（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 方山 033100）

綜采工作面采空區(qū)自然發(fā)火是威脅煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素之一。我國50%以上的礦井面臨著采空區(qū)自燃的威脅，90%以上的礦井火災(zāi)由采空區(qū)自然發(fā)火引起[1]。采空區(qū)遺煤自燃將毀壞礦井設(shè)備、污染礦井風(fēng)流、威脅人員安全并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)防和治理對實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。為實(shí)現(xiàn)木瓜煤礦10#煤層的安全高效開采，針對10#煤層工作面采空區(qū)自燃問題，篩選出自燃標(biāo)志性氣體，用于指導(dǎo)現(xiàn)場煤自燃的預(yù)測預(yù)報工作；采取有效的防滅火措施，以提升煤礦的防滅火技術(shù)水平。

1 工程概況

山西霍州煤電木瓜煤礦位于方山縣大武鎮(zhèn)木瓜村南部，行政區(qū)劃隸屬方山縣管轄，井田面積為10.63 km2，井田內(nèi)地勢西高東低，最高點(diǎn)標(biāo)高+1320.1 m；最低點(diǎn)標(biāo)高+979.0 m；最大高差341.1 m。井田內(nèi)可采煤層為3#、5#、9#、10#煤層，目前主采9#和10#煤層，礦井年生產(chǎn)能力為150萬噸。10#煤層位于太原組下部，與9#煤層平均間距為6.4m，煤層厚度為1.2～6.52m、均厚3.27m，在擴(kuò)區(qū)東南部及西南部8#、9#、10#煤合并為一層，合并厚度3.30～6.52m，屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。10#煤層煤的吸氧量為0.65 cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。

2 標(biāo)志性氣體分析

2.1 實(shí)驗(yàn)分析

采空區(qū)自然發(fā)火是由于采空區(qū)遺煤發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)，煤體與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會產(chǎn)生各種氣體彌散在采空區(qū)空氣中，因此可通過監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)對應(yīng)氣體濃度的變化來判斷采空區(qū)是否出現(xiàn)自然發(fā)火的現(xiàn)象。根據(jù)以往的研究表明，不同礦井的煤質(zhì)成分差異很大，煤體自燃產(chǎn)生氣體的種類和濃度也存在明顯差異，因此不同煤礦采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報標(biāo)志性氣體不同，為準(zhǔn)確監(jiān)測、預(yù)測、判別10#煤層采空區(qū)自然發(fā)火情況，需對10#煤層進(jìn)行升溫氧化實(shí)驗(yàn)，確定其標(biāo)志性氣體。按照《GB482-2008煤層煤樣采取方法》進(jìn)行現(xiàn)場采樣，并制成60～80目的實(shí)驗(yàn)煤樣200 g，分別用磨口玻璃瓶保存，及時運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行煤自燃標(biāo)志性氣體測試。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 煤自燃特性綜合測試系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)過程：取50g粒度60～80目的10#煤煤樣放置在程序控溫箱內(nèi)，聯(lián)結(jié)設(shè)備間的氣路、電路，檢查氣路的密閉性，一切準(zhǔn)備就緒后，打開空氣壓縮機(jī)上的三通閥，通過流量計向控溫箱內(nèi)通入流量為80 cm3/min的干空氣，調(diào)節(jié)溫度控制箱使控溫箱內(nèi)溫度呈1℃/min的梯度增大，通過色譜分析儀觀察控溫箱內(nèi)各類氣體的濃度，由30℃為起點(diǎn)溫度每升高10℃記錄一組數(shù)據(jù)，控溫箱實(shí)驗(yàn)溫度最高為240℃，整理得到各類氣體濃度隨溫度的變化規(guī)律見圖2。

圖2 煤樣升溫氧化指標(biāo)氣體濃度與溫度關(guān)系曲線

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖2，分析如下：

（1）當(dāng)煤樣溫度較低（低于100℃）時，各類氣體濃度基本穩(wěn)定不變，當(dāng)煤樣溫度在110℃前后，CO濃度發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且超過110℃左右，CO的濃度開始逐漸升高，O2濃度開始降低，說明此時煤樣已開始緩慢氧化；當(dāng)溫度達(dá)到180℃以上時，CO濃度開始迅速升高，O2濃度開始快速下降，表明此時煤樣進(jìn)入快速氧化階段。

（2）煤樣溫度達(dá)到180℃時，C2H4濃度發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折，濃度開始呈指數(shù)型上升，且此時氧氣也進(jìn)入快速下降階段，C2H4是煤氧化分解及熱裂解的產(chǎn)物，當(dāng)煤樣處于加速氧化階段時，才會產(chǎn)生大量的C2H4，因此可將其作為判斷采空區(qū)遺煤進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志性氣體。

（3）本次實(shí)驗(yàn)未測到C2H2氣體，但根據(jù)以往實(shí)驗(yàn)應(yīng)用可知，一旦有C2H2氣體的出現(xiàn)，表明應(yīng)視為已出現(xiàn)明火或陰燃。

綜上可知，通過監(jiān)測采空區(qū)各種氣體的濃度變化，當(dāng)CO濃度開始變化時，表明采空區(qū)溫度已達(dá)到110℃以上，當(dāng)CO濃度迅速上升且C2H4濃度開始上升時，即說明溫度已經(jīng)上升到180℃以上，此時采空區(qū)遺煤的自燃發(fā)火進(jìn)入了加速氧化階段，可認(rèn)為采空區(qū)已發(fā)生自燃。

3 監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)用

10-100工作面選用KSS-200C型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)。在地面進(jìn)風(fēng)斜井口附近設(shè)置地面束管監(jiān)測機(jī)房，主束管（24芯）沿進(jìn)風(fēng)斜井向井下布置，沿井筒經(jīng)+940水平輔助運(yùn)輸大巷及聯(lián)絡(luò)巷到達(dá)+940水平回風(fēng)大巷，在回風(fēng)大巷合理位置布置分路箱，每個工作面分出五芯束管，束管通過回風(fēng)巷進(jìn)入采空區(qū)，回風(fēng)巷開口附近布置一芯束管，上隅角處布置一芯束管，采空區(qū)內(nèi)布置三芯束管，間隔距離為50 m。束管監(jiān)測系統(tǒng)在工作面布置見圖3。

圖3 采空區(qū)氣體觀測系統(tǒng)布置

10-100工作面應(yīng)用上述束管監(jiān)測系統(tǒng)，整理得到CO及C2H4濃度變化規(guī)律見圖4。

圖4 采空區(qū)CO及C2H4濃度變化趨勢

根據(jù)圖4可以看出，束管由5月22日進(jìn)入采空區(qū)，10-100工作面每日推進(jìn)2.4m，5月22日～6月15日期間，束管深入采空區(qū)0～55.2m，CO及C2H4濃度呈上下波動趨勢，表明該期間采空區(qū)遺煤雖然發(fā)生氧化反應(yīng)，但是由于采空區(qū)漏風(fēng)熱量散失的作用，采空區(qū)溫度低，遺煤不會發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)，不會發(fā)生自燃；6月15日以后，束管深入采空區(qū)55.2 m以上，采空區(qū)內(nèi)CO濃度開始明顯的增大，且C2H4的濃度也開始增大，表明此時采空區(qū)溫度已達(dá)到180℃以上，采空區(qū)遺煤出現(xiàn)明火或陰燃，因此判斷在距工作面大于55m的采空區(qū)內(nèi)的遺煤會發(fā)生自燃。

4 注氮防滅火技術(shù)應(yīng)用

采空區(qū)注氮可降低采空區(qū)內(nèi)氧氣的濃度，且具有一定的散熱降溫能力，通過大量的氮?dú)饪山档筒煽諈^(qū)“氧化帶”內(nèi)氧氣濃度及溫度，抑制遺煤的氧化反應(yīng)，起到采空區(qū)自然發(fā)火防治的作用，因此確定采用注氮防止10-100工作面采空區(qū)的自燃。注氮管路：回風(fēng)大巷內(nèi)的制氮硐室→10-100進(jìn)風(fēng)巷→靠近10-10工作面下隅角的采空區(qū)。注氮管布置在進(jìn)風(fēng)巷下隅角，下隅角頂板垮落前鋪設(shè)管路，出氣口通過直徑159 mm的鋼管保護(hù)，注氮管采用直徑50 mm的鐵管，出氣口通過鋼絲懸吊在頂板上，確保注氮口距離底板0.5～0.7m，采用開放式方式，連續(xù)注氮，注氮壓力為1.5MPa；當(dāng)注氮孔深入采空區(qū)10 m后開始注氮，深入采空區(qū)70 m后停止注氮，重新埋設(shè)出氣孔，出氣孔及套管安裝見圖5。

圖5 注氮管路布置

采用束管監(jiān)測系統(tǒng)記錄10-100工作面采空區(qū)CO濃度，整理得到圖6。注氮后，CO濃度同比明顯下降，前15天，束管探頭位于氧化帶內(nèi)，注氮后CO濃度相比注氮前減小45%，監(jiān)測15～30天，束管探頭進(jìn)入窒息帶內(nèi)，CO濃度相比注氮前減小約25%，CO濃度穩(wěn)定在較低水平。由此可知，注氮后采空區(qū)內(nèi)CO濃度明顯降低，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)埋管注氮對采空區(qū)遺煤自然發(fā)火起到較好的預(yù)防作用。

圖6 注氮前后上隅角CO濃度變化規(guī)律

5 結(jié)語

1）通過對木瓜煤礦10#煤層進(jìn)行煤樣自燃特性實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)分析，確定CO、C2H4為采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報指標(biāo)氣體。

2）以10-100綜采工作面為例，建立束管監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測、分析采空區(qū)內(nèi)CO、C2H4的濃度變化情況；結(jié)果表明，距工作面55.2 m及以上的采空區(qū)內(nèi)存在自然發(fā)火的危險。

3）采空區(qū)采用注氮防滅火系統(tǒng)，對采空區(qū)進(jìn)行CO濃度監(jiān)測，注氮后采空區(qū)內(nèi)CO濃度明顯降低；工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)埋管注氮對采空區(qū)遺煤自然發(fā)火起到較好的預(yù)防作用，為工作面的安全高效生產(chǎn)提供了保障。