隆安煤业8号煤层自然发火特征及预防措施

杜海东

（山西煤炭运销集团忻州有限公司，山西 忻州 034000）

山西煤炭运销集团泰山隆安煤业有限公司位于山西省保德县城东南部即桥头镇北部，井田至保德县城约10 km。井田范围北至冀家沟村，南至桥头镇，西至吴家沟村，东至白家墕村。该煤矿位于黄河中游峡谷的东岸，井田的整体地势呈现出东高西低的趋势，最高位置的标高值是+1175 m最低位置的标高值是+911 m，最大标高和最小标高之间相差264m。该煤矿含有可采煤层4层，从上至下分别是8、11上、11下、13号煤层，现主要开采8号煤层。根据泰山隆安煤矿2016年9月2日采取的煤样经山西公信安全技术有限公司鉴定，8号煤层的自然发火倾向性等级为Ⅱ级，为自然发火煤层。

1 煤自然发火氧化气体产物特征与规律分析

此次研究利用煤自然发火模拟设备，针对煤炭在空气之中发生自然发火的规律性加以分析。在泰山隆安煤业井田中的多个地点采集8号煤层煤样，并将收集到的煤样进行混合，测试的参数主要为煤样不同自然发火阶段所形成的火灾气体种类和气体数量。

1.1 试验方法与试验装置

所采用的试验装置为煤自然发火模拟设备，见图1。该设备包含有煤样氧化升温加热炉装置、温控装置、自动记录装置、气体分析装置以及数据分析与处理装置等。在进行实验过程中，把所采集的煤样放置到加热炉装置之中，采取定量预热的方式，确保炉温能够稳定升高，而煤温也会随之升高，在煤加热自然发火过程中将产生一些标志性气体，通过取样装置输送到分析装置中完成气体分析工作，然后将分析的数据传输至数据分析与处理装置，进行数据的分析和处理，最终得到试验数据。

图1 自然发火模拟设备实物

1.2 试验条件

所选用的试样煤样为8号煤层煤样，煤样质量为10g，粒度不超过0.15 mm，设备的供气流量值为100ml/min；炉温为25℃～80℃时，温度上升速率为0.5℃/min；炉温为81℃～200℃时， 温度上升速率为1℃/min；炉温为201℃～300℃时，温度上升速率为2℃/min；气体取样的时间间隔设定为20 min。

1.3 煤自然发火气体测试数据分析

在煤发生自然发火过程中，需要经过三个时期，分别为缓慢氧化时期、加速氧化时期以及激烈氧化时期。在各个时期之中，相应的自然发火温度也有所不同，而且气体产物以及气体浓度均有所差异，可以通过不同时期气体产物的特征，来预测并预报煤炭自然发火的具体进程。

从试验数据来看，泰山隆安煤业8号煤层煤自然发火预测标志气体有CO、C2H4、C2H2等。

（1）CO气体

在煤炭发生氧化时，CO气体属于形成最早的一种煤炭氧化产物，而且CO气体还会存在于煤炭的整个氧化阶段，CO在煤炭自然发火过程中浓度变化具体数据见图2。

图2 煤炭自然发火时期CO浓度值和煤炭温度值关系

若是煤炭开采过程中，不考虑一些其它因素影响，比如原生煤岩体中没有CO气体赋存等，则CO浓度值在煤炭自然发火时期表现为随着煤炭温度值逐渐增加而增加。就试验情况来看，泰山隆安煤业井田之中煤炭形成CO氧化产物的温度大约为75℃左右，而且，当温度值在90℃之下所对应的CO浓度值均相对小。而在温度处于80℃～140℃范围之中，CO浓度值增速相对较小，当煤炭的温度值大于150℃之后，则CO浓度值便会呈现快速升高的趋势。依照这一特征便能够相对准确的对煤炭自然发火实际动态进行描述，从而可以有效的指导煤矿开采作业，确保能够及时的制定相应防治措施。

（2）C2H4气体和C3H6气体

C2H4气体为烯烃气体，此种气体只有在煤炭氧化过程中才能产生，通过实验得出，在煤炭吸附各个气体组分之中，并没有烯烃组分的存在，同时也没有发现导致烯烃气体产生的其它具体原因，C2H4气体和C3H6气体在煤炭自然发火过程中浓度变化具体数据见图3。

图3 煤炭自然发火时期C2H4浓度值和C3H6浓度值和煤炭温度值关系

从上图能够看出C2H4气体的产生数量和煤炭温度间存在的较为单一的关系，即随着煤炭温度不断的增加，C2H4气体的浓度也不断增加。C2H4气体开始形成的温度大约在170℃左右，在温度小于160℃情况下，未能检测有C2H4气体形成。所以，通过这现象能够看出，若是煤炭处在低温氧化时期，则便检测不到C2H4气体。

（3）C2H2气体

通过试验能够得出，C2H2气体形成于煤体自然发火的最后时期，也就是此时煤体的氧化非常激烈，已经趋向着火，同时根据试验情况来看，也只有处在此时期之中才会产生C2H2气体，C2H2气体在煤炭自然发火过程中浓度变化具体数据见图4。

图4 煤炭自然发火时期C2H2浓度值和煤炭温度值关系

能够将C2H2作为一种标志气体，实际测试规程中检测到C2H2气体形成，则表明了煤体处于激烈氧化时期，而且正向着着火方向发展。在对泰山隆安煤业井田煤样进行试验过程中发现，C2H2气体形成的温度区间为200℃～400℃。对于泰山隆安煤业井田来说，检测到了C2H2气体，则反映出了此位置处煤炭的自然发火温度值已经超过了200℃，很多情况下已经接近400℃，而此温度条件下煤炭已经临近燃烧，或者煤炭已经开始出现燃烧，而此时仅仅采用普通的应对措施无法取得有效的防治效果，要是灼热煤炭暴露于空气之中，则便会即刻引发自燃，所以，必须理解采取相应的措施进行治理。

2 阻化剂防灭火系统

2.1 阻化剂选择

现阶段，在煤炭开采时所使用的防灭火阻化剂材料多为工业氯化钙、水氯石、氯化钙、氯化镁、氯化锌、氯化铝、五氧化二磷、氢氧化钙以及酿酒厂的废液等。而其中以工业氯化钙以及水氯石所拥有的阻化效果最为优良，而且这些原材料的来源较为丰富，在储存以及运输过程中均较为便捷，使用较广泛。

在选择阻化剂材料的过程中，充分考虑货源问题、成本问题以及产品性能问题，为了确保阻化剂不会对煤矿设备以及一些金属部件造成较大腐蚀，而且不会对人体造成伤害，所以，在泰山隆安煤业阻化剂防灭火系统构建时，所选用的阻化剂材料为工业氯化钙。

2.2 气雾阻化系统与阻化剂喷洒系统选择

气雾阻化系统是将雾化喷嘴设置于进风隅角位置，然后利用喷嘴将阻化剂雾化喷出，借助于漏往采空区域气流，将阻化剂带至采空区域中，然后在重力以及静电等各种外力的作用之下，雾化的阻化剂便能够附着在浮煤表面，从而确保浮煤能够得以惰化。此种阻化系统相对来说技术简便，而且安全，成本较少。然而，气雾阻化剂需要利用采空区漏风，而大的漏风对采空区防火是不利的。

喷洒阻化系统则是借助于喷雾设备把阻化液直接的喷洒于煤体表层。此种方法技术更为简单，而且适宜应用在巷道、浮煤以及工作面之中，所以，正常回采期间，本设计选用在采煤工作面直接向采空区浮煤喷洒阻化剂。

2.3 工作面一次喷洒量

（1）工作面底板浮煤喷洒量

式中：G为按重量计算一次喷洒量，kg；K为喷洒加量系数，取1.2；d为松散煤的密度值，取1 t/m3；L为工作面长度值，为240 m；B为一次喷洒的宽度值，取1.2m；h为底板浮煤厚度值，取0.02 m；A为原煤的吸药液量，取47 kg/t。

将有关数据代入（1）式，则8号煤工作面一次喷洒量为：

G综=KdLBhA=1.2×1.0×240×1.2×0.02×

47=324.86 kg

8号煤工作面一次喷洒所需阻化剂用量为：

G阻=G×ρ=324.86×10%=32.49 kg

（2）巷道煤壁的喷洒量

式中：G0为喷洒范围内巷道所需溶液的喷洒量，kg；K为喷洒加量系数，取1.2；L0为喷洒巷道的长度值，8号煤取1500m；A0为巷道单位长度吸液数量，取3 kg/m。

则可以计算得出，8号煤层为：

G0=KL0A0=1.2×1500×3=5400 kg

顺槽巷道喷洒所需阻化剂用量为：

G阻=G0×ρ=5400×10%=540 kg

（3）阻化剂喷洒工艺说明

喷洒阻化剂在准备班进行，主要是在运输和回风顺槽煤柱侧喷洒，同时在每次移架前对支架和运输机之间进行喷洒。工作面底板若是存在底煤，则同样应当喷洒阻化剂。要是底板结构中不存在底煤，则要确保浮煤应当在回收作业前彻底被清理完，这样可以不喷洒。

3 结语

在煤矿开采过程中，不可避免的会发生煤炭自然发火问题，而若是出现煤炭自然发火问题，将会对井下作业人员的生命财产安全造成极大威胁。因此，针对这一问题，结合泰山隆安煤业8号煤层的实际情况，针对煤炭不同自然发火期的特征以及所形成的特有气体加以分析与试验，分别研讨了出现CO、C2H4、C2H2等气体情况下所对应的温度值，结合不同的温度对煤炭自然发火情况加以分析，从而及时的检测出可能存在的自然发火点，以采取有效的措施加以防治。结合上述试验数据，其对于指导泰山隆安煤业煤炭自燃的预测预报工作起到了重要作用，具体体现在下列几个方面：

1）借助于红外测温装置，定期的开展巡视工作，找出煤层高温位置，及时的采取有效措施防止发生自然发火问题。

2）采用钻孔测温方法进行辅助监测，针对顶煤破碎以及存在自燃隐患的位置，埋设长度为1.8 m左右测温管实时的监测该位置处温度情况。

3）由于煤炭处在低温氧化阶段会形成CO气体，同时通过上述实验得出，CO气体属于早期监测煤炭自然发火问题的敏感指标，尤其是在煤炭的温度值超过了150℃情况下，更易检测出CO气体，当监测到煤层之中的CO气体持续存在，而且其浓度一直在增加，则说明煤炭开始出现了自热现象并向着自燃方向发展，此时应当及时采取有效的防灭火措施。如此实际检测中发现空气之中存在C2H4气体，说明采区之中某位置处出现了温度超过160℃的自然发火位置，也表明了该位置处的煤体进入到了加速氧化时期，应当引起重视。当检测到了C2H2气体，表明煤炭已经临近燃烧，或者煤炭已经开始出现燃烧，应当即刻制定防灭火方案，尽可能的避免煤层出现自燃问题。