陕蒙矿区深部开采沿空侧煤自燃特性与分区防控方法

吴建宾，李 冬，张彦宽，拓龙龙，吴明明，孙风荣

（1.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010；2.鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017300；3.内蒙古昊晟煤业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017212；4.新矿内蒙能源有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

煤自燃容易引起其他次生灾害，常发生煤自燃的区域主要包括工作面后部采空区、破碎煤柱、高冒区和相邻采空区等。煤矿井下环境较为复杂，煤自然发火存在一定的隐蔽性，火源位置无法直接精准判定，给矿井防灭火工作带来了极大的困难[1]。

陕蒙矿区随着开采深度逐年增加，煤自燃危险性增强，特别是受防治冲击地压的影响，开采速度慢，自燃防治难度大。为提高煤炭回采效率，沿空留巷和沿空掘巷技术不断地被推广应用，成为很有效的开采方式[2]。按照预留煤柱的宽度可以将沿空掘巷分为：完全沿空掘巷、窄煤柱沿空掘巷和宽煤柱沿空掘巷等[3-4]。经过沿空掘巷后，原始应力的初始平衡状态被破坏，煤柱和巷道周围的煤体发生破碎，产生的大量裂隙增强了煤体间的漏风，甚至与相邻采空区发生导通漏风，长时间暴露在极易发生煤自燃的环境中，存在沿空巷道松散煤体和相邻采空区内遗煤发生自燃的可能性[5-6]。随着工作面向前推进，窄煤柱进入采空区后成为采空区遗煤，增大了采空区煤自燃的危险性[7-8]。

根据徐精彩[9]提出的采空区煤自燃“三带”理论，采空区内的遗煤在合适的氧气氛围和蓄热环境下，以一定的粒度和厚度堆积时，且时间超过最短自然发火期后容易发生煤自燃，该理论也适用于相邻采空区；文虎等[10]研究得到煤体的渗透率对采空区氧化带有显著影响，提出相应的措施治理沿空留巷煤自燃隐患区域；王洋等[11]通过氧气体积分数划分了沿空掘巷条件下，工作面在不同开采阶段时的相邻采空区内的煤自燃危险区域，提出了控制相邻采空区漏风和向采空区内分段注高分子材料的防灭火措施；金永飞等[12]分析了某矿工作面停采线附近的煤自燃现象，提出适合相邻采空区煤自燃治理的高分子胶体防灭火技术；郭春生等[13]针对阳煤一矿小煤柱综放工作面的相邻采空区由于漏风量大和遗煤多的特点，提出了小煤柱加固堵漏、加强监测和向相邻采空区充填无机防灭火材料等综合治理技术；吕志金等[14]针对22307 相邻采空区CO 体积分数异常，采取注液态CO2后效果不明显，采用SF6示踪气体测定了漏风通道。综上，针对营盘壕煤矿井下2-2煤的埋深超过700 m，矿压大，采空区内遗煤破碎程度较高，2202 工作面与2201 采空区中间留有窄煤柱，相邻采空区漏风严重的问题，通过对原煤和氧化煤采用煤自燃程序升温实验得到2 次氧化过程中的气体变化规律，加强相邻采空区煤自燃监测，提出相邻采空区煤自燃分区防控方法。

1 矿井概况

营盘壕煤矿位于鄂尔多斯市乌审旗纳林河矿区，距离陕西省榆林市约100 km，距离乌审旗城区16 km。含煤地层为侏罗系中下统延安组，全区可采的稳定煤层为2-2、3-1、4-1 煤层，煤自燃倾向性为Ⅰ类容易自燃，最短自然发火期约为47 d。

2201 工作面为2-2 煤层的首采工作面，其平均标高约为520 m，煤层顶板平均埋深约为715 m。2201 工作面走向长度为2 500 m，倾向长度为300 m，工作面宽度为10 m，高为4.9 m。工作面平均厚度为6.3 m，平均倾斜角度为3°，煤层结构相对简单，起伏变化不大。2202 工作面与2201 工作面相邻，2202 工作面与2201 采空区中间留有5 m 宽的保护煤柱。

通过工业分析仪对煤样的水分、灰分、挥发分等参数进行分析，采用其他实验得到全硫、真相对密度和吸氧量等参数。煤样的基本参数见表1。2202 工作面沿空侧概况如图1。

图1 营盘壕煤矿2202 工作面沿空侧概况Fig. 1 General situation of 2202 working face along goaf side in Yingpanhao Coal Mine

表1 煤样工业分析及煤自燃倾向性等级Table 1 Industrial analysis of coal samples and grades of coal spontaneous combustion propensity

2 煤自燃程序升温实验

在现场采集煤样，密封处理后送往实验室破碎并开展煤自燃程序升温初次氧化和二次氧化实验。

在实验准备阶段，将取至2201 工作面的煤样进行破碎处理，筛分出粒径为7～10 mm 的实验煤样。将实验煤样放入真空干燥箱中放置24 h 处理后，装入密封罐中待实验时取用。实验开始前，称取250 g实验煤样装入煤样罐中，同时以稳定的流量通入新鲜空气来去除煤样罐中的杂气。实验过程中，通入流量为30 mL/min 的新鲜空气，保证煤样和氧气充分反应，设置煤样罐内的升温速率为0.5 ℃/min。实验初始温度为20 ℃，每升高10 ℃抽取1 次煤样罐出口的气样，当温度升高至180 ℃时抽取最后1 次气样并终止实验。实验完成后，将抽取的气体通过气相色谱仪分析，得到不同气体组分含量。

3 沿空侧煤自燃特性

3.1 煤自燃气体变化规律

煤样氧化过程中的CO、CO2和C2H4体积分数随温度的变化曲线如图2。

由图2 可知，在氧化初始阶段开始产生少量的CO 和CO2；随着温度的升高，CO、CO2和C2H4体积分数不断增大，整体表现为原煤大于氧化煤；在90℃开始产生C2H4，呈现出原煤大于氧化煤。

图2 CO、CO2 和C2H4 体积分数随温度的关系曲线Fig.2 CO, CO2 and C2H4 volume fraction with the relationship curves of temperature

3.2 CO 气体产生率和耗氧速率

耗氧速率和CO 产生率是表征煤氧化特性的重要参数[15]，耗氧速率随温度的关系曲线如图3，CO产生率随温度的关系曲线如图4。

从图3 和图4 可见，2 次氧化过程中的耗氧速率和CO 产生率均在90～100 °C 时发生突变，说明在90～100 ℃前氧化煤强于原煤，在90～100 ℃后相反。这可能是由于经过原煤氧化反应后空隙中的水分减少，氧气与煤样的接触面积增大，故二次氧化实验前期氧化煤的耗氧速率和CO 产生率较快。而在氧化反应中后期，氧化煤的活性基团数量减少导致在二次氧化快速反应阶段的耗氧速率和CO 产生率较原煤偏低。

图3 耗氧速率随温度的关系曲线Fig.3 The relationship curves of O2 consumption rate with temperature

图4 CO 产生率随温度的关系曲线Fig.4 The relationship curves of CO generation rate with temperature

3.3 临界温度和干裂温度

临界温度和干裂温度可通过煤氧化升温过程中CO 产生率发生明显突变的2 个温度区域来划分[16]，2201 工作面煤样的临界温度和干裂温度见表2。

表2 2201 工作面煤样的临界温度和干裂温度Table 2 The critical temperature and cracking temperature of 2201 working face

从表2 可以看出，2201 工作面煤样2 次氧化过程中的临界温度范围为70～80 ℃和65～75 ℃，干裂温度范围为105～115 ℃和120～130 ℃。氧化煤相比于原煤的临界温度提前、干裂温度滞后。说明在低温阶段氧化煤相比于原煤更加容易发生煤自燃，自燃隐患更加突出。

4 沿空侧煤自燃分区防控技术

4.1 沿空侧煤自燃监测方法

采用人工检测、束管监测、安全监测和人工采样分析的方法对沿空侧煤自然发火情况进行监测，各种检测应遵循“三定”原则，即定点、定时、定人，以便于分析的准确性。

根据沿空侧巷道煤自然发火危险程度分段监测，主要监测采空区内气体变化情况。监测点为：

1）在沿空侧巷道内每隔50 m 施工1 个监测钻孔，沿空侧内有硐室处各添加1 个监测孔。

2）监测位置距离巷道底板1.5 m，监测孔贯穿窄煤柱延伸至相邻采空区，监测孔径为42 mm，用钢管作为保护内设束管取气。

在沿空掘巷期间，钻孔内主要监测到O2和CO体积分数，未发现C2H4和C2H6气体。钻孔内O2和CO 体积分数变化情况如图5。

图5 2202 工作面沿空掘巷期间钻孔内O2 和CO 体积分数Fig.5 O2 and CO volume fraction in borehole during gob-side driving in 2202 working face

由图5 可见，在6 月21 日至7 月18 日对监测孔取样分析表明2202 工作面沿空掘巷期间绝大多数钻孔内的氧气体积分数低于14%，整体呈现出波动状态，只有部分监测孔内氧气体积分数在短时间内较高，但对应的CO 体积分数都偏低，未见超过24×10-6。由此可知，窄煤柱在外界应力作用下破坏后容易形成大量裂隙漏风，导致相邻采空区内氧气体积分数偏高。

4.2 沿空侧煤自燃分区防控技术

根据沿空侧煤体破碎情况、松散煤体分布与堆积形态、散热条件、漏风与氧气环境等特点，参考学者们对沿空侧的危险区域范围划分[11]，结合营盘壕煤矿2202 工作面沿空掘巷期间的监测钻孔现场观测，沿空掘巷期间的煤自燃区域主要包括沿空侧巷道顶部、窄煤柱破碎区域和相邻采空区。沿空掘巷期间煤自燃危险区域等级和分类见表3。

表3 2202 工作面沿空掘巷期间煤自燃危险区域及等级Table 3 Dangerous areas and grades of coal spontaneous combustion during gob-side entry driving in 2202 working face

4.2.1 第一类自燃区域防灭火控制技术

1）对沿空掘巷期间的煤巷高冒区、顶煤离层区和破碎区采取充填堵漏措施，同时需加强巷道支护。

2）由于矿井埋深较大，在沿空掘巷期间矿山压力会使巷道发生形变，顶板和煤壁出现压酥和片帮等现象，形成一定破碎程度的松散煤体和漏风通道。对巷道表面采取半断面喷浆措施，喷浆范围为巷道沿空侧和顶板表面，喷浆厚度大于5 cm。以上措施能有效防治沿空侧裂隙漏风，减少松散煤体与空气的接触时间。

3）对相邻采空区开切眼靠窄煤柱侧提前采取注凝胶、胶体泥浆或高分子防灭火材料等措施进行提前处理。

4）加强矿井日常防灭火监测巡检，配备矿井防灭火应急技术装备，如液态CO2装备及快速打钻装备，发现异常后及时上报快速处理。

4.2.2 第二类自燃区域防灭火控制技术

1）在沿空掘巷期间，相邻采空区内靠煤柱侧约20 m 范围内每隔100 m 提前采取注凝胶和高分子防灭火材料等防灭火技术措施，形成胶体隔离带，以实现分段隔离堵漏风的目的。

2）对煤巷地质构造破坏区如断层带等地点提前注高分子防灭火材料处理，同时，需加快工作面推进速度。

3）加强矿井日常防灭火监测巡检，配备矿井防灭火应急技术装备，如液态CO2装备及快速打钻装备，发现异常后及时上报快速处理。

4.2.3 第三类自燃区域防灭火控制技术

1）清除沿空侧煤柱破碎区较为明显的浮煤并采取喷浆措施进行填充。

2）对相邻采空区内原煤巷硐室及溜煤眼提前采用沙袋和高分子防灭火材料填充，减少相邻采空区局部漏风量。

3）加强矿井日常防灭火监测巡检。

5 结 语

1）营盘壕煤矿2201 工作面原煤和氧化煤的临界温度范围为70～80 ℃和65～75 ℃，干裂温度范围为105～115 ℃和120～130 ℃，氧化煤较原煤的临界温度提前、干裂温度滞后。通过对比2 次氧化过程中的耗氧速率和CO 产生率，在90～100 ℃之前，氧化煤较原煤的氧化反应更剧烈，在90～100 ℃之后相反；说明在低温阶段氧化煤相比于原煤更加容易发生煤自燃，自燃隐患更加突出。

2）建立了沿空侧煤自燃监测的方法，通过施工钻孔贯穿窄煤柱延伸至相邻采空区监测其气体变化规律，做到相邻采空区的煤自燃超前预测预报、早期预防。

3）提出了陕蒙矿区沿空侧煤自燃的分区防控方法，构筑了喷浆堵漏、胶体压注、液态CO2降温等相结合的综合防灭火技术，实现对沿空侧煤自燃灾害的超前防治。