采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治机理与技术探究

黄立新

湖南省煤业集团嘉禾矿业有限公司 湖南 郴州 424500

1 引言

受到采场复杂性的影响使煤自燃拥有了很多的特性,煤自燃是一种煤氧完成复合放热的一个过程,本身就是一种放热效应,另外煤的温度随着放热性的升高而升高,这时产生的有毒气体会随着风的方向被精确定位,但是不能准确定位出现火情的位置,煤体本身在自燃的情况下会给控制火情造成一定影响,经过有关研究证明,温度在高达200℃的情况下,即使氧气不足也会产生复合反应,如果氧气在充足的情况下就可以在短时间内产生明火。为了有效合理的对煤与瓦斯自燃复合灾害进行防治,本文主要针对厚煤层中采空区煤层自燃发火防治方面的问题进行了研究。

2 复合灾害预测、预报技术

2.1 采空区煤层自燃灾害预测技术

(1)煤自燃的危险性预测。对煤层自燃危险程度的预测可通过自燃发火的等级来确定,煤自燃危险性预测的方法主要有统计类比方法、实验方法和综合评判的方法,统计类比方法是根据历史发生自燃灾害的数据,结合工作面实际工作情况来分析煤层的自燃程度。实验方法中常用的是色谱动态吸氧的预测,该方法是对煤样对氧气的吸附量来划分自燃性。综合评判方法是在大量研究资料的基础上,获取煤层发生自燃危险的影响因素,然后根据这些因素建立模糊数学理论,通过逐步聚类的分析来预测煤层发生自燃的危险等级。

(2)煤层自燃发火期的预测。对煤层自燃发火期的预测是通过还原现场、建立大型模拟实验台来进行,这样可以近似的还原现场的实际情况,但是这种实验成本较高、工作量大,所以很多研究学者一般采用数值模拟的方法来进行预测。

(3)采空区自燃区的预测。采空区自燃预测一般采用数值模拟和现场观测两种方法,根据现场氧气浓度的分布,将其划分为氧化带、散热带和窒息带,另外还可以根据漏风的风速将采空区分为不自燃地区和自燃地区,但是这种只能反应出采空区两巷的情况,不能全面反映出采空区自燃的情况。数值模拟是利用采空区温度场和氧浓度场来建立数值模拟方程式,依据煤炭自燃的传质来进行模拟分析。

2.2 采空区煤层自燃灾害预报技术 采空区煤层自燃灾害预报技术主要是根据煤层自燃的初期现象来判断自燃的一种灾害预报技术,目前主要分为指标气体法和测温法两类,采用的手段一般是通过工人的现场取样和采用矿井传感器来实现。

指标气体法：煤炭在发生氧化反应的过程中会产生一些气体产物,例如CO2、CO、Cm Hn等气体,根据这些气体产物可以反映出煤层自燃的程度。实时对这些气体产物进行监测,监测这些指标的种类、浓度和温度等参数来分析指标气体和煤体自燃之间的关系,这种方法主要用于矿井火灾的早期预报,相应的监测系统已经广泛使用,是一种有效的预报技术。

测温法：煤在氧化过程中可以对本身的温度和周边岩层的温度进行测验,这种测温方法主要通过对煤体和围岩温度变化进行测定,是发现煤自热和高温点的最直接方法,但是目前对煤体内部温度的测试技术还不够完整,现在常用测量仪器主要有温度传感器和红外线测温仪。

3 复合灾害防治机理

瓦斯和煤自燃两种灾害是相互影响和相互制约,从两种灾害的特性来观察,瓦斯灾害的发生需要氧气、瓦斯和引火源三者的共同作用,前两者是客观存在的,引火源主要为工作面的各种电气和机械设备的影响,采空区内部引火源主要没煤自燃的影响。煤矿对瓦斯的防治主要是通过各种措施来控制瓦斯的积聚,限制其达到爆炸的条件,但是在采空区内部是不能控制的,只能通过防治煤自燃来控制引火源。煤自燃需要同时具备四个条件,这四个条件分别为碎煤具有自燃倾向性、蓄热条件、供氧环境和氧化时间,对煤自燃防治主要是通过对时间、温度和氧气进行控制。

4 以预测、预报为主的复合灾害防治方法

4.1 控制漏风 随着工作面风量的不断提升,采空区自燃带的宽度也有了明显的提升,尤其是进风和回风侧的自燃带。所以在保证工作面用风需求的基础上合理控制工作面的风量。采用控制漏风的方法来减少煤体与氧气的结合,一般有封闭法、均压法和喷浆法。水泥喷浆的工作量比较大、抗动压的性能比较低,防火效果不理想；泡沫堵漏方法和水泥喷浆相比,其各方面的性能比较好,但是成本较高,另外在温度较高的情况下还会释放出有害气体；均压法又分为闭区和开区两种,闭区均压通过降低封闭区域的漏风来降低氧气的浓度,开区均压是通过减弱采空区四周的压力差来降低氧气浓度。

4.2 惰化防火 依靠惰性气体的方法来降低浓度可以有效的控制火灾的蔓延,常用的惰性气体有二氧化碳、氮气等以及一些惰性泡沫,采用惰性气体的方法可以迅速注入整个空间,降低氧气的含量,使发生火灾的地方由于缺氧而窒息。但是由于煤体的自燃热量高,灭火周期较长,所以效果不是太好,不能彻底的控制煤体的自燃,有时还会发生复燃的情况。

采用泡沫的主要好处是可以有效降低采空区的氧气浓度,产生的泡沫包裹煤体后可以隔绝与氧气的结合,缺点是持续的时间比较短,发泡性能比较差,成本也相对比较高。

5 结语

综上所诉,基于采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治机理的复杂性,对于采空区瓦斯和煤自燃复合灾害的防治焦点应集中对煤自燃进行控制,杜绝瓦斯爆炸的引火源,在煤体自燃方面,通过对煤自燃灾害的危险性预测、发火期预测以及采空区自燃区的预测,从控制漏风和惰化防火两个方面制定防火方法,以此来确定以预测、预报为主的复合灾害防治方法。