1308工作面自然发火规律研究及预控措施

曲 柱，胡强强，孙庆鹏

(1.济宁市金桥煤矿，山东 济宁 277000； 2.山东鼎安检测技术有限公司，山东 济南 250000)

矿井火灾尤其是煤体内部自然发火是影响矿井安全生产的重要因素。煤体自然发火一般发生在采空区内，尤其是综放工作面，采空区内存在大量遗煤，有自燃倾向的煤层在浮煤集聚温度升高后会出现遗煤自燃现象,为保证工作面安全回采，本文以金桥煤矿1308采煤工作面为例对采空区自然发火规律进行研究。

1 工作面概况

金桥煤矿1308 工作面位于-430 水平的一采区，是该矿采用综放开采的首采工作面。工作面倾向长60～126 m，走向长489～537 m，南距西翼皮带大巷 50 m，北部以冲刷带为界，两侧均为3煤的未采动区。工作面上方为 1308上工作面 3煤上分层采空区，采空区倾向长度为 50 m，走向长度为 470 m. 采空区内有上分层开采时的遗煤，加之上分层开采过程中未铺网制造人工假顶，因此，1308工作面在开采时有采空区自然发火的危险。另外，金桥煤矿2305轨道顺槽在掘进过程中发生过自然发火情况，因此需对1308工作面采空区自然发火规律进行研究，并采取必要的措施消除安全隐患。

2 1308工作面煤层自然发火规律研究

2.1 自然发火标志性气体分析

利用山东鼎安检测技术有限公司发明的煤层自然发火标志气体色谱分析及指标优选的测定装置对1308工作面煤在氧化升温过程中产出的指标气体、温度进行实时检测。检测到煤氧化升温过程中的标志性气体浓度及临界温度见表1. CO、C2H4浓度变化曲线见图1.

由表1可知，金桥煤矿3煤层煤样瓦斯吸附量较低，随着煤温的升高，其吸附气体的释放量变化不明显。常温到153 ℃，C2H4、C2H6、C3H8、C2H2、CH4和C2H6均微量出现，持续在20×10-6以下，超过153 ℃后上升幅度才有明显增加。

煤样C2H4发生的临界温度为106 ℃. C2H4气体在106 ℃时开始释放，释放量较少，仅为0.16×10-6，当到达153 ℃后，C2H4气体浓度增加到2.58×10-6，增加了16倍，C2H4释放速率明显加快，表征煤样进入加速氧化阶段。由此可见，金桥煤矿的3煤采空区如果发现C2H4气体，则采空区温度将在106 ℃以上，超过153 ℃以后，其氧化速度变化加快，有发火危险。

表1 煤样升温氧化过程中气体浓度及临界温度表

图1 CO、C2H4随时间变化曲线图

2.2 最短自然发火期分析

1) 煤样比热分析。

对1308工作面煤层不同温度条件下的煤样进行比热试验，其结果见表2.采用表2数据对1308工作面煤样进行自然发火期解算。

表2 不同温度条件下的煤样比热表

2) 煤层最短自然发火期数学模型。

(1)

式中：

τ─ 煤层最短自然发火期，d；

ΔWp─ti、ti+1温度段内煤样的水分蒸发量，%，由于煤在常温到90 ℃的水分蒸发量较小，所以近似认为水分的蒸发主要在90 ℃～120 ℃完成。

λ─ 水蒸发吸热，J/kg；

Q′─ 瓦斯解吸热，J/m3；

Δμp─ti、ti+1温度段内煤样的瓦斯解吸量；m3/kg；

q(ti)、q(ti+1)—煤样在温度为ti、ti+1时的放热速率，J/kg·min.

煤样在不同温度下的吸附瓦斯量按式(2)计算：

(2)

式中：

n─ 系数，可用式(3)确定：

(3)

式中：

P─ 瓦斯压力，kPa.

3) 解算结果。

最短自然发火期计算表见表3.

表3 实验煤样最短自然发火期计算表

根据煤样升温氧化试验结果，采用最短自然发火期模型解算得，1308工作面煤样最短自然发火期为66天。

2.3 采空区自燃“三带”现场观测

1) 测点布置。

1308综采工作面采用采空区埋设温度传感器和束管的方式进行温度和气体监测，见图2. 在进风巷和回风巷分别布置3路(1#—3#、6#—8#)监测管路、工作面架后1308上工作面两顺槽下方内切10 m左右布置2路监测管路(4#、5#)，每个监测点都安设温度传感器和束管装置，并将其放入钢管和高压软管中加以保护，以防被冒落的岩石压坏。随着工作面的推进，温度传感器和束管都将埋入采空区，通过传感器每天的读数和束管系统的气体分析数据掌握采空区内的氧化情况。

图2 1308工作面采空区自燃“三带”观测管路布置图

2) 监测数据分析。

因监测时间与监测长度等因素的限制，导致1#—3#和7#、8#测点未监测到进入窒熄带的数据，因此仅对4#、5#测点的监测数据进行分析，数据变化情况见图3，4，5.

图3 4#、5#测点温度变化曲线图

图4 4#、5#测点CO浓度变化曲线图

图5 4#、5#测点O2浓度变化曲线图

由图3可知，4#、5#测点的温度整体变化趋势为缓慢增加，由最初的27.27 ℃、27.87 ℃升高至30.08 ℃、30.21 ℃，而后温度趋于稳定并有缓慢下降趋势，该最高点温度对应观测点距工作面63.87 m、65.6 m.

由图4可知，4#、5#测点的CO浓度在工作面推进20 m左右开始出现，随后产生速率急剧增加，到距离工作面60 m左右达到最大值，其浓度为77.31×10-6，随后开始下降。

由图5可知，4#、5#测点的O2浓度降低较为明显：4#测点在推进至15.3 m时，O2浓度就下降到了17.07%，进入了氧化带，在推进至工作面62 m时，O2浓度就下降到了9.65%，进入了窒熄带；5#测点在推进17.7 m后，O2浓度下降到17.40%，进入氧化带，在推进至工作面65.6 m时，O2浓度就下降到9.81%，进入窒熄带。

3) 采空区自燃“三带”范围确定。

采空区自燃“三带”分布规律见表4. 由表4可以看出，采空区内部的散热带在15 m左右，氧化带长度均值为47.3 m，但在实际计算过程中取二者中较大值，即氧化带长度为47.9 m.

3 预控措施

3.1 提高推进度

加快工作面的推进速度、实现工作面的正常推进，是综放工作面防治自然发火的手段。因为随着工作面的推进，氧化带和窒熄带也不断前移。工作面推进速度越快，采空区遗煤处在氧化带的时间越短，没有足够的时间氧化、聚热，发生自燃的危险就将降低。因此，根据所得采空区自燃“三带”分布规律，综合工作面的实际情况，计算出最小推进速度对于防止采空区自燃具有重要指导意义。

表4 采空区自燃“三带”分布规律表

1308综放工作面的最小推进速度按照式(4)确定：

(4)

式中：

V—工作面最小推进速度，m/d；

K—安全系数，根据工作面遗煤量、地质特点等因素综合判定；

L氧—采空区自燃“三带”中氧化带长度，m；

Tmin—煤层煤样的最短自然发火期，d.

氧化带长度以4#、5#测点中较大值确定，选取47.9 m.

1308工作面位于1308上工作面的下方，工作面及两巷位置有部分重合，工作面内暂不存在断层和陷落柱等地质构造。工作面在推进过程中，切眼及两巷变坡点、1308上工作面两顺槽下方等区域，遗煤量较大，自然发火隐患较大。综合以上因素，选取安全系数K=1.8.

根据金桥煤矿1308采煤工作面煤样最短自然发火期实验，3煤层的最短自然发火期为66天。

代入数据，得：V=1.31 m/d

可以得出：在工作面长度为126 m左右，采高为2.8 m，放高2.8～5.7 m时，金桥煤矿1308综放工作面正常生产条件下的最小推进速度为1.31 m/d.

3.2 注氮防灭火

向采空区注入氮气时，应准确确定采空区氧化带的位置和宽度，将氮气释放口放在氧化带。如果将氮气释放口放在窒熄带，即氧气浓度低于10%，不需注氮也不会造成煤炭自燃。如果氮气释放口在采空区的散热带，散热带内存有微量漏风，氧浓度在18%以上，即使注氮设备正常运行，也可能只是空运行。1308工作面氮气释放口应安设在采空区进风侧35 m以后。因此,在采空区内预埋注氮管路，注氮孔每35 m设置一个，对采空区内进行注氮以降低氧浓度防止自然发火。

4 结 论

1) 首选的自燃标志气体是CO，可采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标，结合C2H4相对量进行自燃状态预测预报。尤其是CO气体浓度和C2H4气体浓度出现快速增长时，遗煤氧化速度变化加快，有发火危险。

2) 1308工作面煤层最短自然发火期为66天。

3) 1308工作面采空区散热带长度为15.6 m，氧化带长度为47.9 m.

4) 通过提高推进速度和注氮预防采空区发火，工作面最小推进度1.31 m/d，注氮孔每35 m设置一个。