易自燃煤层首采面的煤火防治措施

魏 刚

(榆林神华能源有限责任公司，陕西 神木 719315)

0 引言

我国重点煤矿中的54.9%存在自然发火危险[1]，随着煤矿开采现代化、机械化进程的发展，煤火灾害问题日益凸显，严重影响了矿山生产安全。以某煤矿开采易自燃煤层的首采综采面51103工作面为例，首先进行煤自然发火判定指标优选，确定CO为煤自然发火监测指标，之后对工作面开拓及采煤方式进行分析，根据工作面特点对进回风进行优化，最后根据可能发生的采空区遗煤自燃采取防范措施，设计灌浆系统并对其材料、参数进行优化。

1 煤自然发火标志气体测定

1.1 程序升温气相分析联动实验

人工采取井下煤样，采样方法及采样步骤参照《GBT 482-2008煤层煤样采取方法》执行；取样后将煤样破碎，并进行筛分，煤样粒度小于0.15 mm，装入热解析仪并与气相色谱相连，进行热解析实验。实验设备采用程序升温气化进样联动气相色谱分析原理设计，其原理示意图如图1所示。将煤样放置在程序升温装置中，开启程序升温进程，煤体温度会逐渐升高，在不同温度下煤样与氧气作用生成的多种气体成分不尽相同。将煤氧反应生成的气体经由管路输送至气相色谱进样口，程序自动控制每隔15 min对气体进行一次检测，将检测到的结果记录后即可进行分析。

图1 实验设备原理示意图

实验开始后，程序升温装置按照预先设定的升温进程对煤样进行加热，具体升温程序见表1。煤氧反应后生成的气体通过气化进样装置进入气相色谱进行分析，每间隔15 min读取O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C3H6、C2H2等气体浓度值，并进行记录。

表1 升温程序表

1.2 煤自然发火标志气体优选原则

首先应当计算各气体在各升温阶段的浓度增率Ir

(1)

式中：Ir—标志性气体浓度增加速率，min-1；C1、C2—2次测定标志性气体的浓度；Δt—2次测量间隔时间，min。

比较各预选气体的Ir，选择Ir较高的(即随温度变化较明显的)气体作为煤自然发火标志性气体。在选取标志性气体时，应优先考虑CO、C2H4、C2H2作为标志气体，因为以上3种气体在一定程度上反应了煤的缓慢氧化阶段、加速氧化阶段以及剧烈氧化阶段且标志性明显[2]。

经分析，标志气体测定结论见表2。

表2 标志气体测定

因此，确定51103工作面缓慢氧化阶段(常温下)煤自然发火标志气体为CO。

2 煤自然发火防范措施

2.1 工作面布置及采煤方法

51103工作面为首采工作面，采用一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤方法，采高平均为5 m。巷道布置简单，由51103工作面胶运顺槽、51103工作面回风顺槽以及51103综采工作面构成。工作面相邻51104工作面为备采工作面，其巷道及51102工作面巷道布置已经完成，51103工作面胶运顺槽与51104工作面回风顺槽相邻且留有联络巷，51103工作面回风顺槽与51102工作面胶运顺槽相邻且留有联络巷。51103工作面巷道布置示意图如图2所示。

图2 51103工作面巷道布置示意图

2.2 通风系统的设计及优化

通风系统的良好设计对煤火灾害的防治有着积极的作用。在此对通风系统进行优化。

51103工作面通风路线为主(副)斜井→5-1煤主运(辅运)大巷→51103工作面胶运(辅运)顺槽→51103综采工作面→51103回风顺槽/51102回风顺槽→5-1煤回风大巷→回风立井→地面，由于51103工作面为首采面，因此通风系统漏风较少，便于管理。在此仅针对51103工作面及其相邻的51102、51104工作面巷道进行通风系统优化。

减小采空区漏风：严格按照《煤矿安全规程》的要求对工作面风量进行计算，防止冗余风量进入采空区，造成采空区遗煤氧化升温。

上、下隅角防漏风：工作面上、下隅角由于其特殊的位置，导致胶运顺槽的风流容易经由下隅角进入采空区，经采空区后由上隅角流出，形成风流回路。风流带出的CO、CH4等有害气体会对采煤工作面带来安全隐患，同时也加剧了采空区遗煤自燃。因此采取措施在工作面上、下隅角处悬挂风帘，防止采空区漏风。

设防火风门：在51103工作面胶运顺槽及回风顺槽设置防火风门，一旦发生火灾且形势无法控制时，可以关闭防火门，阻止损失扩大。

杜绝地面漏风：由于51103综采面开采的5-1煤层较浅，因此需在回采期间密切关注51103采空区地表塌陷情况，若发现异常，及时充填因采动地表产生的裂缝，杜绝地面漏风引起采空区煤层自燃。

2.3 灌浆系统的设计优化

51103工作面开采的5-1煤层为Ⅰ类易自燃煤层，需要对工作面设计安装灌浆系统。

灌浆系统类型的选择：灌浆系统分为集中灌浆和分散灌浆系统。集中灌浆系统便于管理，但其建设时间长，投资大，便于掌控。分散灌浆系统又可分为钻孔灌浆系统及移动灌浆系统，其特点是机动灵活，但管理难度较大。研究对象煤矿已经建立了集中灌浆系统，且首采的51103工作面位置关系便于利用灌浆泵站，因此选择使用集中灌浆系统。

灌浆材料的选择：对灌浆材料的性能应满足①比重2.4～2.8 t/m3；②塑性指数9～11(亚粘土)；③胶体混合物(按MgO含量计)为25%～30%；④含砂量为25%～30%(颗粒为0.5～0.25 mm以下)；⑤容易脱水和具有一定的稳定性。按照以上要求，选用FCJ12复合胶体胶凝剂混合黄泥浆进行浆液调制。

灌浆方法的选择：51103工作面采用埋管间歇式灌浆方法对采空区进行灌浆。事先在回风顺槽埋下钢管，随工作面推进，每间隔10～20 m进行一次灌浆作业，确保工作面开切眼(起采线)、运输巷、回风巷和停采线等4线的灌浆质量，进而确保采空区封闭质量，管灌浆示意图如图3所示。井下黄泥灌浆采用动压供浆。井下黄泥灌浆为专用的枝状管网，灌浆泥浆通过D159×8管道经1号回风立井压力至井下采空区。管道采用无缝钢管，管道连接方式采用卡箍式柔性管接头，各分支管设有闸阀以便检修。在井下采、掘工作面每50 m设注浆阀一个。

1-预埋注浆管；2-高压胶管；3-灌浆管；4-回柱绞车；5-钢丝绳；6-采空区图3 采空区灌浆管路布置示意图

灌浆参数的计算：在此主要对每日灌浆用土量Qt进行计算。

(2)

式中：Qt—每日灌浆所需土量，m3/d；G—矿井日产量，t；γ—煤的容重，t/m3；K—灌浆系数，取0.01。

3 煤火防范措施效果验证

测定CO浓度变化率作为煤体是否氧化升温的指标气体。根据2016年3月5日至2016年6月2日51103工作面CO数据的监测结果，绘制散点图，如图4所示。

图4 51103工作面回风顺槽CO浓度散点图

由图4可知，51103工作面回风顺槽CO浓度处于9～25 ppm之间，属于安全水平，说明51103工作面没有煤自然发火迹象，采取的煤火防范措施有效。

4 结语

对于易自燃煤层首采综采面51103工作面，首先通过程序升温联动气相色谱的方法测定了各预选指标气体的升温速率，确定了CO为遗煤缓慢氧化阶段监测指标气体，之后在通风系统优化、灌浆系统设计两方面布置了煤自然发火防治措施，在工作面实际回采过程中加以应用，最后通过对回风顺槽CO浓度监测结果的分析说明了采取的煤自然发火防范措施取得了良好的效果，对今后的采空区防灭火工作具有指导意义。