高瓦斯易燃煤层自燃发火原因分析及防治

刘英明

（阳泉煤业集团有限责任公司，山西 阳泉 045000）

高瓦斯易燃煤层自燃发火原因分析及防治

刘英明

（阳泉煤业集团有限责任公司，山西 阳泉 045000）

针对厚煤层开采比重加大，且伴随采空区遗留浮煤，回采工作面漏风等因素致使煤层自燃发火频繁，矿井安全生产形势日趋严峻的问题，分析了煤体自燃发火原因，加强自燃发火预测，采取有效的防灭火技术及装备，确保易燃煤层安全高效开采势在必行。

煤层；自燃发火；防治

1 煤体自燃原因分析

根据自燃发火工作面及科研院校的煤层自燃研究成果分析，煤体自燃发火原因主要取决于煤层的自燃倾向性，煤的粒度，工作面推进度，漏风量等因素。

1）煤层自燃倾向性。由于煤体本身为可燃物质，煤体赋存的孔隙和裂隙可吸附氧气，氧化产生热量，并在适当的聚热条件和环境下持续聚热升温，只要具备一定的条件时，就会发展到着火点温度并产生煤的自燃现象。不同煤体的物理特性存在差异，因此，不同赋存条件的煤对流态氧的吸附能力也不同，其氧化自燃性能也不同。煤的氧化自然性能可通过测定煤的吸氧量来表征。

当采用BD-ZRJ-I型煤的自燃性测定仪，以煤在特定条件下即每克干煤在常温（30℃）、常压（1.0133×105Pa）通过流动色谱吸氧法对粉碎到粒度<0.15 mm的煤样脱水、载气、吸附、脱附过程，测定煤的吸氧量，配以工业分析等参数，通过模糊数理统计的聚类分析方法，将煤的吸氧量值与工业分析结果综合评判，同时结合现场有关煤的自燃发火特征资料反馈修正，可了解和认识开采煤层的氧化自燃倾向性，确定煤的自燃发火危险等级，为制定矿井火灾防治方案提供技术依据。

2）煤的粒度与氧化自燃性。根据现场观测，回采过程中支架顶部煤体承受挤压后必然会破碎，生产过程中煤层顶底板不可避免遗留浮煤。支架顶部的破碎煤体及采空区内的浮煤粒度越小，氧化放热性越强，越易于发生自燃。

为研究并揭示煤的粒度与氧化自燃性关系，由北京科技大学分别对粒径为0～0.9 mm（18目）、0.9～3 mm（7目）、3～5 mm（4目）、5～7 mm（3目）、7～10 mm（2目）煤样进行煤炭自燃发火模拟实验，并绘制出各粒径煤样温度随时间变化曲线，各粒径煤样耗氧速率与温度的变化曲线，见图1和图2。

从图1和图2可知，煤样越细，对氧气的吸附程度越强，其自燃发火越容易。由于物体的表面积与粒径成反比，煤的破碎程度越大，粒径越小其比表面积越大，煤氧接触面积越大，煤的升温和耗氧速率越大，氧化放热性越强，煤样粒度越小耗氧速度增加越快煤的氧化自燃性也会越明显。

通过煤的粒度与氧化自燃性模拟实验，既揭示了破碎煤体及采空区遗留浮煤易发自燃的原因，又为认识及防治综采工作面支架顶部及采空区煤体自燃提供了理论依据。

3）工作面推进对自燃发火的影响。根据对工作面漏风量、推进距离、采空区温度三者的关系观测试验结果表明，采空区的温度变化与采空区距工作面的推进距离有关，明显呈现散热、氧化升温、窒息三个不同宽度的带。工作面正常开采和推进时，支架顶梁上和支架后部的松散煤氧化升温时间尚不够充分，煤温尚未达到自燃条件时已随着工作面的不断推进而被甩入窒息带；如工作面不能正常开采和推进（或不推进），支架顶梁上和支架后部的松散煤就会停滯在氧化升温带，并处于长时间充分氧化升温状态，具备了工作面落山和支架顶梁上的松散煤体氧化、蓄热的必要环境和条件，此时，工作面是否发火则完全取决于非正常推进造成的氧化升温带的停滞时间。在生产实践中，当工作面遇地质构造或煤层顶板破碎时，工作面推进低于正常进度；综放面末采拆架期间更易发生自燃火现象，这也从另一方面印证了“三带”的客观存在和“三带”理论的可信性。工作面推进与煤层自燃三带关系，见图3。

除以上所列举的煤的自燃倾向性、煤的粒度和蓄热条件、工作面推进进度外，瓦斯抽放负压在抽放瓦斯的同时，在抽放系统的抽放负压和流量作用下，采空区冒落带和裂隙带成为向工作面落山渗流供氧的通道问题也应引起重视。

煤层自燃的最根本原因是煤本身的自燃倾向性，对于易燃煤层的易燃特性是无法改变的，煤层在开采过程中，煤体也不可能不破碎，采空区也不可能不遗留浮煤，即设想从根本上改变松散煤体的自然条件和环境是比较困难的，完全杜绝煤层自燃实则更加困难。因此，从预防的角度讲，及早发现自燃预兆，准确预测发火点范围和位置，及时采取防治措施则显得尤为重要。

2 自燃发火预测

1）煤炭自燃倾向性的确定是矿井防灭火技术重要的预测手段。基于煤在低温常压下对氧的吸附属于单分子物理吸附状态为理论基础，按朗格纽尔单分子层吸附方程，用双气路流动色谱法测定煤吸附流态氧的特性，以煤在特定条件下，每克干煤在常温（30℃）、常压（1.0133×105Pa）下的吸氧量作为自燃倾向性分类主指标（高硫煤、无烟煤的自燃倾向性分类，吸氧量>1.0 cm3/g为I类，易自燃。）通过测定煤炭自燃倾向性可了解开采煤层的自然发火危险性，为矿井确定防灭火组织方案提供依据。

2）煤在氧化升温过程中会释放出一系列气体，通过气相色谱仪和煤自燃特性测试仪，测定煤氧化升温过程中放出的一系列反应煤炭自然特征气体的含量，并根据其气体生成量随煤温升高的变化规律，找出可以灵敏，准确地反应煤炭早期自然特征的气体，作为指标气体进行煤自然发火的早期预测预报。

实验表明，自然发火过程中，火灾生成物中CO的最低检知温度为60℃～70℃,在160℃～190℃左右，CO发生量已相当高。CO是煤层自燃独有的，能够表征气体生成量与相应温度并能进行预测预报火灾的气体，在井下现场很容易检测到。以CO为主，结合其他气体进行火灾预测预报，可准确分析火点温度。

界定开采煤层的自燃倾向性等级，测定自燃发火标志性气体有关预测预报指标，可认知开采煤层自燃倾向的危险等级，掌握和判断自燃发火所处的发展阶段和严重程度。可为矿井制定防灾工作提供编制组织管理、物资储备、技术管理、防灭火技术措施提供可靠的基础依据，使防灭火技术管理措施更科学，做到有的放矢。

3 自燃发火治理措施

1）束管监测预报。为能够及时、准确、连续获取采空区气体和温度变化，工作面建立束管监测系统，对工作面进行适时监控。工作面间隔10-20组支架间设一布控点，在支架与采空区间敷设束管，对采空区进行监测并记录测点气样成分及温度，通过计算机处理分析火源探测结果并绘制平面图，提交自燃发货预测分析报告，实现煤层自燃的早期预防工作。为工程技术人员制定防灭火技术方案及措施提供可靠依据。

2）采空区注氮惰化处理。工作面遇构造或其他特殊情况不能正常推进时，提前沿进风顺槽敷设注氮管，注氮管会随着工作面的不断推进将管道埋入落山。注氮管按一定的间隔设置三通，三通间隔的设定将根据“三带”实测距离确定。三通节点联结一根0.5 m长支管作为氮气释放口，以防采空区冒落煤矸堵塞管道。

当束管监测系统检测到采空区氧化升温带产生CO，温度发生变化时，可对照指标气体分析判断煤层自燃发展阶段及趋势，当第二个注氮管口支管埋入采空区氧化带与冷却带的交接部位时，启动井下移动式注氮机向采空区注氮，利用漏风流将氮气带入漏风流所流经的氧化升温带，从而惰化漏风流及漏风流所流经的区域，在整个注氮区域均匀扩散，起到惰化整个采空区的作用。为保证氧化带注氮后处于惰化状态，通过预埋在采空区的束管对氧化带的O2浓度检测，确保O2浓度降到10%以下方可停止注氮。

生产面和拆除面均为正常通风状态，此种注氮属于开放式注氮，开放式注氮只是降低采空区氧气浓度，延缓采空区氧化升温带松散煤的自燃发展进度，从而赢得时间，争取工作面恢复正常推进后将异区甩入窒息带，或坚持到工作面拆除结束永久封闭。

开放式注氮往往只适用于工作面采空区的区域自燃预防性防治，当松散煤体出现高温火点时，注凝胶浆的灭火效果会更直接有效。

3）注凝胶灭火。工作面支架顶部或靠近支架的采空区出现高温或火点，浇注高分子材料凝胶浆降温灭火效果更直接有效。

高分子凝胶是由粉末状的高分子材料与水直接混合后，短时间内经化合反应形成类似于果冻性的胶质物，其虽具有凝固性，却没有机械强度；其胶体主要成分为水分，且可以固体形态充填附着于煤体空隙内，其胶状物对煤体表面及空隙起到封闭隔氧的阻燃作用，而胶状物的水分则会吸收煤体热量，快速降温灭火的作用。因此，注射高分子凝胶浆更适用于出现高温或点，需迅速控制和直接灭火的工作面发火点。注高分子凝胶虽具有快速有效灭火特点，但通过注胶钎管注胶，当高温发火点位于注钎管伸不到的采空区深部时，注凝胶方法也难奏效。注凝胶灭火通常更适用于对支架部位及支架后部一定范围的落山灭火。除注氮和注凝胶外，采空区撒阻化济、探索抽放负压、流量的控制与漏风关系等方法，对防治煤层自燃已具有一定的辅助作用。

4 结束语

矿井煤层自燃发火防治是一项综合性技术管理工作，涉及到煤层自燃发火的机理，又涉及到现场灭火防治技术及措施的实施应用。总结矿井煤层自燃防治工作基本方法和步骤为：a.与科研院校合作，测定煤层自燃倾向性，认知开采煤层自燃倾向等级及危险性，为制定防治方案提供科学依据。b.建立束管检测系统，及时、准确、适时掌握测点气样成分及温度，提交预测分析报告，制定针对性的操作性技术措施。c.根据具体情况选择采空区注氮惰化处理；注凝胶灭火及其他灭火方法。

总之，如能根据具体情况对各种防治方法综合应用与组合，并不断总结与改进，防治矿井煤层自燃发火工作一定会取得效果。

[1]周心权，邬燕云，朱红青，等.煤矿灾害防治科技发展现状对策分析[J].煤炭科学技术，2002（1）：1-6.

[2]王省身，张国枢.矿井火灾防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2004.

Cause Analysis and Control of Spontaneous Combustion in High-gas and Inflammable Seams

LIU Yingming
(Yangquan Coal Group,Yangquan 045000,China)

Increased proportion of thick seam mining,with other factors,including float coal left behind in mined-out areas and air leak in caving face,causes more frequent spontaneous combustion, which has become a worsening problem threatening the safe production in mines.The paper studies its causes and proposes the prediction for the spontaneous combustion and effective fire control techniques and equipment to ensure the safe and efficient mining in the inflammable seams.

coal seams;spontaneous combustion;control

TD75

A

1672-5050（2015）01-0008-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.004

（编辑：武晓平）

2014-10-15

刘英明（1970-），男，山西寿阳人，大学本科，工程师,从事通风技术管理工作。