曲 柱，胡強(qiáng)強(qiáng)，孫慶鵬

(1.濟(jì)寧市金橋煤礦，山東 濟(jì)寧 277000； 2.山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

礦井火災(zāi)尤其是煤體內(nèi)部自然發(fā)火是影響礦井安全生產(chǎn)的重要因素。煤體自然發(fā)火一般發(fā)生在采空區(qū)內(nèi)，尤其是綜放工作面，采空區(qū)內(nèi)存在大量遺煤，有自燃傾向的煤層在浮煤集聚溫度升高后會(huì)出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象,為保證工作面安全回采，本文以金橋煤礦1308采煤工作面為例對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律進(jìn)行研究。

1 工作面概況

金橋煤礦1308 工作面位于-430 水平的一采區(qū)，是該礦采用綜放開(kāi)采的首采工作面。工作面傾向長(zhǎng)60～126 m，走向長(zhǎng)489～537 m，南距西翼皮帶大巷 50 m，北部以沖刷帶為界，兩側(cè)均為3煤的未采動(dòng)區(qū)。工作面上方為 1308上工作面 3煤上分層采空區(qū)，采空區(qū)傾向長(zhǎng)度為 50 m，走向長(zhǎng)度為 470 m. 采空區(qū)內(nèi)有上分層開(kāi)采時(shí)的遺煤，加之上分層開(kāi)采過(guò)程中未鋪網(wǎng)制造人工假頂，因此，1308工作面在開(kāi)采時(shí)有采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)。另外，金橋煤礦2305軌道順槽在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)自然發(fā)火情況，因此需對(duì)1308工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律進(jìn)行研究，并采取必要的措施消除安全隱患。

2 1308工作面煤層自然發(fā)火規(guī)律研究

2.1 自然發(fā)火標(biāo)志性氣體分析

利用山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司發(fā)明的煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體色譜分析及指標(biāo)優(yōu)選的測(cè)定裝置對(duì)1308工作面煤在氧化升溫過(guò)程中產(chǎn)出的指標(biāo)氣體、溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。檢測(cè)到煤氧化升溫過(guò)程中的標(biāo)志性氣體濃度及臨界溫度見(jiàn)表1. CO、C2H4濃度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖1.

由表1可知，金橋煤礦3煤層煤樣瓦斯吸附量較低，隨著煤溫的升高，其吸附氣體的釋放量變化不明顯。常溫到153 ℃，C2H4、C2H6、C3H8、C2H2、CH4和C2H6均微量出現(xiàn)，持續(xù)在20×10-6以下，超過(guò)153 ℃后上升幅度才有明顯增加。

煤樣C2H4發(fā)生的臨界溫度為106 ℃. C2H4氣體在106 ℃時(shí)開(kāi)始釋放，釋放量較少，僅為0.16×10-6，當(dāng)?shù)竭_(dá)153 ℃后，C2H4氣體濃度增加到2.58×10-6，增加了16倍，C2H4釋放速率明顯加快，表征煤樣進(jìn)入加速氧化階段。由此可見(jiàn)，金橋煤礦的3煤采空區(qū)如果發(fā)現(xiàn)C2H4氣體，則采空區(qū)溫度將在106 ℃以上，超過(guò)153 ℃以后，其氧化速度變化加快，有發(fā)火危險(xiǎn)。

表1 煤樣升溫氧化過(guò)程中氣體濃度及臨界溫度表

圖1 CO、C2H4隨時(shí)間變化曲線(xiàn)圖

2.2 最短自然發(fā)火期分析

1) 煤樣比熱分析。

對(duì)1308工作面煤層不同溫度條件下的煤樣進(jìn)行比熱試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表2.采用表2數(shù)據(jù)對(duì)1308工作面煤樣進(jìn)行自然發(fā)火期解算。

表2 不同溫度條件下的煤樣比熱表

2) 煤層最短自然發(fā)火期數(shù)學(xué)模型。

(1)

式中：

τ─ 煤層最短自然發(fā)火期，d；

ΔWp─ti、ti+1溫度段內(nèi)煤樣的水分蒸發(fā)量，%，由于煤在常溫到90 ℃的水分蒸發(fā)量較小，所以近似認(rèn)為水分的蒸發(fā)主要在90 ℃～120 ℃完成。

λ─ 水蒸發(fā)吸熱，J/kg；

Q′─ 瓦斯解吸熱，J/m3；

Δμp─ti、ti+1溫度段內(nèi)煤樣的瓦斯解吸量；m3/kg；

q(ti)、q(ti+1)—煤樣在溫度為ti、ti+1時(shí)的放熱速率，J/kg·min.

煤樣在不同溫度下的吸附瓦斯量按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：

n─ 系數(shù)，可用式(3)確定：

(3)

式中：

P─ 瓦斯壓力，kPa.

3) 解算結(jié)果。

最短自然發(fā)火期計(jì)算表見(jiàn)表3.

表3 實(shí)驗(yàn)煤樣最短自然發(fā)火期計(jì)算表

根據(jù)煤樣升溫氧化試驗(yàn)結(jié)果，采用最短自然發(fā)火期模型解算得，1308工作面煤樣最短自然發(fā)火期為66天。

2.3 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

1) 測(cè)點(diǎn)布置。

1308綜采工作面采用采空區(qū)埋設(shè)溫度傳感器和束管的方式進(jìn)行溫度和氣體監(jiān)測(cè)，見(jiàn)圖2. 在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷分別布置3路(1#—3#、6#—8#)監(jiān)測(cè)管路、工作面架后1308上工作面兩順槽下方內(nèi)切10 m左右布置2路監(jiān)測(cè)管路(4#、5#)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都安設(shè)溫度傳感器和束管裝置，并將其放入鋼管和高壓軟管中加以保護(hù)，以防被冒落的巖石壓壞。隨著工作面的推進(jìn)，溫度傳感器和束管都將埋入采空區(qū)，通過(guò)傳感器每天的讀數(shù)和束管系統(tǒng)的氣體分析數(shù)據(jù)掌握采空區(qū)內(nèi)的氧化情況。

圖2 1308工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)管路布置圖

2) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。

因監(jiān)測(cè)時(shí)間與監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度等因素的限制，導(dǎo)致1#—3#和7#、8#測(cè)點(diǎn)未監(jiān)測(cè)到進(jìn)入窒熄帶的數(shù)據(jù)，因此僅對(duì)4#、5#測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)變化情況見(jiàn)圖3，4，5.

圖3 4#、5#測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)圖

圖4 4#、5#測(cè)點(diǎn)CO濃度變化曲線(xiàn)圖

圖5 4#、5#測(cè)點(diǎn)O2濃度變化曲線(xiàn)圖

由圖3可知，4#、5#測(cè)點(diǎn)的溫度整體變化趨勢(shì)為緩慢增加，由最初的27.27 ℃、27.87 ℃升高至30.08 ℃、30.21 ℃，而后溫度趨于穩(wěn)定并有緩慢下降趨勢(shì)，該最高點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)距工作面63.87 m、65.6 m.

由圖4可知，4#、5#測(cè)點(diǎn)的CO濃度在工作面推進(jìn)20 m左右開(kāi)始出現(xiàn)，隨后產(chǎn)生速率急劇增加，到距離工作面60 m左右達(dá)到最大值，其濃度為77.31×10-6，隨后開(kāi)始下降。

由圖5可知，4#、5#測(cè)點(diǎn)的O2濃度降低較為明顯：4#測(cè)點(diǎn)在推進(jìn)至15.3 m時(shí)，O2濃度就下降到了17.07%，進(jìn)入了氧化帶，在推進(jìn)至工作面62 m時(shí)，O2濃度就下降到了9.65%，進(jìn)入了窒熄帶；5#測(cè)點(diǎn)在推進(jìn)17.7 m后，O2濃度下降到17.40%，進(jìn)入氧化帶，在推進(jìn)至工作面65.6 m時(shí)，O2濃度就下降到9.81%，進(jìn)入窒熄帶。

3) 采空區(qū)自燃“三帶”范圍確定。

采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律見(jiàn)表4. 由表4可以看出，采空區(qū)內(nèi)部的散熱帶在15 m左右，氧化帶長(zhǎng)度均值為47.3 m，但在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中取二者中較大值，即氧化帶長(zhǎng)度為47.9 m.

3 預(yù)控措施

3.1 提高推進(jìn)度

加快工作面的推進(jìn)速度、實(shí)現(xiàn)工作面的正常推進(jìn)，是綜放工作面防治自然發(fā)火的手段。因?yàn)殡S著工作面的推進(jìn)，氧化帶和窒熄帶也不斷前移。工作面推進(jìn)速度越快，采空區(qū)遺煤處在氧化帶的時(shí)間越短，沒(méi)有足夠的時(shí)間氧化、聚熱，發(fā)生自燃的危險(xiǎn)就將降低。因此，根據(jù)所得采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，綜合工作面的實(shí)際情況，計(jì)算出最小推進(jìn)速度對(duì)于防止采空區(qū)自燃具有重要指導(dǎo)意義。

表4 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律表

1308綜放工作面的最小推進(jìn)速度按照式(4)確定：

(4)

式中：

V—工作面最小推進(jìn)速度，m/d；

K—安全系數(shù)，根據(jù)工作面遺煤量、地質(zhì)特點(diǎn)等因素綜合判定；

L氧—采空區(qū)自燃“三帶”中氧化帶長(zhǎng)度，m；

Tmin—煤層煤樣的最短自然發(fā)火期，d.

氧化帶長(zhǎng)度以4#、5#測(cè)點(diǎn)中較大值確定，選取47.9 m.

1308工作面位于1308上工作面的下方，工作面及兩巷位置有部分重合，工作面內(nèi)暫不存在斷層和陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造。工作面在推進(jìn)過(guò)程中，切眼及兩巷變坡點(diǎn)、1308上工作面兩順槽下方等區(qū)域，遺煤量較大，自然發(fā)火隱患較大。綜合以上因素，選取安全系數(shù)K=1.8.

根據(jù)金橋煤礦1308采煤工作面煤樣最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)，3煤層的最短自然發(fā)火期為66天。

代入數(shù)據(jù)，得：V=1.31 m/d

可以得出：在工作面長(zhǎng)度為126 m左右，采高為2.8 m，放高2.8～5.7 m時(shí)，金橋煤礦1308綜放工作面正常生產(chǎn)條件下的最小推進(jìn)速度為1.31 m/d.

3.2 注氮防滅火

向采空區(qū)注入氮?dú)鈺r(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確確定采空區(qū)氧化帶的位置和寬度，將氮?dú)忉尫趴诜旁谘趸瘞?。如果將氮?dú)忉尫趴诜旁谥舷◣В囱鯕鉂舛鹊陀?0%，不需注氮也不會(huì)造成煤炭自燃。如果氮?dú)忉尫趴谠诓煽諈^(qū)的散熱帶，散熱帶內(nèi)存有微量漏風(fēng)，氧濃度在18%以上，即使注氮設(shè)備正常運(yùn)行，也可能只是空運(yùn)行。1308工作面氮?dú)忉尫趴趹?yīng)安設(shè)在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)35 m以后。因此,在采空區(qū)內(nèi)預(yù)埋注氮管路，注氮孔每35 m設(shè)置一個(gè)，對(duì)采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注氮以降低氧濃度防止自然發(fā)火。

4 結(jié) 論

1) 首選的自燃標(biāo)志氣體是CO，可采用CO相對(duì)量和變化率為自燃趨勢(shì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)，結(jié)合C2H4相對(duì)量進(jìn)行自燃狀態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。尤其是CO氣體濃度和C2H4氣體濃度出現(xiàn)快速增長(zhǎng)時(shí)，遺煤氧化速度變化加快，有發(fā)火危險(xiǎn)。

2) 1308工作面煤層最短自然發(fā)火期為66天。

3) 1308工作面采空區(qū)散熱帶長(zhǎng)度為15.6 m，氧化帶長(zhǎng)度為47.9 m.

4) 通過(guò)提高推進(jìn)速度和注氮預(yù)防采空區(qū)發(fā)火，工作面最小推進(jìn)度1.31 m/d，注氮孔每35 m設(shè)置一個(gè)。