崔志軍

（汾西礦業(yè)集團(tuán)中興煤業(yè)公司 ，山西 交城 030500）

0 引言

我國(guó)煤炭資源十分豐富，且煤層的具體地質(zhì)賦存條件具有明顯的差異。我國(guó)在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于煤炭資源屬于易燃物質(zhì)，煤炭自燃成為影響井下安全采煤的重要因素之一。我國(guó)大部分礦區(qū)煤層開(kāi)采都存在瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。近年來(lái)，瓦斯礦井易自燃災(zāi)害越來(lái)越受到重視，因此，開(kāi)展對(duì)瓦斯易自燃煤層防滅火技術(shù)的研究，對(duì)礦井安全開(kāi)采具有十分重要的意義。

本文針對(duì)低瓦斯易自燃煤層防滅火技術(shù)難題，闡述了煤體自然發(fā)火現(xiàn)象的機(jī)理與煤自然等級(jí)劃分，通過(guò)工業(yè)分析確定了某礦6號(hào)煤層屬于Ⅱ類，容易自燃煤層；通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了煤樣產(chǎn)生氣體與溫度的關(guān)系，并歸納了常用的防滅火技術(shù)措施。

1 工程概況

某礦井田南北長(zhǎng)14967m，東西寬12110m，井田面積為 104km2，主要可采煤層為 2#、3#、5#、6#、7#、8#、9#煤。本文研究以6號(hào)煤層的三采區(qū)6312工作面作為研究對(duì)象，該采區(qū)為長(zhǎng)壁垮落法綜采工作面。6號(hào)煤層厚度為4.3～7.2m，平均厚度為5.1m，煤層傾角為3°～12°，平均傾角為7°，煤層直接頂為細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)頁(yè)巖，頂?shù)装鍘r性如表1所示。

根據(jù)礦井煤層檢測(cè)報(bào)告可知，該礦屬于瓦斯礦井，6號(hào)煤層屬于中硬煤層，所含灰份21.3%，所含硫份0.92%，且煤塵具有爆炸性。因此，工作面會(huì)存在火災(zāi)隱患需要進(jìn)一步采取防治措施。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性

2 煤自然發(fā)火機(jī)理及自燃等級(jí)鑒定

2.1 煤自然發(fā)火機(jī)理

研究學(xué)者已經(jīng)針對(duì)煤的自燃機(jī)理做了大量的研究，并形成了多種學(xué)說(shuō)。上世紀(jì)90年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者廣泛認(rèn)可了煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)。其解釋了煤發(fā)生自燃現(xiàn)象的原因?yàn)槊号c氧氣發(fā)生了物理和化學(xué)復(fù)合作用。該作用包括了煤與氧氣的物理吸附作用、化學(xué)吸附作用、化學(xué)反應(yīng)作用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者在煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究發(fā)展，提出了更為合理和具體的學(xué)說(shuō)。徐精彩等通過(guò)煤的微觀機(jī)理研究，根據(jù)煤的表面分子活性，提出了煤氧復(fù)合作用過(guò)程中可以分為三步的學(xué)說(shuō)，其認(rèn)為不同活性基團(tuán)與氧作用的難易程度也不同。第一步為煤表面通過(guò)物理吸附的方式吸附氧分子；第二步為煤表面分子通過(guò)化學(xué)吸附的方式吸附氧分子；第三步為煤表面的活性基團(tuán)吸附完成氧分子后發(fā)生并完成煤氧復(fù)合反應(yīng)。

2.2 煤自燃等級(jí)鑒定

評(píng)價(jià)煤層自然發(fā)火的重要指標(biāo)為煤層的自燃等級(jí)。經(jīng)過(guò)多年的研究，可以針對(duì)煤自燃傾向性鑒定的方法有很多種，目前我國(guó)常用的方法為色譜吸氧鑒定法（MT/T707-1997）。這種方法鑒定煤自燃傾向性的原理為：測(cè)定每克干煤在30℃，1.0133×104Pa條件下的吸氧量為指標(biāo)進(jìn)行劃分煤的自燃傾向性等級(jí)。沒(méi)得自燃傾向性等級(jí)指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 煤自燃傾向性等級(jí)分類

取6號(hào)煤層煤樣進(jìn)行化學(xué)分析及自燃傾向性鑒定，結(jié)果表3所示：

表3 6號(hào)煤自燃傾向性鑒定結(jié)果

由工業(yè)分析結(jié)果可知，該礦6號(hào)煤層的自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類，屬于容易自燃煤層。

3 煤自燃特性測(cè)試

為更好的針對(duì)煤自燃選取合適的防滅火技術(shù)，本文采用升溫試驗(yàn)系統(tǒng)針對(duì)6號(hào)煤層煤樣進(jìn)行試驗(yàn)，分析煤在不同溫度下生成易燃?xì)怏wCO、C2H4和C2H2的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)這些煤自燃特性參數(shù)的分析，選取合適的防滅火技術(shù)。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

圖1 升溫試驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示，包括控溫箱、氣路和氣樣分析儀器等三部分。原理為將煤樣置于控溫箱內(nèi)加熱，并采集分析煤樣在不同溫度時(shí)產(chǎn)生的氣體含量，升至最高溫度后，停止加熱自然降溫。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

選取6號(hào)煤層煤樣，實(shí)驗(yàn)前去除煤氧表面氧化層，并篩分選取0.5～1mm粒徑，取100g放入實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)。測(cè)試結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 C2H2和C2H4濃度隨溫度變化規(guī)律

圖3 CO濃度隨溫度變化規(guī)律

由圖2和圖3曲線可知，6號(hào)煤層煤樣在實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)溫度處于30～350℃不同階段時(shí)，生成C2H2、C2H4和CO氣體，且隨著溫度的升高呈現(xiàn)上升的規(guī)律。溫度處于30℃常溫階段時(shí)，開(kāi)始有少量的CO氣體生成，隨著溫度升高，煤樣迅速開(kāi)始發(fā)生氧化作用，當(dāng)處于90～100℃時(shí)，CO開(kāi)始迅速增加，伴隨著開(kāi)始生成C2H4氣體，當(dāng)溫度超過(guò)150℃時(shí)，C2H4氣體開(kāi)始迅速增加。到達(dá)180℃時(shí)，開(kāi)始生成C2H2氣體。

因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)氣體的成分預(yù)報(bào)火災(zāi)溫度。當(dāng)監(jiān)測(cè)到C2H4氣體時(shí)，火情溫度達(dá)到90℃，當(dāng)檢測(cè)到C2H2氣體時(shí)，火情溫度已達(dá)到180℃，此時(shí)應(yīng)該立刻采取緊急的防滅火措施。

4 綜合防滅火技術(shù)

4.1 漏風(fēng)封堵技術(shù)

采用納米改性彈性體材料涂抹、水泥噴漿或泡沫噴涂、均壓等手段對(duì)煤層采空區(qū)關(guān)鍵位置進(jìn)行封堵，從而達(dá)到減少或斷絕采空區(qū)易燃煤體氧氣提供的目的。對(duì)斷層裂隙進(jìn)行噴漿處理達(dá)到徹底封堵的狀態(tài)，有效的封堵通風(fēng)通道，避免采空區(qū)內(nèi)高溫火點(diǎn)出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。

4.2 惰化技術(shù)

此技術(shù)是指向煤層發(fā)火區(qū)處注入氮?dú)獾榷栊詺怏w或惰氣泡沫，以達(dá)到降低發(fā)火區(qū)氧氣濃度，隔離火源，消滅火源的目的。原理為：將惰性氣體或惰氣泡沫充填入發(fā)火區(qū)域，可以迅速降低發(fā)貨火區(qū)域的蔓延，有效隔斷發(fā)火區(qū)域，還可以迅速窒息火源。但若煤體煤質(zhì)比熱容較大，則使用惰性氣體和惰氣泡沫對(duì)發(fā)火區(qū)的控制效果不好，滅火時(shí)間長(zhǎng)且容易發(fā)生復(fù)燃。

4.3 煤體阻化技術(shù)

煤體阻化技術(shù)目的是通過(guò)一些技術(shù)手段，有效降低煤的氧化活性，阻止煤體與氧氣發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，此技術(shù)采用的技術(shù)手段有：噴注霧化阻化劑、惰化阻化劑或 CaCl2、MgCl2等。原理為：當(dāng) CaCl2、MgCl2溶液附著于煤上時(shí)，會(huì)形成一張液體薄膜，可以有效的阻止煤體與氧氣發(fā)生反應(yīng)；當(dāng)惰化阻化劑所處環(huán)境的溫度超過(guò)一定值時(shí)，阻化劑開(kāi)始吸收熱量，進(jìn)而氣化，產(chǎn)生惰性阻化氣體，阻止煤體與氧氣發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到防滅火的作用。

4.4 膠體防滅火技術(shù)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)膠體滅火技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，研究開(kāi)發(fā)的膠體泥漿、凝膠和復(fù)合膠體，將采空區(qū)內(nèi)易流動(dòng)的礦井水溶液在采空區(qū)內(nèi)指定位置發(fā)生凝結(jié)，生成膠體將發(fā)火區(qū)域包裹，并且膠體在一千攝氏度環(huán)境下仍然不會(huì)較快的氣化，只會(huì)因?yàn)樗值恼舭l(fā)發(fā)生較小程度的萎縮。此技術(shù)滅火性能較好，可以使用的時(shí)間較長(zhǎng)。此外，在實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，專家根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件研發(fā)出了許多因地適宜的可移動(dòng)式的、多功能的膠體滅火系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的礦井地質(zhì)條件選取合適的膠體滅火系統(tǒng)進(jìn)行防滅火治理。

5 結(jié)論

本文針對(duì)低瓦斯易自燃煤層防滅火技術(shù)等問(wèn)題，闡述了煤體自然發(fā)火現(xiàn)象的機(jī)理

與煤自然等級(jí)劃分，通過(guò)工業(yè)分析確定了該礦6號(hào)煤層屬于Ⅱ類，容易自燃煤層；通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了煤樣產(chǎn)生氣體與溫度的關(guān)系，可以通過(guò)檢測(cè)生成氣體的成分去反應(yīng)火情溫度的變化；最后歸納了現(xiàn)有的低瓦斯易自燃防滅火技術(shù)有：漏風(fēng)封堵技術(shù)、采空區(qū)惰化技術(shù)、煤體阻化技術(shù)和膠體防滅火技術(shù)。