24 h 處理后，裝入密封罐中待實(shí)驗(yàn)時取用。實(shí)驗(yàn)開始前，稱取250 g實(shí)驗(yàn)煤樣裝入煤樣罐中，同時以穩(wěn)定的流量通入新鮮空氣來去除煤樣罐中的雜氣。實(shí)驗(yàn)過程中，通入流量為30 mL/min 的新鮮空氣，保證煤樣和氧氣充分反應(yīng)，設(shè)置煤樣罐內(nèi)的升溫速率為0.5 ℃/min。實(shí)驗(yàn)初始溫度為20 ℃，每升高10 ℃抽取1 次煤樣罐出口的氣樣，當(dāng)溫度升高至180 ℃時抽取最后1 次氣樣并終止實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)完成后，將抽取的氣體通過氣相色譜儀分析，得到不同氣體組分含量。

3 沿空側(cè)煤自燃特性

3.1 煤自燃?xì)怏w變化規(guī)律

煤樣氧化過程中的CO、CO2和C2H4體積分?jǐn)?shù)隨溫度的變化曲線如圖2。

由圖2 可知，在氧化初始階段開始產(chǎn)生少量的CO 和CO2；隨著溫度的升高，CO、CO2和C2H4體積分?jǐn)?shù)不斷增大，整體表現(xiàn)為原煤大于氧化煤；在90℃開始產(chǎn)生C2H4，呈現(xiàn)出原煤大于氧化煤。

圖2 CO、CO2 和C2H4 體積分?jǐn)?shù)隨溫度的關(guān)系曲線Fig.2 CO, CO2 and C2H4 volume fraction with the relationship curves of temperature

3.2 CO 氣體產(chǎn)生率和耗氧速率

耗氧速率和CO 產(chǎn)生率是表征煤氧化特性的重要參數(shù)[15]，耗氧速率隨溫度的關(guān)系曲線如圖3，CO產(chǎn)生率隨溫度的關(guān)系曲線如圖4。

從圖3 和圖4 可見，2 次氧化過程中的耗氧速率和CO 產(chǎn)生率均在90～100 °C 時發(fā)生突變，說明在90～100 ℃前氧化煤強(qiáng)于原煤，在90～100 ℃后相反。這可能是由于經(jīng)過原煤氧化反應(yīng)后空隙中的水分減少，氧氣與煤樣的接觸面積增大，故二次氧化實(shí)驗(yàn)前期氧化煤的耗氧速率和CO 產(chǎn)生率較快。而在氧化反應(yīng)中后期，氧化煤的活性基團(tuán)數(shù)量減少導(dǎo)致在二次氧化快速反應(yīng)階段的耗氧速率和CO 產(chǎn)生率較原煤偏低。

圖3 耗氧速率隨溫度的關(guān)系曲線Fig.3 The relationship curves of O2 consumption rate with temperature

圖4 CO 產(chǎn)生率隨溫度的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship curves of CO generation rate with temperature

3.3 臨界溫度和干裂溫度

臨界溫度和干裂溫度可通過煤氧化升溫過程中CO 產(chǎn)生率發(fā)生明顯突變的2 個溫度區(qū)域來劃分[16]，2201 工作面煤樣的臨界溫度和干裂溫度見表2。

表2 2201 工作面煤樣的臨界溫度和干裂溫度Table 2 The critical temperature and cracking temperature of 2201 working face

從表2 可以看出，2201 工作面煤樣2 次氧化過程中的臨界溫度范圍為70～80 ℃和65～75 ℃，干裂溫度范圍為105～115 ℃和120～130 ℃。氧化煤相比于原煤的臨界溫度提前、干裂溫度滯后。說明在低溫階段氧化煤相比于原煤更加容易發(fā)生煤自燃，自燃隱患更加突出。

4 沿空側(cè)煤自燃分區(qū)防控技術(shù)

4.1 沿空側(cè)煤自燃監(jiān)測方法

采用人工檢測、束管監(jiān)測、安全監(jiān)測和人工采樣分析的方法對沿空側(cè)煤自然發(fā)火情況進(jìn)行監(jiān)測，各種檢測應(yīng)遵循“三定”原則，即定點(diǎn)、定時、定人，以便于分析的準(zhǔn)確性。

根據(jù)沿空側(cè)巷道煤自然發(fā)火危險程度分段監(jiān)測，主要監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)氣體變化情況。監(jiān)測點(diǎn)為：

1）在沿空側(cè)巷道內(nèi)每隔50 m 施工1 個監(jiān)測鉆孔，沿空側(cè)內(nèi)有硐室處各添加1 個監(jiān)測孔。

2）監(jiān)測位置距離巷道底板1.5 m，監(jiān)測孔貫穿窄煤柱延伸至相鄰采空區(qū)，監(jiān)測孔徑為42 mm，用鋼管作為保護(hù)內(nèi)設(shè)束管取氣。

在沿空掘巷期間，鉆孔內(nèi)主要監(jiān)測到O2和CO體積分?jǐn)?shù)，未發(fā)現(xiàn)C2H4和C2H6氣體。鉆孔內(nèi)O2和CO 體積分?jǐn)?shù)變化情況如圖5。

圖5 2202 工作面沿空掘巷期間鉆孔內(nèi)O2 和CO 體積分?jǐn)?shù)Fig.5 O2 and CO volume fraction in borehole during gob-side driving in 2202 working face

由圖5 可見，在6 月21 日至7 月18 日對監(jiān)測孔取樣分析表明2202 工作面沿空掘巷期間絕大多數(shù)鉆孔內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)低于14%，整體呈現(xiàn)出波動狀態(tài)，只有部分監(jiān)測孔內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)在短時間內(nèi)較高，但對應(yīng)的CO 體積分?jǐn)?shù)都偏低，未見超過24×10-6。由此可知，窄煤柱在外界應(yīng)力作用下破壞后容易形成大量裂隙漏風(fēng)，導(dǎo)致相鄰采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)偏高。

4.2 沿空側(cè)煤自燃分區(qū)防控技術(shù)

根據(jù)沿空側(cè)煤體破碎情況、松散煤體分布與堆積形態(tài)、散熱條件、漏風(fēng)與氧氣環(huán)境等特點(diǎn)，參考學(xué)者們對沿空側(cè)的危險區(qū)域范圍劃分[11]，結(jié)合營盤壕煤礦2202 工作面沿空掘巷期間的監(jiān)測鉆孔現(xiàn)場觀測，沿空掘巷期間的煤自燃區(qū)域主要包括沿空側(cè)巷道頂部、窄煤柱破碎區(qū)域和相鄰采空區(qū)。沿空掘巷期間煤自燃危險區(qū)域等級和分類見表3。

表3 2202 工作面沿空掘巷期間煤自燃危險區(qū)域及等級Table 3 Dangerous areas and grades of coal spontaneous combustion during gob-side entry driving in 2202 working face

4.2.1 第一類自燃區(qū)域防滅火控制技術(shù)

1）對沿空掘巷期間的煤巷高冒區(qū)、頂煤離層區(qū)和破碎區(qū)采取充填堵漏措施，同時需加強(qiáng)巷道支護(hù)。

2）由于礦井埋深較大，在沿空掘巷期間礦山壓力會使巷道發(fā)生形變，頂板和煤壁出現(xiàn)壓酥和片幫等現(xiàn)象，形成一定破碎程度的松散煤體和漏風(fēng)通道。對巷道表面采取半斷面噴漿措施，噴漿范圍為巷道沿空側(cè)和頂板表面，噴漿厚度大于5 cm。以上措施能有效防治沿空側(cè)裂隙漏風(fēng)，減少松散煤體與空氣的接觸時間。

3）對相鄰采空區(qū)開切眼靠窄煤柱側(cè)提前采取注凝膠、膠體泥漿或高分子防滅火材料等措施進(jìn)行提前處理。

4）加強(qiáng)礦井日常防滅火監(jiān)測巡檢，配備礦井防滅火應(yīng)急技術(shù)裝備，如液態(tài)CO2裝備及快速打鉆裝備，發(fā)現(xiàn)異常后及時上報快速處理。

4.2.2 第二類自燃區(qū)域防滅火控制技術(shù)

1）在沿空掘巷期間，相鄰采空區(qū)內(nèi)靠煤柱側(cè)約20 m 范圍內(nèi)每隔100 m 提前采取注凝膠和高分子防滅火材料等防滅火技術(shù)措施，形成膠體隔離帶，以實(shí)現(xiàn)分段隔離堵漏風(fēng)的目的。

2）對煤巷地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)如斷層帶等地點(diǎn)提前注高分子防滅火材料處理，同時，需加快工作面推進(jìn)速度。

3）加強(qiáng)礦井日常防滅火監(jiān)測巡檢，配備礦井防滅火應(yīng)急技術(shù)裝備，如液態(tài)CO2裝備及快速打鉆裝備，發(fā)現(xiàn)異常后及時上報快速處理。

4.2.3 第三類自燃區(qū)域防滅火控制技術(shù)

1）清除沿空側(cè)煤柱破碎區(qū)較為明顯的浮煤并采取噴漿措施進(jìn)行填充。

2）對相鄰采空區(qū)內(nèi)原煤巷硐室及溜煤眼提前采用沙袋和高分子防滅火材料填充，減少相鄰采空區(qū)局部漏風(fēng)量。

3）加強(qiáng)礦井日常防滅火監(jiān)測巡檢。

5 結(jié) 語

1）營盤壕煤礦2201 工作面原煤和氧化煤的臨界溫度范圍為70～80 ℃和65～75 ℃，干裂溫度范圍為105～115 ℃和120～130 ℃，氧化煤較原煤的臨界溫度提前、干裂溫度滯后。通過對比2 次氧化過程中的耗氧速率和CO 產(chǎn)生率，在90～100 ℃之前，氧化煤較原煤的氧化反應(yīng)更劇烈，在90～100 ℃之后相反；說明在低溫階段氧化煤相比于原煤更加容易發(fā)生煤自燃，自燃隱患更加突出。

2）建立了沿空側(cè)煤自燃監(jiān)測的方法，通過施工鉆孔貫穿窄煤柱延伸至相鄰采空區(qū)監(jiān)測其氣體變化規(guī)律，做到相鄰采空區(qū)的煤自燃超前預(yù)測預(yù)報、早期預(yù)防。

3）提出了陜蒙礦區(qū)沿空側(cè)煤自燃的分區(qū)防控方法，構(gòu)筑了噴漿堵漏、膠體壓注、液態(tài)CO2降溫等相結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對沿空側(cè)煤自燃災(zāi)害的超前防治。