文家坡煤矿采空区煤自燃隐患防控技术实践

2022-07-23杨剑，李帅，张园，金彦

陕西煤炭 2022年4期

杨剑，李帅，张园，金彦

(1.陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西咸阳 713500；2.西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安 710054)

0 引言

煤自燃是煤矿的主要灾害之一，不仅易造成人员窒息，还有可能造成爆炸等灾害事故[1-4]。由于综放工作面开采速度较慢，采空区遗煤多、一次冒顶空间大，导致采空区漏风严重，使遗煤自燃条件充足，对现场工作人员和人身安全造成巨大损失[5-7]。针对不同的开采工艺，应对其匹配不同的防灭火措施。煤矿井下常见的预防煤自燃的措施有黄泥灌浆[8]、喷洒阻化剂[9]、压注惰性气体[10]、堵漏风注凝胶[11]等。其中，惰性气体防灭火主要以液态CO2防灭火技术为主，该技术速度快，灭火能力强，灭火范围广，不会对环境造成污染，在高温蒸发后并不会与煤反应产生有毒有害气体，且液态CO2具有更广的覆盖率、更好的冷却抑制效果，阻燃抑爆效果更强。液态CO2灭火技术主要依靠CO2窒息、惰化隔氧、吸附阻化的作用进行灭火，且液态CO2在相变时需要吸收大量的热，能够达到冷却降温的效果[12-15]。

以彬长文家坡矿井4105综放工作面为工程背景，针对该工作面煤自燃隐患防控问题开展研究。结合现场实际情况，分析了隐患的成因及条件，制定煤自燃隐患的综合防控技术方案和监测监控方案，通过现场实施，验证方案的科学性和有效性，以期对类似条件工作面的防灭火工作提供一定借鉴。

1 工作面概况

4105工作面属文家坡矿业第2个综采放顶煤工作面，煤层埋深536.4～778.9 m，走向长度2 873 m，倾向长度200 m，平均厚度10.29 m。截至2020年12月，共计回采132 m，工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为2.91 m3/min。煤层自燃倾向等级为Ⅱ类，属自燃煤层，自然发火期3～5个月，最短34 d。

自2020年12月，工作面现场束管和人工采集气体抽测数据显示标志性CO气体数据处于稳定的缓慢增长趋势，并且气体体积分数逐步由0.010 8%上升至0.022%(超过额定预警阈值)。借由CO指标初步确定现场存在煤自然发火隐患，为减缓隐患发火进程，现场按照综合防火技术措施，依次采取正规循环推采(7刀/天)、横川堵漏和喷/注浆、悬挂风障、切顶放炮强制垮落、注液态二氧化碳与氮气，以及汽雾阻化剂喷洒等防灭火措施。依据现场反馈信息，煤体自然发火隐患得到了有效控制。

2 煤自燃隐患成因分析

根据煤氧复合学说，煤自燃的本质即是松散堆积的破碎煤体与空气中的氧气接触，发生煤氧复合反应，放出热量并积聚，使煤体升温达到燃点，进而引发煤自燃火灾。因此，采空区出现危险区域的前提即是满足浮煤反应放热量大于散热量。

依照4105工作面采空区的现场情况，隐患成因主要有采空区浮煤堆积、采空区内部漏风、推进度异常3方面。采空区浮煤堆积是由于现场顶板冒落高度大，平均浮煤堆积厚度为0.27 m，并且4日(12月3日—12月6日)未放顶煤致使采空区遗煤堆积量进一步增加，提供了煤自燃隐患所需的蓄热环境条件。在采动压力、地应力、爆破冲击等可能的外界条件作用下，4106回顺6#横川防水防爆墙漏风，并且下隅角悬顶距离长，致使现场采空区内部存在严重的漏风情况，为煤体自然发火隐患提供了必要的氧气供给条件。此外，年底检修以及煤炭滞销致使工作面回采周期延长，每日推进距离低于防火最低每日推进度要求，因此隐患区域内的煤体得到了足够的时间发生氧化反应。

3 煤自燃综合防控与监测监控方案

4105综放工作面防灭火采用注氮气、上下隅角堵漏、汽雾阻化、黄泥灌浆、在线监测与人工检测等相结合的综合防灭火措施，保证工作面的安全回采。

3.1 综合防控技术方案

3.1.1 循环注氮气防灭火

注氮管路沿4105运顺铺设两段间隔为30 m的管段，单根管段间隔50 m安装三通管段，待采空区垮落完毕后进行循环交替注氮。同时现场地面制氮站安装3套制氮设备，使用ZH-1300-98型地面移动式PSA碳分子筛制氮装置(每套制氮量为1 500 m3/h，总能力4 500 m3/h)，以便根据采空区指标气体变化情况控制注氮流量。

3.1.2 上下隅角堵漏

在4105工作面上隅角紧贴支架后尾梁施工一道0.3 m厚水泥发泡块墙体。紧贴水泥发泡块墙体外侧挂设一道风障，帮、顶吊挂完毕后底部风障利用矸石、煤渣或者其它重物将其压实，确保四周严密不漏风。在4105工作面下隅角紧贴支架后尾梁吊挂一道风障，帮、顶吊挂完毕后底部风障利用矸石、煤渣或者其它重物将其压实，确保四周严密不漏风。

3.1.3 汽雾惰化煤体

在4105设备列车处安装汽雾阻化泵(BZW160/12.5)2台，一用一备。沿运顺铺设高压胶管至工作面喷雾点，在喷雾点利用气雾发生器将药液转化为气雾向采空区喷洒(3.4 m3循环喷雾量及2.7 h的最小喷雾时间)。作为一种常规的煤自燃预防技术手段，汽雾阻化可以有效延长工作面采空区遗煤的实际自然发火期，为现场其他防灭火技术措施的实施提供时间保障。

3.1.4 灌浆防灭火

矿井现有2套黄泥灌浆系统，分别是LSL-100地面固定式灌浆注胶防灭火系统和机械搅拌灌浆系统，每套灌浆能力为100 m3/h(实际灌浆量需求为80 m3/h)。采煤工作面每推采80 m铺设最少一趟黄泥灌浆管路。管路铺设于采面后刮板输送机后部，紧贴刮板输送机溜槽外沿铺设。管路铺设长度100 m，每隔6 m留设一根花管进行灌浆。

3.1.5 液态CO2快速应急处置技术

考虑到现场已出现煤自燃隐患征兆，考虑采用注液态CO2治理火源，快速处理隐患。CO2防灭火装备主要由地面液态CO2槽车、矿用移动式液态CO2防灭火装置等组成。液态CO2由化工厂专用的液态CO2槽车运至矿工业广场，并逐次灌注到容量2 t的CPW-2.0型矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，然后将罐车使用胶轮车拉运至井下合适位置，通过相邻顺槽向采空区施工钻孔或利用注氮管路由下隅角向采空区灌注液态二氧化碳。矿用移动式液态CO2防灭火装置如图1所示。

图1 矿用移动式液态CO2防灭火装置Fig.1 Mine mobile liquid CO2 fire prevention device

3.2 煤自燃隐患监控术方案

采空区内部气体和温度数据是判定煤自燃隐患的重要参数，束管和光纤测温系统是较易实现的监测手段。虽然光纤测温在精准采集采空区煤温等方面存在一些不足，但其监测到的温度变化趋势对煤自燃隐患的判识有一定的参考价值。因此，本工作面煤自燃的监测监控工作，拟采用束管监测为主，光纤测温监测为辅的技术措施。在4105综放工作面现场实施过程中，在架后每隔80 m至少铺设一趟束管、测温光纤，用以监测采空区煤自燃指标气体及温度变化特征铺设示意如图2所示。具体为从监测系统主机引出6通道束管和1根感温光纤，6通道束管及光纤均沿回风巷侧帮铺设至工作面上隅角，束管沿工作面倾向布置，束管采样点分布在下隅角、30#架、60#架、90#架、105#架、上隅角，共计6个采样头，6个束管采样头分别与工作面预留6通道束管一一对应连接，通过监测主机对CO、CO2、CH4、O2、C2H4、C2H2等浓度及采空区煤体温度进行24 h连续实时分析。

图2 现场管束铺设示意Fig.2 Schematic diagram of on-site pipe bundle laying

3.3 防控措施效果分析

据前文分析，4105工作面采空区出现了煤自燃隐患的征兆，若不及时处置，可能会造成隐患进一步发展，极大地威胁工作面的安全开采。为此，在综合运用前述煤自燃综合防控技术措施的基础上，重点采用液态CO2快速应急处置技术措施，以快速降低采空区隐患位置遗煤所处的环境氧浓度，起到惰化煤氧化自燃反应活性的目的。同时，利用液态CO2相变吸热作用，可置换采空区高温点热能，快速有效降低煤温，起到降温延长实际煤自然发火期的目的。液态CO2防灭火技术的现场实施如图3所示。

图3 液态CO2井下灌注实施现场Fig.3 The implementation site of liquid CO2underground coal mine injection

此次隐患处置过程历经2 d，灌注液态CO2共计20.6 t，快速控制了隐患的进一步发展。通过现场多地点协同观测，在采空区向后6 m及上、下隅角布点设监测点监测CO及CO2指标浓度随时间的变化情况，对判定采空区煤自燃隐患的发展趋势以及防控效果意义重大。将具体的数据进行整理，并绘制曲线，如图4所示。

通过数据分析推断，自12月以来隐患区域煤体自然发火反应逐渐增强，1月6—7日实施综合防灭火措施后，束管-人工检测CO指标性气体数据反应现场隐患得到了有效扼制，回采工作面风险等级逐渐降低。并且由图4(a)可得，在注入液态CO2初期，工作面不同位置的CO浓度有所不同，尤其在上隅角墙内CO浓度可达到0.018%，上隅角墙外CO浓度可达到0.009%。由于注入CO2位置从外部进入内部，致使CO浓度整体偏小，随着液态CO2的进一步注入工作面的CO浓度进一步下降，且随着时间的增长，CO2在采空区能够充分扩散覆盖松散煤体，有效惰化了采空区遗煤氧化，致使工作面的CO浓度逐渐降低并趋于平稳。工作面外部CO含量仅有0.008%。此外，结合CO2的浓度变化可知，前期注入的液态CO2在工作面内的浓度逐渐增高，随着时间的推移，在工作面内不断扩散与煤体进行吸附，使得浓度有所降低，吸附反应阻断了煤与氧气发生反应生成CO，说明CO2能够降低采空区的环境温度，且能够有效抑制煤自燃反应。灌注液态CO2前后的参数比对见表1。