郭海相

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

礦井火災(zāi)是制約我國(guó)煤礦安全開(kāi)采的一大影響因素，在我國(guó)重點(diǎn)煤礦中有54.9%的礦井有自然發(fā)火傾向[1]，煤氧化自燃是自然界中的1 種自然現(xiàn)象，煤經(jīng)歷物理、化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)、熱量積蓄等一系列過(guò)程后進(jìn)而表現(xiàn)出自燃現(xiàn)象[2]。礦井火災(zāi)不僅造成我國(guó)有限的煤炭資源損失嚴(yán)重，燒毀礦井開(kāi)采設(shè)備，其燃燒產(chǎn)生的有毒有害氣體給煤礦工作人員健康作業(yè)帶來(lái)極大難題[3]，尤其火災(zāi)嚴(yán)重礦區(qū)環(huán)境污染極其嚴(yán)重，因此在礦井火災(zāi)防治方面一定要堅(jiān)持“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的理念。礦井火災(zāi)具有隱蔽難以精準(zhǔn)定位、治理難度大的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)我國(guó)煤礦安全科研工作者及現(xiàn)場(chǎng)人員幾十年堅(jiān)持不懈對(duì)礦井火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展的全過(guò)程深入研究，逐步掌握了煤自然發(fā)火的一些規(guī)律，通過(guò)大量試驗(yàn)研究結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出煤氧化自燃過(guò)程中其生成的氣體組分及氣體量度與溫度有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)而能對(duì)煤氧化自燃進(jìn)程進(jìn)行量化分析，廣泛用于指導(dǎo)礦井工作面實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中煤自然發(fā)火防治工作[4]。

我國(guó)西北礦區(qū)煤層賦存埋藏淺、間距小。早期神東礦區(qū)首層煤回采速度快，且未采取預(yù)防性注漿等防火措施，現(xiàn)階段礦井已回采下部煤層。由于煤層間距小，首層煤開(kāi)采后產(chǎn)生的永久地表裂隙，受重復(fù)采掘饒動(dòng)影響，下部煤層回采時(shí)，產(chǎn)生新地表裂隙、層間裂隙的同時(shí)，原有裂隙更加發(fā)育，加之神東公司礦井工作面走向長(zhǎng)3～6 km，工作面寬約300 m，上、下煤層采空區(qū)聯(lián)通后形成超大面積采空區(qū)[5]。本煤層工作面采空區(qū)和上、下煤層采空區(qū)漏風(fēng)，以及地表裂隙漏風(fēng)使得礦井漏風(fēng)方式復(fù)雜多樣化，給生產(chǎn)礦井預(yù)防煤自然發(fā)火工作增加難度[6]。為此通過(guò)采集補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤樣，經(jīng)程序升溫氧化試驗(yàn)，建立礦井防滅火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系，分析研判淺埋深近距離煤層群工作面回采時(shí)自燃危險(xiǎn)重點(diǎn)區(qū)域，對(duì)上、下煤層采空區(qū)自然發(fā)火防治采取統(tǒng)籌分析、分源治理的方案。

1 工作面概況

神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦煤礦主采12 煤四盤(pán)區(qū)、12煤五盤(pán)區(qū)及22 煤四盤(pán)區(qū)，礦井采用中央分列式通風(fēng)方式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。12 煤為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期48 d；22 煤為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期41 d。

22410 工作面為22 煤四盤(pán)區(qū)第2 個(gè)綜采工作面，工作面地面標(biāo)高1 212～1 291 m，煤層底板標(biāo)高1 047.2～1 059.4 m。上覆基巖厚度138～213 m，松散層厚度0～42 m。煤層傾角1°～3°，煤層平均厚度6.6 m，設(shè)計(jì)采高6.6 m，工作面傾向長(zhǎng)度301 m，可采長(zhǎng)度3 728 m。設(shè)計(jì)月推進(jìn)速度387.52 m。22410 工作面巷道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 22410 工作面巷道參數(shù)Table 1 Roadway parameters of 22410 coal mining face

22410 工作面東側(cè)緊鄰22411 采空區(qū)，相鄰采空區(qū)保護(hù)煤柱平均寬度18 m，東側(cè)布置22409 備采工作面；工作面正上方有12410、12411、12418、12419、12420 采 空 區(qū)，22 煤 四 盤(pán) 區(qū) 對(duì) 應(yīng) 上 覆 有12401～12414、12418～12420 等17 個(gè)采空區(qū)，12 煤與22 煤層間距平均44 m 左右。

2 煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)研究

通過(guò)對(duì)補(bǔ)連塔煤礦22 煤層3 種不同粒徑的煤樣進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)，得出了煤氧化過(guò)程中生成的各種氣體體積分?jǐn)?shù)變化與煤溫變化之間的相應(yīng)關(guān)系，結(jié)合標(biāo)志氣體優(yōu)選原則，得出煤自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)。

2.1 CO 與溫度變化關(guān)系

程序升溫過(guò)程中CO 體積分?jǐn)?shù)與溫度變化關(guān)系如圖1。

由圖1 可以看出，隨著煤溫逐漸升高，CO 體積分?jǐn)?shù)由初始溫度至60 ℃時(shí)增加緩慢，此時(shí)煤處于低溫氧化階段，60～70 ℃后CO 體積分?jǐn)?shù)生成量隨煤溫的增加表現(xiàn)出指數(shù)增加趨勢(shì)，此時(shí)煤氧復(fù)合作用強(qiáng)烈，進(jìn)入加速氧化階段。對(duì)比3 種不同粒徑煤樣隨煤溫變化曲線，可得出在煤低溫氧化階段，CO 體積分?jǐn)?shù)生成量隨粒度的減小而增大的趨勢(shì)不明顯，但當(dāng)煤溫度高于150 ℃時(shí)這種趨勢(shì)比較明顯，說(shuō)明在升溫試驗(yàn)中煤樣隨粒度的降低，煤與氧氣接觸的表面逐漸增大[7]，煤樣易于氧化，煤氧復(fù)合子作用越大，產(chǎn)生的CO 體積分?jǐn)?shù)量越大。

圖1 CO 與溫度變化關(guān)系Fig.1 Change of CO with temperature

在化學(xué)反應(yīng)階段，即煤溫高于60～70 ℃情況下，隨著煤溫度持續(xù)升高，CO 體積分?jǐn)?shù)產(chǎn)生量與煤溫度成指數(shù)規(guī)律變化增加，據(jù)此可用于預(yù)報(bào)煤的自燃狀況。

2.2 CO2 和CH4 與溫度變化關(guān)系

CO2與溫度變化關(guān)系如圖2。CH4與溫度變化關(guān)系如圖3。

圖2 CO2 與溫度變化關(guān)系Fig.2 Change of CO2 with temperature

圖3 CH4 與溫度變化關(guān)系Fig.3 CH4 change with temperature

由圖2 可知，隨著溫度的上升，CO2體積分?jǐn)?shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，且初始煤樣中檢測(cè)到CO2氣體，原煤中吸附有CO2氣體，升溫產(chǎn)生的CO2氣體是脫附和煤氧化共同作用的結(jié)果[8]。由于煤中吸附的CO2含量易受新鮮空氣中的CO2影響較大，因此CO2氣體不宜用來(lái)預(yù)報(bào)煤自燃情況。

由圖3 可以看出，CH4體積分?jǐn)?shù)隨煤溫的升高先表現(xiàn)出緩慢增長(zhǎng)，當(dāng)溫度超過(guò)100～120 ℃后呈急劇增長(zhǎng)。低溫階段CH4體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)緩慢說(shuō)明補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤樣中含游離瓦斯量??；當(dāng)煤溫達(dá)到100～120 ℃后，CH4體積分?jǐn)?shù)爆發(fā)式增長(zhǎng)，是由于煤激烈氧化，煤中大分子支鏈斷裂后經(jīng)氧化分解產(chǎn)生大量CH4，因此CH4大量產(chǎn)生與煤的裂解溫度有關(guān)。由于在煤低溫氧化階段不能區(qū)分所測(cè)得的CH4是來(lái)源于游離瓦斯解吸還是氧化產(chǎn)生[9]，因此CH4不能用來(lái)為預(yù)報(bào)補(bǔ)連塔22 煤層自燃情況。

2.3 C2H4 和C2H6 與溫度變化關(guān)系

C2H4與溫度變化關(guān)系如圖4，C2H6與溫度變化關(guān)系如圖5。

圖4 C2H4 與溫度變化關(guān)系Fig.4 C2H4 change with temperature

由圖4、圖5 可以看出，補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤樣在試驗(yàn)初始階段未檢測(cè)到C2H4、C2H6，在70～80 ℃時(shí)才出現(xiàn)少量的C2H4、C2H6，這些少量氣體部分來(lái)源于煤的脫附，說(shuō)明煤樣中吸附一定體積分?jǐn)?shù)的C2H4、C2H6，因此，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看C2H4、C2H6不能很好地預(yù)報(bào)煤自燃情況。當(dāng)煤溫在100～120 ℃后，C2H4、C2H6體積分?jǐn)?shù)呈指數(shù)形式增加，這是由于煤樣經(jīng)高溫裂解激烈氧化產(chǎn)生大量氣體，推斷C2H4、C2H6體積分?jǐn)?shù)大幅度增加與煤樣的裂解溫度有關(guān)。

圖5 C2H6 與溫度變化關(guān)系Fig.5 C2H6 change with temperature

2.4 φ（C2H6）/φ（CH4）和φ（C2H4）/φ（CH4）與溫度關(guān)系

φ（C2H6）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系如圖6，φ（C2H4）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系如圖7。

圖6 φ（C2H6）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系Fig.6 Change of φ（C2H6）/φ（CH4）with temperature

圖7 φ（C2H4）/φ（CH4）與溫度變化關(guān)系Fig.7 Change of φ（C2H4）/φ（CH4）with temperature

CH4、C2H4、C2H6受煤樣初始含量及煤大分子結(jié)構(gòu)影響，補(bǔ)連塔22 煤層煤樣升溫試驗(yàn)所測(cè)得的鏈烷比、烯烷比數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍小，無(wú)明顯趨勢(shì)，因此φ（C2H6）/φ（CH4）、φ（C2H4）/φ（CH4）不宜用來(lái)指導(dǎo)補(bǔ)連塔煤礦22 煤層自然發(fā)火預(yù)報(bào)情況。

2.5 R1～R3 與溫度變化關(guān)系

因格雷哈姆系數(shù)R1（第一火災(zāi)系數(shù)）、R2（第二火災(zāi)系數(shù)）、R3（第三火災(zāi)系數(shù)）值能有效補(bǔ)充單一氣體預(yù)報(bào)煤自然發(fā)火時(shí)易受新鮮風(fēng)流影響這一缺陷[10]，而廣泛應(yīng)用于受自然發(fā)火影響礦井的火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。

補(bǔ)連塔22 煤層煤樣R1、R2、R3值與溫度變化關(guān)系分別如圖8～圖10。

圖8 R1 與溫度變化關(guān)系Fig.8 Relation between R1 and temperature

圖10 R3 與溫度變化關(guān)系Fig.10 Relation between R3 and temperature

由圖8 可看出，R1值經(jīng)初始溫度到50 ℃小幅度增加，是由于低溫階段產(chǎn)生的CO2是煤樣解析和低溫氧化階段耗氧產(chǎn)生，所以CO2體積分?jǐn)?shù)增加量比O2體積分?jǐn)?shù)減少量大；50 ℃后R1值下降繼而穩(wěn)定在一定值范圍內(nèi)，當(dāng)煤溫度升至160 ℃后R1值大幅度增加，是由于煤進(jìn)入氧化激烈階段，煤樣充分氧化，產(chǎn)生大量CO2。

由圖9 可看出，R2值在煤初始溫度至60 ℃維持在1%～2%，說(shuō)明煤樣處于低溫氧化階段；70～110℃維持在2%～5%左右，煤溫度超過(guò)130 ℃后，煤樣氧化劇烈，R2爆發(fā)式增長(zhǎng)。據(jù)此分析得出補(bǔ)連塔22煤臨界溫度在60～70 ℃，干裂溫度在100～120 ℃。

圖9 R2 與溫度變化關(guān)系Fig.9 Relation between R2 and temperature

由圖10 可看出，隨煤溫度上升，R3值整體呈增加趨勢(shì)，但是在升溫過(guò)程中多次出現(xiàn)峰值，規(guī)律不明顯，不宜用作補(bǔ)連塔煤礦22 煤層煤自燃預(yù)報(bào)工作。

3 近距離煤層群采空區(qū)自燃防控技術(shù)

3.1 近距離煤層群采空區(qū)自燃影響因素分析

根據(jù)煤自然發(fā)火影響因素，從煤質(zhì)及煤層賦存條件、采掘部署、通風(fēng)系統(tǒng)、采空區(qū)遺煤量等方面分析補(bǔ)連塔煤礦22 煤層工作面回采時(shí)易自燃區(qū)域。

1）礦井主采的12 煤和22 煤均為容易自燃煤層，且發(fā)火期短。

2）據(jù)煤層賦存厚度及采掘設(shè)計(jì)分析，工作面兩側(cè)巷道、開(kāi)采線及終采線處有大量遺煤，其厚度遠(yuǎn)超極限浮煤厚度，且這些大量遺煤正處于裂隙“O”形圈范圍內(nèi)。

3）22 煤回采后采動(dòng)圍巖裂隙發(fā)育更加充分，圍巖裂隙使22 煤層四盤(pán)區(qū)采空區(qū)和22 煤層四盤(pán)區(qū)上覆12 煤采空區(qū)相互聯(lián)通形成超大面積采空區(qū)，且因采掘形成的地表永久裂隙和圍巖裂隙使兩煤層采空區(qū)在地表空氣壓力和礦井負(fù)壓通風(fēng)方法共同作用下，采空區(qū)氣體均表現(xiàn)出氣與進(jìn)氣“呼吸”現(xiàn)象[11]，上下煤層采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)不穩(wěn)定，上覆采空區(qū)遺煤經(jīng)二次氧化更易自燃。

4）22410 工作面上覆主要遺留煤柱有：自工作面切眼至回撤通道方向560 m 處，有1 條長(zhǎng)560 m、寬20 m 的走向煤柱；85～228 m 處，有1 條長(zhǎng)146 m、寬25 m 的走向煤柱；80 m 處，有1 條長(zhǎng)100 m、寬15 m 的傾向煤柱；223 m 處，有1 條長(zhǎng)301 m、寬20 m 的傾向煤柱；555 m 處，有1 條長(zhǎng)301 m、寬20 m 的傾向煤柱；885 m 處，有1 條長(zhǎng)301 m、寬20 m的平行傾向煤柱，及1 條長(zhǎng)301 m、寬28 m 的傾向煤柱；953 m 處，有1 條長(zhǎng)2 766 m、寬20 m 且平行于22410 回風(fēng)巷的走向煤柱。煤柱在重復(fù)采動(dòng)擾動(dòng)作用下受壓破碎。22410 工作面與22411 采空區(qū)保護(hù)煤柱布置36 個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)絡(luò)巷施工密閉受回采擾動(dòng)影響易壓裂[12]，本采空區(qū)與鄰近采空區(qū)聯(lián)通。

5）為排放上覆12 煤采空區(qū)積水，設(shè)計(jì)探放水鉆孔65 個(gè)，累計(jì)疏放水量1.3 萬(wàn)m3。12 煤采空區(qū)疏放水有新鮮空氣輸入，且試驗(yàn)研究表明水浸煤疏干后其吸氧量比原煤體的大，氧化進(jìn)程加快[13]。

3.2 近距離煤層群采空區(qū)自燃綜合防控技術(shù)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)論及分析結(jié)果，明確補(bǔ)連塔煤礦標(biāo)志氣體為CO、C2H4和C2H6，針對(duì)近距離煤層群開(kāi)采工作面，對(duì)本采空區(qū)及鄰近采空區(qū)制定關(guān)鍵監(jiān)測(cè)位置區(qū)域，采用注漿封堵、注氮惰化、均壓應(yīng)急系統(tǒng)、紅外探測(cè)等綜合預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃措施[14]。

3.2.1 本煤層采空區(qū)遺煤自燃防治控技術(shù)

1）22410 工作面回風(fēng)隅角及進(jìn)、回風(fēng)巷道均布置一氧化碳和溫度傳感器。

2）工作面配置束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，22410 工作面回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)布置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距依采空區(qū)自燃“三帶”情況設(shè)定，監(jiān)測(cè)束管外設(shè)套管保護(hù)，取樣端頭高出巷道底板一定距離預(yù)防采空區(qū)積水進(jìn)入束管；利用22409 回風(fēng)巷與22410 運(yùn)輸巷之間的聯(lián)絡(luò)巷預(yù)留觀測(cè)孔，監(jiān)測(cè)本煤層采空區(qū)氣體變化情況。

3）本煤層采空區(qū)可用進(jìn)、回風(fēng)巷預(yù)先埋設(shè)的注漿管路連接地面固定注漿站進(jìn)行預(yù)防性注漿，本煤層采空區(qū)采空區(qū)重點(diǎn)注漿區(qū)域?yàn)椤皟傻纼删€”。

4）本煤層采空區(qū)通過(guò)進(jìn)風(fēng)巷預(yù)埋注氮管路進(jìn)行惰化采空區(qū)，注氮口位置應(yīng)根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”和漏風(fēng)區(qū)域確定。

3.2.2 鄰近采空區(qū)自然發(fā)火防治措施

1）22410 工作面回風(fēng)巷與22411 運(yùn)輸巷留設(shè)的聯(lián)絡(luò)巷密閉均布置觀測(cè)孔，監(jiān)測(cè)22411 采空區(qū)氣體情況。

2）利用進(jìn)、回風(fēng)巷和回撤通道疏放水孔監(jiān)測(cè)上覆12 煤采空區(qū)，當(dāng)工作面回采至有上覆煤柱區(qū)域時(shí)，需在進(jìn)、回風(fēng)巷頂板超前工作面施工上覆12 煤采空區(qū)觀測(cè)孔。

3）由于采空區(qū)面積大，灌注黃泥漿為最經(jīng)濟(jì)和有效的封堵措施。漿液既能對(duì)氧化遺煤吸熱降溫，又能緊密包裹破碎煤體、充實(shí)并封堵圍巖裂隙裂隙，隔絕氧氣供應(yīng)。由于22410 工作面上覆12 煤采空區(qū)已回采結(jié)束封閉，從工作面巷道頂板施工上覆采空區(qū)注漿鉆孔，注漿量和注漿范圍非常有限，漿液堆積效果很不理想，堵管和漏漿嚴(yán)重，而從地表直接施工至12 煤采空區(qū)煤柱區(qū)域的鉆孔，具有定位準(zhǔn)、施工快、注漿量大、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，因此對(duì)上覆煤柱區(qū)域施工地面鉆孔灌注泥漿。

4）22410 工作面回采前，上覆采空區(qū)疏放水工作結(jié)束后，利用疏放水鉆孔或補(bǔ)打鉆孔對(duì)上覆采空區(qū)注氮惰化；22410 工作面推進(jìn)時(shí)，尤其過(guò)上覆遺留煤柱區(qū)域時(shí)，超前工作面對(duì)上覆采空區(qū)預(yù)防性注氮。

5）由于12 煤開(kāi)采時(shí)未采取預(yù)防性注漿等措施，22 煤開(kāi)采時(shí)易受上覆遺留煤柱自燃影響[15]，補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤(pán)工作面回采期間有低氧現(xiàn)象，分析認(rèn)為上覆采空區(qū)遺煤氧化是造成22 煤層三盤(pán)工作面低氧的一方面影響因素[16]，因此為防止22 煤開(kāi)采期間因上覆遺煤氧化自燃產(chǎn)生的有毒有害氣體侵入本煤層工作面，22410 工作面設(shè)有均壓應(yīng)急系統(tǒng)。

6）紅外成像探測(cè)主要用于井下煤巷、井下煤柱、煤層破碎頂板等自燃隱患處的溫度探測(cè)。利用紅外熱成像儀對(duì)巷間的聯(lián)絡(luò)巷及頂板進(jìn)行定期紅外掃描，尤其對(duì)工作面頂板應(yīng)力集中區(qū)域、上覆采空區(qū)原集中大巷位置需加強(qiáng)掃描頻次。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)研究確定適用于本煤層自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體有CO、C2H4和C2H6；淺埋深近距離易自燃煤層群開(kāi)采自燃的影響因素主要在于其遺煤量多、漏風(fēng)通道復(fù)雜，為防控煤自燃采取了以監(jiān)測(cè)采空區(qū)標(biāo)志氣體、上覆采空區(qū)地面鉆孔注漿、本層采空區(qū)地面注漿站鋪設(shè)管路注漿、采空區(qū)注氮惰化、工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)等綜合防控煤自燃技術(shù)。