M8号煤层采空区自然发火防治研究

2018-08-14何鹏虎

现代工业经济和信息化 2018年9期

何鹏虎

（重庆能投渝新能源有限公司打通一煤矿，重庆 401445）

引言

打通一煤矿隶属重庆能投渝新能源有限公司，矿区位于渝黔交界处，座落在綦江县打通镇境内。井田内自上而下有6号、7号、8号三层煤可采，自燃倾向性等级均为Ⅱ类，属自燃煤层。M8号煤层采空区自然发火影响矿井正常的安全生产，面对矿井M8号煤层采空区自然发火防治的严峻形势，打通一煤矿在2013年12月开始对M8号煤层采空区进行了现场资料收集及调查，本次工作以采空区自然发火有关资料为主要研究手段。在充分收集相关采空区自然发火资料基础之上，打通一煤矿于2014年10月编制完成了《M8号煤层采空区自然发火防治研究报告》，为以后M8号煤层采空区自然发火防治工作提供了科学的量化决策支撑。

1 煤炭自燃过程

根据现有研究成果，煤炭的氧化和自燃是基—链反应。煤炭自燃过程大体分为三个阶段：准备期、自热期、燃烧期。煤炭自燃过程如图1所示。

图1 煤炭自燃过程

1）准备期煤体温度变化不明显，煤的氧化进程十分平稳缓慢，然而它确实在发生变化，煤的重量略有增加，着火点温度降低，氧化性被活化。由于煤的自燃需要热量的聚集，在准备期因环境起始温度低，煤的氧化速度慢，产生的热量较小，因此需要一个较长的蓄热过程。

2）自热期煤的氧化速度增加，不稳定的氧化物分解成水、二氧化碳、一氧化碳。氧化产生的热量使煤温继续升高，超过了自热的临界温度煤温上升急剧加速，氧化进程加快，开始出现煤的干馏，产生芳香族的碳氢化合物、氢、更多的一氧化碳等可燃气体。

3）燃烧期煤体达到了临界温度点，煤氧化的产热与煤所在环境的散热就失去了平衡，即产热量将高于散热量，就会导致煤与环境温度的上升，从而又加速了煤的氧化速度并产生更多的热量便燃烧起来。

2 E2805工作面采空区概况

2.1 采空区位置

E2805工作面井下位于鱼跳背斜北翼东部＋350水平下山部分，属已保护的东区8号煤层第二块工作面，首采工作面为E2803工作面。工作面标高为186～343 m，地面标高640～738 m。工作面地表位置位于马柒顶、碓窝垭口、白石坝、哨坑岗一带。E2805工作面位于E2703、E2705保护层工作面采空区以下的8号煤层。工作面以西为已采完的E2803工作面，工作面以东为正在回采的E2807工作面。工作面以南为北东区7号轨道巷。

2.2 采空区面积、煤层赋存情况

E2805工作面走向长207 m，倾斜长度809 m，面积167 463 m2。

E2805工作面煤层赋存较稳定,煤层倾角8°～12°，倾向334°，下分层平均煤厚2.33 m，工作面东北部局部煤层上下分层合并，夹矸变薄至消失，厚度达3.60 m，工作面西南部局部煤层变薄，厚度为1.10 m。

2.3 E2805工作面通风方式

E2805工作面采用“U型+尾排” 通风方式。

进风:东区轨道下山→+295集中皮带巷→E2805进风斜坡→E2805运输巷→E2805工作面。

回风（前期）:E2805工作面→E2805回风巷→E2803回风小斜坡→回风立眼→E6号轨道巷→东区1号回风斜坡→+306总回风巷→N18号、N19号、N20号、N21号瓦斯巷→西风井。

回风（后期）:E2805工作面→E2805回风巷→回风立眼→E2805回风斜坡→东区1号瓦斯巷→+306总回风巷→N18号、N19号、N20号、N21号瓦斯巷→西风井。

尾排:E2805回风巷1号尾排立眼→东一石门→E1号瓦斯巷→+306总回风巷→N18号、N19号瓦斯巷→西风井；E2805回风巷2号、3号尾排立眼→E1号瓦斯巷→+306总回风巷→N18号、N19号、N20号、N21号瓦斯巷→西风井。

E2805工作面回采时瓦斯涌出量约为6 m3/min，回采期间工作面配风为820 m3/min,其中尾排风量约为200 m3/min。

2.4 E2805工作面穿层钻孔位置分布情况

E2805工作面的穿层预抽钻孔施工在E区E2号瓦斯巷和E1号瓦斯巷内。

E2805工作面采用倾斜长壁后退式仰斜开采法。

2.5 E2805工作面采空区封闭情况

E2805工作面在2010年8月开始回采，于2011年8月回采结束。工作面回采结束后及时将E2805工作面的尾排联络巷进行了封闭，将E2805工作面回风斜坡施工的1组密闭墙进行封闭，在E2805回风巷施工的4道密闭墙进行封闭；在E2805工作面运输巷施工的1道沙袋墙、2组密闭墙进行封闭。因E2807尾部斜坡尾排回风风量小、瓦斯大，2014年7月13日已对E2807尾部斜坡进行密闭（密闭时E2807工作面切割巷距1号尾排立眼约27 m），2014年8月9日对E2805溜煤眼上口联络巷施工了1道密闭墙，2014年8月12日E2805溜煤眼联络巷横巷施工1道密闭墙并将运输巷密闭墙和溜煤眼上口联络巷密闭墙注浆管和取样管延伸到该密闭墙上。E2805工作面没有单独施工放水孔，而是选择大直径尾排孔和尾部斜坡排水。工作面采空区出现温度和一氧化碳超标时已经回采结束，采空区已经封闭2年。E2805工作面采空区密闭位置关系及通风系统示意图如图2所示。

图2 E2805工作面采空区密闭位置关系及通风系统示意图

3 自然发火标志气体指标测定

根据2014年7月中煤科工集团重庆研究院有限公司对打通一煤矿M8号煤层自然发火标志气体指标的测定报告结论，其指标气体选择如下[1]：

1）在30～200℃之间，可以选择CO作为该温度段内的标志气体。当通风量变化不大的情况下，CO浓度上升到日常量一倍时，说明自燃煤炭的温度已经达到100℃左右。特别注意，只要发现井下CO持续存在且浓度不断增加就是煤炭自燃的征兆。

2）在180～200℃之间，烯烃随温度升高量逐渐增大，但是由于C2H4的量较少，不建议采用作为指标气体。

4 工作面采空区自然发火预测预报

2013年11月28 日矿救护中队对E2805采空区密闭进行取样化验，化验结果显示E2805运输巷密闭墙内温度44℃，一氧化碳浓度（质量分数）为30×10-6；从11月28日开始取样化验周期由7天变为每天取样化验。11月30日E2805运输巷密闭墙内温度50℃，一氧化碳浓度（质量分数）为328×10-6；12月1日E2805运输巷密闭墙内温度58℃，一氧化碳浓度（质量分数）为182×10-6；12月4日E2805运输巷密闭墙内温度48℃，一氧化碳（质量分数）为167×10-6。2014年1月10日因E2807工作面投产调整通风系统回风负压提高，1月11日E2805运输巷密闭墙内温度33℃，一氧化碳浓度（质量分数）为156×10-6，1月12日运输巷密闭墙内温度36℃，一氧化碳（质量分数）为817×10-6，经调整通风系统降低E2807回风巷通风负压，1月17日E2807运输巷密闭墙内温度25℃，一氧化碳浓度（质量分数）为17×10-6。

2014年9月5 日早班取样化验发现E2805回风巷密闭墙内温度24℃，一氧化碳浓度（质量分数）为372×10-6，9月8日中班E2805回风巷密闭墙内温度27℃，一氧化碳浓度（质量分数）为941×10-6，9月9日中班调整E7号轨道巷通风系统由回风变为进风，调系统前取样化验E2805回风巷密闭内一氧化碳浓度（质量分数）为587×10-6，调整系统后密闭内一氧化碳浓度为0，9月9日夜班E区6号轨道巷W头密闭取样化验一氧化碳浓度（质量分数）为863×10-6。

从2014年1月17日至9月5日E2805采空区未出现一氧化碳超标，9月5日早班取样化验发现E2805回风巷密闭墙内一氧化碳浓度（质量分数）为372×10-6。图3是E2805运输巷密闭一氧化碳变化曲线图，图4是E2805回风巷密闭一氧化碳变化曲线图。

图3 2013年11月至2014年1月E2805运输巷密闭一氧化碳浓度变化曲线图

图4 2014年9月E2805回风巷密闭一氧化碳变化曲线图

5 M8号煤层自然发火原因分析

1）施工相邻工作面E2807综采工作面尾部斜坡采取将E2805尾部斜坡下平巷密闭启封，沿用原E2805尾部斜坡的方式进入E2807综采工作面，因E2805尾部斜坡上平巷密闭墙顶板不完好向E2805采空区漏风。图5为E2805尾部斜坡上平巷密闭漏风示意图。

2）E2805工作面回采期间只采M8号煤层下分层未回采上分层，导致采空区遗煤多，在长时间微弱通风的情况下导致遗煤被氧化甚至发热，温度及一氧化碳异常。

3）工作面采空区密闭施工结束后未对采空区实施防止自然发火的灌浆、注氮等相关预防性措施。

图5 E2805尾部斜坡上平巷密闭漏风示意图

4）E2805工作面回采结束后E1号瓦斯巷、E2号瓦斯巷内穿层抽放钻孔撤除封堵后仍有可能漏气。

5）矿井地压大，巷道失修严重，巷道变形围岩松动，闭墙气密性差。

6）通风系统调整打破采区均匀状态。

6 防治M8号煤层自然发火技术措施

1）M8号煤层采煤工作面开采过程中配风量必须严格按照配风计划和松藻煤电公司尾排批复文件进行工作面配风；M8号煤层采煤工作面末采或开采接近采止线时，有效风量应控制在500 m3/min左右，及时调整通风负压；M8号煤层采煤工作面支架及设备回撤过程中有效风量应控制在300 m3/min左右，及时调整通风负压。

2）M8号煤层采空区密闭墙应选择在围岩稳定的位置施工，密闭墙掏槽深度符合要求，确保密闭墙施工质量，提高采空区密闭气密性。

3）M8号煤层工作面回采期间应加强浮煤清收，减少采空区遗留浮煤，按照规定对M8煤层回采工作面采空区进行灌浆。

4）M8号煤层工作面采空区密闭施工结束后及时对采空区实施防止自然发火的灌浆、注氮等相关预防性措施。

5）M8号煤层工作面回采结束后及时对底板瓦斯巷道内穿层抽放钻孔撤除封堵后，在不影响矿井生产部署的情况下可直接对底板瓦斯巷道进行封闭。

6）对M8号煤层采空区密闭位置处巷道变形及围岩松动情况进行检查，发现问题后及时处理。

7）通风系统调整后，及时对M8号煤层相邻采空区密闭内外压差进行检查，保持密闭处于均匀状态。

7 M8号煤层采空区自然发火研究效果分析

通过M8号煤层采空区自然发火防治项目的开展以及项目研究效果的应用，对打通一煤矿M8号煤层采空区自然发火安全管理起到了一定的积极作用[2]。具体如下页图6、图7所示，可以全面、直观、清晰地展现M8号煤层采空区自然发火防治效果。

图6 2014年1月至3月E2805运输巷密闭一氧化碳浓度变化曲线图

8 结论

通过M8号煤层采空区自然发火防治项目的开展以及项目研究效果的应用，对打通一煤矿M8号煤层采空区自然发火安全管理工作起到了一定的积极作用，主要体现在以下几个方面。

1）在该项目开展工作中，通过对打通一煤矿井下M8号煤层采空区气体浓度参数分析、M8号煤层自然发火标志性气体鉴定、自然发火原因分析、采取预防性防灭火措施等工作，提供了M8号煤层采空区自然发火安全管理的参考依据，为今后M8号煤层采空区自然发火安全管理提供基础数据。

2）当M8号煤层采空区温度在30～200℃之间，可以选择CO作为该温度段内的标志气体。当通风量变化不大的情况下，CO浓度上升到日常量1倍时，说明自燃煤炭的温度已经达到100℃左右，只要发现M8号煤层采空区CO持续存在且浓度不断增加，出现煤炭自燃的征兆时，可对M8号煤层采空区采取自然发火预防性措施进行处理。