正旺煤业2号煤自燃机理及防治技术

2021-06-15武和平

煤 2021年6期

武和平

(孝义市应急管理局，山西孝义 032300)

据统计，我国国有重点煤矿中，存在煤炭自然发火危险的矿井占比达56%，而由于煤炭自燃引起的火灾事故在矿井火灾事故中的比例在90%以上。随着工作面生产能力的增大，工作面走向和倾斜长度增大，采空区漏风面积大，遗煤自燃的几率增大，给煤矿的安全生产造成了严重的影响[1-5]。

1 工程概况

正旺煤业21102工作面所采煤层2号煤，平均厚度2.3 m。该煤层为Ⅱ类自燃煤层，同时该煤层具有爆炸危险性，火焰长度为320 mm。工作面为刀把形，初始切眼长度为137 m，对接后的切眼长度为160 m。推进长度为697 m，工作面采用一次采全高走向长壁综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，最大控顶距5.4 m，最小控顶距4.6 m。工作面巷道沿煤层底板掘进，为矩形断面，规格为4.8 m×3.2 m(宽×高)，锚网索联合支护。

工作面通风方式为一进一回“U”型通风，运输巷进风，运料巷回风。工作面采用“三八”制作业，早班检修，中班和夜班生产，正常每天割煤5刀，进尺4.0 m，正常回采时的风量为750 m3/min。

2 自燃机理分析

2.1 煤炭自燃的特征

采空区煤炭的自然发火可以分为三个阶段，如图1所示。

图1 煤炭自燃发火三个阶段

1) 潜伏期。工作面开采后，在常温甚至低于常温下，采空区的遗煤与氧气接触，发生氧化反应，在煤体表面形成氧化物，煤的活性增强。

2) 自热期。在该阶段，采空区遗煤的化学反应速度加快，并且生成CO和CO2等气体，同时释放热量，随着热能的积蓄，温度逐渐升高，温度的升高又增加了煤炭的反应速度，当达到临界点温度时，煤体发生自燃。该阶段的主要监测对象是温度。

3) 燃烧期。该阶段内，煤体已经发生自燃，生成有大量的CO和CO2等气体，并且有明显的烟雾，甚至有明火出现。该阶段内可以通过监测O2或标志性气体的浓度来判断煤炭的自燃情况。

2.2 着火点试验

在21102运输巷中取样，实验室内利用碎煤机将煤样破碎，筛分出15～20目、35～50目、60～80目、90～110目、120～150目、160～190目和200目八组不同的粒径，编号为1～8。将不同的煤样置于恒温箱内烘烤5 h以上，温度保持在100 ℃，之后在坩埚内进行20～600 ℃的燃烧试验。模拟的空气流量为30 mL/min，O2和N2的比例为1∶4。采用DTGA法确定着火点，试验结果如表1所示。

表1 煤样燃点实验结果

由试验结果可以看出，2号煤最低着火点为364.2 ℃，相对较低，在一定温度下容易发生自燃。

2.3 吸氧量试验

将煤样破碎筛分为7～15目、16～20目、25～40目和45～70目四组，每组2份试样。采用的仪器为ZRJ-1 型煤自燃倾向性测定仪。取煤样1 g置于仪器内，分别进行两次吸附和脱附，吸附时间为20 min和5 min，脱附时间为2 min，分别计算实管峰和空管峰面积，试验结果如表2所示。

表2 吸氧量试验结果

由试验结果可以看出，2号煤的最高吸氧量为1.307 6 cm3/g，相对较高，在密闭不好的条件下容易发生氧化反应。并且随着粒径的减少，吸氧量存在一定的波动，不是简单的线性关系。

3 采空区气体变化观测研究

3.1 气体变化监测

工作面推进60 m时，在21102进风巷中布置5个测点，间距为35 m，利用束管监测系统进行现场实测。束管与地面气相色谱相连，利用气相色谱定期分析的方法对采空区气体中的成分进行分析。

其中4号测点的观测结果如图2所示。

图2 4号测点氧气浓度监测结果

由图可以看出，工作面推过后，氧气的浓度逐步下降。当工作面位于测点前方170 m时，采空区中的氧气浓度下降到18%以下。当工作面推过测点260 m时，采空区中的氧气浓度为7.341 9%.

3.2 温度监测

在21102进风巷中设置5个测温点，在实体煤帮施工钻孔，在钻孔中埋设热电偶，监测采空区中的温度变化。其中3号测点监测到的温度变化如图3所示。

图3 3号测点温度监测结果

3号测点的温度观测结果表明，在工作面推过后一段时间内，采空区内的温度变化较大，但总体呈上升趋势，最高温度可达43.19 ℃，工作面推过13 d即在工作面后方65 m左右，工作面温度达到稳定。

根据实验室实验，2号煤的煤样在35 ℃左右时监测到了CO气体，表明出现了氧化现象。因此高温区内有煤炭氧化的可能。

3.3 三带划分

根据21102工作面O2浓度的监测结果，并结合采空区温度变化特征，确定工作面采空区散热带的范围为工作面后方60～70 m，窒息带的范围为工作面后方265 m，中间氧化带的平均宽度为200 m，三带分布如图4所示。

图4 采空区自燃“三带”划分(m)

4 自然发火防治措施

4.1 采空区注氮

按如下公式计算采空区注氮量Q：

式中：Q0为采空区氧化带内漏风量，取8 m3/min；C1为采空区氧化带内平均氧气浓度，(18%～7%)，取12%；C2为采空区惰化防火指标，取7%；CN为注入采空区中的氮气浓度，97%；k为备用系数，取1.3。

代入计算可得，21102工作面所需的氮气量为780 m3/h。选用沈阳煤科院的DM-1000型注氮机，该注氮机以井下空气为原料，产氮量为1 000 m3/h。将该注氮机布置在采区轨道下山内，利用76.2 mm管路经工作面两个巷道向采空区内注浆，每隔30 m设置一个出气口。注氮方式为预防性间隔注浆，每天的注氮时间不小于2 h，但采空区监测到有自燃的标志性气体或其他发火征兆时，24 h不间断注氮，直至自然发火征兆消失。当工作面遇到断层等地质构造推进速度变慢时，应当延长注氮时间或连续注氮。

4.2 防火剂喷雾阻化

在工作面两巷内，向工作面喷射MEA 防灭火材料，该防火材料由灭火剂和发泡剂组成，使用时加水制成浆液利用注浆泵注入到钻孔中。操作流程如图5所示。

图5 MEA 防灭火材料工艺流程

在工作面上下隅角处，各布置3个钻孔，呈扇形，孔深6 m。工作面正常推采期间灭火剂的比例为7%，和发泡剂的比例为9%，工作面推进缓慢期间可适当加大灭火剂的用量。采用2BN50/1.5 型泥浆泵，额定流量50 L/min，管路为内径5 cm的钢管，初始注浆压力控制在0.9～1.0 MPa之间，当压力升至1.3 MPa时停止注浆，并对管路进行清洗。