浅埋藏大采高综放面遗煤自燃机理与防治研究

雷焱云

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西忻州036500）

浅埋藏大采高综放面遗煤自燃机理与防治研究

雷焱云

（山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司，山西忻州036500）

为了对浅埋藏大采高煤层的自然发火机理以及发火防治技术进行研究，选择磁窑沟煤矿10202工作面作为研究对象，对该工作面煤样进行了实验室分析和现场实测研究。确定了该工作面应以CO作为指标性气体，并辅以C2H6、C2H4、C2H2来掌握煤炭自然发火的情况，并且通过束管检测系统，确定了该工作面自燃氧化“三带”的划分。针对该工作面煤层埋藏深度浅、一次采全高、具有自然发火危险性等特点，提出了预防性灌浆和漏风通道封堵的防火技术措施，以保证煤矿安全生产。

浅埋藏；大采高；发火机理；自燃防治

矿井火灾是煤矿主要的五大灾害之一，是诱发瓦斯或煤尘爆炸、造成重大人员伤亡事故的重要根源。随着煤炭开采技术的不断发展，以及开采强度的加大，对于浅埋藏煤层而言，由于埋深浅，采空区冒落高度大，综采回采后地表受到煤层开采影响，引起地面塌陷，使采空区形成许多与地表贯通的不易封闭的裂缝。在负压通风的作用下，矿井容易形成多源漏风，从而增加了浅埋藏煤层采空区遗煤自然发火的危险性［1］。由于矿井火源发生地大多位于采空区或者煤柱内等难以观测的隐蔽地带，所以及时发现和控制火情比较困难。随着隐蔽火源的逐渐蔓延与扩大，不仅会烧毁大量煤炭，还会冻结大量的资源，从而造成煤炭资源的极大浪费。同时，还有可能引发瓦斯或煤尘爆炸等一系列重大事故，对矿工的生命安全造成严重威胁，给国家经济带来重大损失。磁窑沟10202工作面具有煤层厚度变化较大，煤层埋藏深度较浅；采用一次采全高综采机械化采煤方法，采空区存在部分顶煤；煤层内生裂隙发育，煤的破碎程度较大、氧化表面积较大、氧化速度快等特点。因而，选择磁窑沟10202工作面作为研究对象，对该工作面煤层采空区遗煤的自然氧化机理与自燃防治技术进行相关研究。

1 矿井开采条件

磁窑沟煤矿主采10-2煤层，10202工作面10-2煤层为特厚煤层，本煤层在该回采工作面内赋存较不稳定，煤层中含有4～5层夹矸，夹矸厚度0.15～1.43 m，夹矸平均总厚度为2.24 m，单层夹矸最大厚度为4 m，夹矸岩性多为泥岩及碳质泥岩，较硬。工作面煤层顶板多为粗、中、细粒砂岩，有少量泥岩、砂质泥岩及粉砂岩。工作面煤层底板为平均厚6.66 m的泥岩，呈灰黑色，层状，固结性较好，质较硬，易风化，含大量植物茎、叶化石。再往下为11号煤层，平均厚度3.85 m。该工作面煤（岩）层呈单斜构造赋存，大体向北西方向倾斜，煤层倾角为2°～8°，煤层平均倾角为4°10′，煤（岩）层中节理、裂隙中等发育。10-2号煤层采用长壁式（走向或倾斜）一次采全高综合机械化采煤方法，采用全部垮落法管理顶板。煤层绝对瓦斯涌出量为2.086 m3/min，相对瓦斯涌出量为0.817 m3/t，CO2绝对涌出量为3.332 m3/min，CO2相对涌出量为1.303 m3/t。矿井为低瓦斯矿井。10-2煤层自燃倾向性为II类，最短自然发火期为97天。

2 磁窑沟煤样实验室分析

大块煤样从磁窑沟煤矿10-2煤层10202工作面选取。在剥去煤样表面的氧化层之后，将煤样粉碎，然后选取100 g粒度为5 mm的煤样放置于铜质煤样罐内，进行程序升温及降温实验。连接好进、出气气路以及温度探头，并且检查气路的气密性。通过程序控温箱控制，对煤样进行加热，当达到指定的测试温度时，在恒定温度5 min后采取气样，进行气体成分和浓度的分析［2］。对平磁窑沟矿10-2煤层煤样实验过程中的气体生成情况进行分析，可得其浓度变化趋势见图1，图2。

图1 磁窑沟矿10-2煤样CO和CO2变化趋势图

图2 磁窑沟矿10-2煤样CH4、C2H6、C2H4和C3H8变化趋势图

通过分析实验数据和趋势图发现，磁窑沟矿10-2煤层煤样在30℃到220℃温度范围的氧化过程中有规律的出现CO、CO2、CH4、C2H6、C2H2、C2H4和C3H8气体，CO、CO2、CH4三种气体均在30℃时即开始出现，并且气体产物的生成量随着煤温的升高基本上呈现出指数上升趋势。在低温氧化阶段，CO的生成量较小，煤温达到110℃之后其生成量迅速增加，这说明该温度下煤已经开始迅速氧化，物理吸附已经越来越弱，而化学吸附和化学反应则占据了主要位置。CH4的生成量随着煤温的升高呈现先增加后减小的趋势，在170℃时达到最大值，这是由于在加热情况下煤样中吸附的瓦斯释放出来，170℃左右释放量最大。C2H4在130℃时出现，浓度不大，但随温度升高呈现出规律的变化。C3H8气体出现的较晚，煤温达到160℃时才出现，此气体的出现可以说明煤升温氧化已发展到非常危险的程度。C2H6在70℃出现，说明煤样在该温度开始发生化学氧化反应；C2H2与其它气体相比，出现比较晚，在30℃～220℃还没有出现，说明其出现的初始温度高于220℃，一旦有C2H2出现则可以表明煤已经发生剧烈的化学反应。综上分析，磁窑沟矿10-2煤层煤样CO的出现并增大说明煤已经发生氧化反应，煤温达到30℃以上，C2H6的出现说明煤温达到70℃，C2H4的出现表明煤温已经达到130℃，C2H2的出现则说明煤温至少已经达到220℃，所以该矿可以用CO作为指标性气体，并以C2H6、C2H4、C2H2作为辅助指标来掌握煤炭自燃情况。

3 磁窑沟矿煤的现场实测分析

为了研究在现有开采技术水平和通风条件下磁窑沟10-2煤层的采空区浮煤氧化环境［3-4］，以10202综放工作面作为研究对象。通过在井下铺设束管观测系统，采取气体，同时结合气相色谱技术，来对采空区氧气以及其他气体成分浓度随工作面回采的变化情况进行监测。观测过程中测点布置见图3。

图310202 采空区测点布置平面图

由于工作面煤层赋存较厚，采用综放开采，煤层开采时上覆煤岩受采动影响比较大。在开采过程中，老顶初次来压、垮落后，发生周期性来压、垮落，上覆煤岩发生冒落、裂隙扩展和整体移动，使得采空区浮煤堆积相对破碎，易于蓄热，浮煤自燃危险性增强。而采空区煤呈破碎状态且堆积到一定厚度是煤体自燃的必要条件和物质基础。根据10202工作面实际开采情况，得出采空区的平均浮煤厚度分布情况。10202工作面采空区浮煤厚度等值线分布图见图4。

图4 采空区浮煤厚度等值线分布图

通过为期1个月的现场气样数据拟合分析以及结合采空区浮煤厚度的分析，按照最大最小原则，可得进风巷端与回风巷端的自燃氧化“三带”的范围见表1。

表1 采空区自燃危险区域实测划分表

通过对进、回风巷的数据对比分析，可以得出，回风巷的氧化带宽度比进风巷窄，比进风巷更早进入氧化升温带，这说明在回风巷采空区的漏风量小，容易积聚使浮煤氧化［5-6］，而进风巷采空区漏风量大，漏风覆盖的区域广，容易带走浮煤自身氧化的热量，延长了氧化时间，增加了氧化带的宽度。

4 防灭火措施

4.1 灌浆防灭火技术

对于磁窑沟煤业公司，目前开采10-2煤层工作面采空区是自然发火最危险的区域，因此，灌浆主管路应针对10202综采面采空区进行铺设。铺设管路为：

地面灌浆站—主斜井—北胶运大巷—二盘区辅运大巷—10202工作面回风顺槽，线路总长度约3 400 m。在工作面回采过程中灌浆的具体安排如下：

1）工作面异常时埋管灌浆。

采用埋管灌浆法，在放顶前沿进风巷在采空区预先铺好灌浆管（一般预埋10～20 m钢管），预埋管一端通采空区，一端接高压胶管。在正常生产条件下不注浆，但预埋管随着工作面的推进用回柱绞车逐渐牵引往外移［7-8］，使预埋管始终保持在采空区内5～8 m；当推进缓慢时、非正常生产超过一天或回风流中CO浓度上升超过24×10-6的情况下启动注浆系统对采空区进行灌浆，直到工作面恢复正常生产为止。埋管灌浆示意图见图5。

图5 埋管灌浆示意图

2）采后闭墙插管灌浆。

在工作面两端的密闭墙上分别预设1～2个d75 mm的注浆孔，实行“连续足量，充分灌注”，大量向闭后灌注浆液，同时可以起到堵漏风作用，防止发生自燃火灾。

4.2 堵漏防灭火技术

根据采空区内三带观测的结果和对氧含量的考察，工作面回风侧以内110 m才进入采空区自熄带，自燃带宽度较大，表明采空区漏风比较严重。前面已经分析，采空区的主要漏风特征是从进风巷侧进入，然后向靠近回风侧流出，因此，要实现采空区的堵漏，就必须将采空区进回风侧和进风巷横川加以堵漏。为防止工作面推过后采空区后方横川漏风，采用高强复合发泡封堵系统，以袋墙为框架填充高强度发泡混凝土，堵漏墙不仅起到堵漏作用，还可以加固煤柱，减少碎煤的产生。高强复合发泡堵漏采空区示意图见图6。

图6 高强复合发泡堵漏采空区示意图

5 结论

通过对磁窑沟煤矿10-2煤层煤样的实验室测定和现场实测，得到如下结论：

1）经程序升温实验结果分析可知，当检测到CO气体且浓度稳定增加，说明已有煤温度达30℃，煤氧化正在加速进行，有发生自燃的危险；检测到C2H4说明已有煤温度达到130℃；检测到C2H2，则说明煤温度大于220℃。

2）根据对10202工作面的现场实测，该工作面的进风巷端自燃带范围为35～115 m，回风侧端为48～110 m。

3）结合磁窑沟的现场情况及漏风状况，提出了预防性灌浆防灭火措施；同时以袋墙为框架填充高强度发泡混凝土，通过封堵增加采空区后部漏风风阻，从而实现采空区漏风量的控制。

［1］褚廷湘，余明高，杨胜强.煤岩裂隙发育诱导采空区漏风及自燃防治研究［J］.采矿与安全工程学报，2010，27（1）:87-93.

［2］吴兵，苏赟，王金贵，等.煤炭自然发火预报指标气体研究［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（11）:76-80.

［3］谢军，薛生.综放采空区空间自燃三带划分指标及方法研究［J］.煤炭科学技术，2011，39（1）:65-68.

［4］王刚，程卫民，周刚.综放工作面采空区自燃三带分布规律的研究［J］．矿业安全与环保，2010，37（1）:18-21.

［5］王东江，杨胜强，刘松等.采空区漏风对煤自燃危险性的影响［J］.煤矿安全，2011，42（5）:129-132.

［6］谢中朋.庞庄煤矿采空区“三带”范围确定及防灭火技术研究［J］.华北科技学院学报，2014，11（1）:22-25.

［7］余明高，张耀峰，褚廷湘.易自燃特厚煤层综放面防（灭）火技术探析［J］.河南理工大学学报，2013，32（1）:6-11.

［8］王少峰，王德明，曹凯，等.综放工作面不同回采时期采空区防灭火技术研究［J］.矿业安全与环保，2013，40（4）:83-86.

Study on Spontaneous Combustion Mechanism and Prevention of Remaining Coal for Shallow Buried and Large Mining Height Fully Mechanized Caving Face

Lei Yan-yun

In order to study the mechanism of spontaneous combustion and ignite prevention and control technology on the coal seam of shallow buried and large mining height,the 10202 working face of Ciyaogou coal mine is as the research object，and the coal sample of working face is analyzed in laboratory and measured on scene. It ensures working face mastering the situation of coal spontaneous combustion of which CO is priority and C2H6、C2H4、C2H2is auxiliary.The dividing of spontaneous combustion three zones is determined through the beam tube detection system.According to the characteristics of shallow burial,a mining overall height and danger of spontaneous combustion，the fire protection technical of preventive grouting and air leakage channel plugging are put forward to ensure the safety of coal mine production.

Shallow buried；Large mining height；Mechanism of ignition；Spontaneous combustion prevention and control

TD75+2.2

B

1672-0652（2014）11-0053-04

2014-09-25

雷焱云（1985—），男，山西朔州人，2007年毕业于大同大学，主要从事矿井一通三防方面的技术管理工作（E-mail）578945392@qq.com