崔 巖，駱大勇，徐少偉，田文雄，張 超，陳國(guó)棟

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 十一礦，河南 平頂山 467000； 2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260；3.安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 4.寧夏煤業(yè)集團(tuán) 羊場(chǎng)灣煤礦，寧夏 靈武 751410)

受上分層采動(dòng)應(yīng)力的影響，下分層煤體經(jīng)歷了加—卸載作用，煤體破碎，煤層裂隙增多，煤體與空氣接觸充分，易于氧化。盡管因上分層工作面的封閉，煤體缺氧窒息終止了自燃進(jìn)程，下分層開采時(shí)，原先氧化煤體再一次接觸空氣發(fā)生二次氧化。已有研究表明，煤二次氧化過(guò)程往往更為迅猛，煤自燃進(jìn)程要快于新鮮煤樣的氧化升溫速率[1-2]。因此，探測(cè)與早期準(zhǔn)確辨識(shí)下分層工作面煤體進(jìn)入自熱階段狀態(tài)是自燃防治的關(guān)鍵。

煤自燃過(guò)程中伴隨著煤物理化學(xué)性質(zhì)的變化，因而可通過(guò)測(cè)試煤體的溫度、磁、電、氣體等參數(shù)判定煤自燃位置，也可通過(guò)測(cè)試火區(qū)周圍放射性物質(zhì)進(jìn)行判定。為消除傳統(tǒng)熱電偶測(cè)點(diǎn)單一問(wèn)題，程根銀等[3]采用光纖測(cè)試了采空區(qū)溫度判定煤自燃狀態(tài)，楊永辰等[4-5]提出了紅外熱像儀監(jiān)測(cè)煤自燃狀態(tài)。氣體探測(cè)是煤自燃常用測(cè)試方法，章飛等[6-7]采用束管測(cè)試了下分層采空區(qū)氣體，判定了煤自燃狀態(tài)。凌紫城等[8]通過(guò)在工作面現(xiàn)場(chǎng)埋管監(jiān)測(cè)，得到采空區(qū)標(biāo)志性氣體CO的分布規(guī)律。葉春輝等[9-10]通過(guò)煤自然發(fā)火程序升溫實(shí)驗(yàn)，確定了煤自燃的指標(biāo)氣體。丁仰衛(wèi)[11]采用數(shù)值模擬方法，研究下分層采空區(qū)氣體分布，確定了自燃危險(xiǎn)區(qū)域。王俊峰等[12]采用束管測(cè)氣、數(shù)值模擬和同位素測(cè)氡方法，建立了“三位一體”采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測(cè)體系。對(duì)于大范圍火區(qū)的探測(cè)，許怡等[13]提出利用熱紅外遙感手段聯(lián)合雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)探測(cè)地表大范圍煤田火區(qū)，文獻(xiàn)[14]提出建立次聲波系統(tǒng)探測(cè)采空區(qū)火區(qū)。測(cè)試化學(xué)元素也是大范圍火區(qū)的一種可行技術(shù)方法，周文強(qiáng)等[15]測(cè)試了同位素釙，鄔劍民等測(cè)試了氡氣，魯義提出測(cè)C14，宋麗娟提出測(cè)釙。不同的測(cè)試技術(shù)在判定煤自燃位置和發(fā)展動(dòng)態(tài)方面發(fā)揮了重要的作用，為礦井防滅火提供了技術(shù)支撐，但對(duì)于深部下分層工作面，測(cè)溫和測(cè)氣仍是最簡(jiǎn)單、低廉、易于實(shí)施的技術(shù)方法。

本文針對(duì)難膠結(jié)人工頂板易自燃下分層工作面防滅火問(wèn)題，提出在線性漏風(fēng)源、匯位置布置測(cè)試系統(tǒng)，分析煤氧化產(chǎn)生的溫度和氣體的異常信息，判定下分層煤自燃狀態(tài)，提出相應(yīng)的防滅火技術(shù)措施，成功實(shí)現(xiàn)了煤自燃的早期辨識(shí)與防治。

1 煤自燃早期辨識(shí)原理

煤接觸空氣吸附氧，發(fā)生氧化反應(yīng)過(guò)程中經(jīng)歷潛伏期后，煤溫開始顯著升高，進(jìn)入自熱期，氧化過(guò)程的溫度及氣體產(chǎn)物隨時(shí)間關(guān)系[16-19]如圖1所示。煤在潛伏期即與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放氣體產(chǎn)物，典型的如CO和CO2。大多數(shù)煤在氧化過(guò)程中煤溫低于70 ℃左右時(shí)，煤自燃進(jìn)程相對(duì)緩慢，及時(shí)采取控制措施能夠有效控制煤自燃的發(fā)生。煤炭自燃早期辨識(shí)即是利用專用技術(shù)手段，采集煤炭處于自燃過(guò)程中自熱初期的溫度或典型氣體產(chǎn)物等征兆信息，并跟蹤監(jiān)測(cè)這些參數(shù)的變化特征，及時(shí)作出自燃狀態(tài)判定，以便采取措施，將自燃抑制在萌芽狀態(tài)。

圖1 煤自燃過(guò)程特征參數(shù)隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.1 Relationship between characteristic parameters of coal spontaneous combustion process and time

2 下分層煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域探測(cè)

2.1 試驗(yàn)工作面概況

己16-17-22072工作面位于二水平己二采區(qū)東翼，走向長(zhǎng)1 391 m，斜長(zhǎng)寬157 m，南為一水平己七采空區(qū)，北為己16-17原始煤體，上部為已開采的上分層己16-17-22071采空區(qū)。已采上分層冒落帶高度11 m，下分層工作面采高3.2 m，煤層傾角21°，下分層頂板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)中粒砂巖為主的再生頂板，膠結(jié)程度低、易冒落。

2.2 煤自燃特性

采集己16-17-22072工作面新鮮煤樣，采用煤自燃傾向性色譜吸氧鑒定法測(cè)試吸氧量為0.72～0.81 cm3/g，為Ⅰ類易自燃煤層。將新鮮煤樣置于密閉容器中室溫氧化90 d后，其氣體產(chǎn)物見表1，不僅檢測(cè)到了CO、CO2，甚至出現(xiàn)了C2H4和C2H6，表明己組煤層具有很強(qiáng)的室溫氧化特性，采用氣體辨識(shí)煤自燃狀態(tài)時(shí)需要考察氣體的增長(zhǎng)量。

表1 己組下分層煤樣常溫氧化結(jié)果Tab.1 Oxidation results of lower stratified coal samples in the hexyl group at room temperature

2.3 下分層煤自燃參數(shù)探測(cè)方案

由于己組下分層煤樣氧化能力較強(qiáng)室溫環(huán)境即可氧化產(chǎn)生碳?xì)漕悮怏w，考慮到早期氧化產(chǎn)生的氣體量少，巷道風(fēng)流環(huán)境中難以及時(shí)檢出，為此沿風(fēng)巷走向方向在下分層內(nèi)布置了9個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示，用于測(cè)試下分層工作面煤體的溫度和氣體。采用向煤體施工仰角70°鉆孔，預(yù)埋測(cè)試裝置，測(cè)點(diǎn)進(jìn)入煤體深度約3 m，如圖3所示。測(cè)試裝置為直徑15 mm鋼管，鋼管里段為長(zhǎng)2 m的花管，外段0.5 m，采用黃泥封堵嚴(yán)實(shí)，埋入預(yù)定測(cè)點(diǎn)的鉆孔后，用聚氨酯封堵鉆孔，封孔深度1 m(圖4)。

圖2 煤自燃早期監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of early monitoring points for spontaneous combustion of coal

圖3 測(cè)點(diǎn)鉆孔布置Fig.3 Borehole arrangement of measuring points

圖4 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Test device structure

采用溫度計(jì)測(cè)試巷道風(fēng)流和萬(wàn)用表測(cè)試熱電偶兩端電動(dòng)勢(shì)計(jì)算鉆孔內(nèi)煤溫度，采用抽氣唧筒抽取鉆孔取氣管內(nèi)氣體，注入氣樣袋，利用地面氣相色譜儀分析氣體成分和濃度。

2.4 測(cè)試結(jié)果及分析

觀測(cè)時(shí)間為3月12日—10月15日。

(1)溫度觀測(cè)結(jié)果。總體看，回風(fēng)巷側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度高于進(jìn)風(fēng)巷側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度，觀測(cè)期間各點(diǎn)溫度未出現(xiàn)明顯溫升趨勢(shì)，最高溫度為10號(hào)測(cè)點(diǎn)，最高達(dá)46.8 ℃，與巷道風(fēng)流溫差達(dá)8 ℃，溫度變化最小的是3號(hào)觀測(cè)孔，溫差3 ℃，各測(cè)點(diǎn)最高溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由表2可以看出，10號(hào)測(cè)點(diǎn)位置煤體發(fā)生了明顯的氧化，但氧化自熱現(xiàn)象不嚴(yán)重，是煤自燃早期階段。

表2 觀測(cè)點(diǎn)最高溫度Tab.2 Maximum temperature table of observation point

(2)氣體觀測(cè)結(jié)果。觀測(cè)期間，采集觀測(cè)點(diǎn)及回風(fēng)流中的氣樣，分析了氣樣中CO、CO2、O2和烷烴類氣體，其中13號(hào)和14號(hào)觀測(cè)點(diǎn)CO氣體出現(xiàn)過(guò)明顯升高趨勢(shì)，最高分別為168×10-6、175×10-6，如圖5所示，采取控制措施后CO氣體再次下降，以致穩(wěn)定在小于10×10-6的恒定情況。另外，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和8號(hào)觀測(cè)點(diǎn)檢出了微量乙烷，如圖6所示，8月期間乙烷濃度有增大現(xiàn)象，9月以后又降低。其他觀測(cè)孔偶爾檢出CO。監(jiān)測(cè)期間巷道風(fēng)流氣樣中未能發(fā)現(xiàn)CO，除檢出CH4外未檢出其他碳?xì)漕悮怏w。通過(guò)對(duì)煤體的溫度和氣體監(jiān)測(cè)可以看出，下分層工作面開采期間煤體發(fā)生了氧化，出現(xiàn)了煤氧化氣體產(chǎn)物，煤體溫度也出現(xiàn)了升高。采用煤層預(yù)埋探測(cè)鉆孔監(jiān)測(cè)下分層煤體中溫度和氣體，避免了巷道風(fēng)流稀釋煤體氧化氣體濃度現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了煤自燃早期狀態(tài)的探測(cè)。

圖5 觀測(cè)點(diǎn)一氧化碳?xì)怏w變化規(guī)律Fig.5 Variation law of carbon monoxide gas at observation points

圖6 觀測(cè)點(diǎn)乙烷氣體變化規(guī)律Fig.6 Variation law of ethane gas at observation points

(3)下分層煤體氧化原因。根據(jù)煤層頂板冒落巖石膠結(jié)差的特點(diǎn)，采用紅外攝像儀對(duì)工作面風(fēng)巷觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面風(fēng)巷存在不同程度的輕微高溫點(diǎn)，如圖7所示?？梢酝茢噙@些高溫點(diǎn)是下分層頂板大面積平面漏風(fēng)至風(fēng)巷形成的散落漏風(fēng)匯點(diǎn)，這種漏風(fēng)是導(dǎo)致下分層煤體氧化的原因。

圖7 風(fēng)巷頂部局部高溫點(diǎn)Fig.7 Local high temperature points at top of the wind roadway

3 高溫區(qū)域防治措施及效果分析

從觀測(cè)結(jié)果看，人工頂板質(zhì)量差形成平面漏風(fēng)是引起下分層煤體發(fā)生氧化的關(guān)鍵。13號(hào)和14號(hào)觀測(cè)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)CO氣體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)后，在工作面運(yùn)輸巷F1斷層以里約240 m處向運(yùn)輸巷上幫每隔3 m向下分層頂部插入直徑15 mm鋼管，如圖8所示，利用鋼管向煤層頂板持續(xù)少量注入氮?dú)猓档吐╋L(fēng)的氧氣濃度。對(duì)F1斷層前后累計(jì)400 m長(zhǎng)的運(yùn)輸巷進(jìn)行全斷面噴漿?；仫L(fēng)巷側(cè)采取向下分層頂板注高分子材料，形成煤層頂板漏風(fēng)封堵墻。對(duì)回風(fēng)巷側(cè)F1斷層破碎區(qū)注封安特材料，充填斷層破碎帶加固煤層頂板。

圖8 下分層工作面防滅火措施Fig.8 Fire prevention measures for lower stratified working face

通過(guò)采取上述防滅火綜合措施，各觀測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯的煤體持續(xù)氧化形成自燃的征兆信號(hào)，采取措施前的13號(hào)和14號(hào)觀測(cè)點(diǎn)的CO氣體濃度也出現(xiàn)了明顯下降直至平穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)易自燃下分層工作面煤體開采期間發(fā)生二次氧化，自燃進(jìn)程速度快，早期辨識(shí)是工作面防滅火的關(guān)鍵。

(2)煤體氧化初期氧化氣體產(chǎn)物量少，受巷道風(fēng)流稀釋作用，難以檢測(cè)巷道風(fēng)流中煤氧化氣體產(chǎn)物判定煤自燃狀況，通過(guò)向下分層煤體布置檢測(cè)點(diǎn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了煤體氧化異常區(qū)域。

(3)下分層工作面頂板冒落巖石膠結(jié)程度低，形成平面漏風(fēng)是煤體自燃的原因，直接測(cè)溫不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤體氧化程度，但風(fēng)巷側(cè)預(yù)埋煤體內(nèi)的測(cè)點(diǎn)可通過(guò)氣體產(chǎn)物判定煤自燃早期狀態(tài)。

(4)控制煤層頂板平面漏風(fēng)，可以實(shí)現(xiàn)易自燃下分層工作面安全生產(chǎn)。