马兰矿10604 工作面采空区自燃预测及防灭火技术

彭建峰

（山西焦煤西山煤电马兰矿，山西 太原 030205）

1 工作面概况

马兰矿隶属于西山煤电集团，年生产能力为400 万t。南六采区10604 工作面开采的煤层属于二叠系下统山西组2#煤层，煤层厚度1.66～2.69 m，平均2.25 m，倾角为1°～8°，平均2°。煤层结构复杂，普氏硬度2.0，煤层属Ⅱ类自燃煤层，自然发火期125 d。工作面开采过程中需要对采空区遗煤进行自燃防治处理，尤其是停采期间的防灭火处理。

工作面的皮带巷和轨道巷走向长1709 m，倾斜长176 m，工作面面积为300 784 m2，地面标高1297～1411 m，工作面自身标高882.1～943.2 m，可采储量为801 617 t。工作面利用MG250/600-WD 型双滚筒采煤机双向割煤一次采全高，回采期间瓦斯绝对涌出量为20.48 m3/min，实测原始瓦斯含量为6.97 m³/t，工作面配风量为1320 m3/min。工作面回采全过程中需要揭露11 条断层，不同断层之间的总落差为0.6～2.6 m。其中F10604-01 断层落差1.4～2.5 m，该断层平移滑动，导致煤层局部变薄，对回采影响极大；F10604-04 断层落差2.6～2.0 m，巷道掘进揭露，由于该断层穿过整个工作面，断层面平移滑动，导致煤层变厚，对回采影响极大；F10604-09断层落差2.2 m，预计在回采工作面内延伸较长，对回采影响较大；其他断层对回采影响中等或较小，见表1。

表1 10604 工作面开采过断层情况

2 基于格雷哈姆系数R2 的煤自燃预报

本文所用的格雷哈姆系数指标是由来自英国的研究人员格雷哈姆在20 世纪初期提出的。这一方法根据煤炭在低温条件下与氧气作用时的耗氧量作为计算依据[1-5]，如公式（1）～公式（3）：

式中：R2是格雷哈姆系数，其代表着煤在低温条件下氧化时的耗氧量和CO 增加量之间的关系。如果煤层在自然存储条件下没有CO 含量，那么监测到的CO 含量就都是由煤炭发生氧化时生成，而且其生成量基本不受其他条件的影响。同时，由于该计算方法中考虑了耗氧量，因此工作面向采空区内部的漏风情况对其结果的影响能够被最大程度地忽略。可以看出，采用格雷哈姆系数方法预测采空区煤炭自燃精确性非常高。

由于10604 工作面埋深较大，因此其地热情况比较严重，所以需要考虑采空区煤体在相对较高的环境温度下自然发火的变化规律，其中最重要的就是要考虑环境温度对格雷哈姆系数R2的影响。利用程序升温实验对煤样氧化自燃过程中的耗氧量进行了测定，测定条件中将环境温度分别设置为20 ℃、30 ℃、40 ℃。其耗氧量根据测定仪器入口即空气中的含氧量和仪器出口的含氧量之间的差值确定，测定操作步骤如下：

（1）首先将煤样放置到低温真空干燥箱内干燥48 h，直至煤样质量不发生变化，使煤样内含水分完全消除；

（2）在仪器反应室（图1）中放入50 g 干燥后的煤样；

图1 反应室示意图（mm）

（3）检查完仪器管路的气密性后，向反应室中通入15 mL/min 的氮气，并将内部环境温度分别上升到20 ℃、30 ℃、40 ℃；

（4）把氮气阀门关闭，开始向反应室内部通入空气，流量仍为15 mL/min，当反应室内部的残余氮气排出以后开始对反应室进行升温，温度增加速度为0.8 ℃/min；

（5）环境温度每增加10 ℃测定一次出口处的氧气含量，直至上升到120 ℃停止实验。

耗氧量在不同环境起始温度条件下的变化情况如图2。可以看出，不同起始温度下的耗氧量变化规律比较近似，变化曲线整体呈指数形态，当温度增长至80 ℃以后，耗氧量均显著上升，说明此时煤样开始发生剧烈氧化自燃反应。

图2 不同起始温度条件下煤的耗氧量变化曲线

此处格雷哈姆系数的计算根据公式（2）进行，将CO 和O2的含量变化值代入公式后可以计算得到反应室内不同环境起始温度下R2随温度增加的变化特征，如图3。

图3 不同起始温度条件下煤样R2 值变化规律（左侧纵坐标为起始温度20 ℃的投影值）

由图3 测定结果可以看出，在三种起始温度条件下的格雷哈姆系数都随温度的增加呈现下降趋势，且起始温度越高，该系数的数值越小，其中初始温度为20 ℃时的系数值显著高于30 ℃和40 ℃。这说明当开采深度增加时，采空区内部地温及环境温度增加，那么采用该系数法进行遗煤自燃预测就需要适当降低预警值。例如，需要在采空区温度上升至70 ℃时发出遗煤自燃警告，如果地温或采空区内部初始温度为20 ℃，R2预警值可设置为11，即R2降低到11 以下时发出警报；当地温升高至40℃时，根据图3 的结果可以看出R2预警值应该设置为0.7，但如果仍然将R2预警值按照地温为20 ℃时设置为11，那么在自燃发生时就无法及时做出预警。所以可能出现在高地温情况下预警值仍然较高，无法及时预报；或者低地温条件下，预警值仍然较低，采空区内部并未发生遗煤自燃却仍然预警。

3 工作面停采时期的防灭火技术及效果

3.1 停采阶段防灭火技术

10604 采煤工作面生产过程中可能会出现停采的状态，此时是最容易发生采空区遗煤自燃的时期，需要对采空区遗煤氧化自燃进行实时监测，并设计防灭火方案。结合10604 工作面开采实际以及停采状况，提出了以实时监测采空区气体和温度、灌注凝胶堵漏为主，同时灌注三相泡沫的综合防灭火技术。具体步骤如下：

（1）利用束管采样法，对采空区内部气体成分每天3 次采样分析，利用矿井原有的监测系统对采煤面回风巷中的风流成分和温度进行分析，尤其是其中的CO 和CH4含量；每天利用气体采样器分别对工作面回风巷、工作面中部支架、回撤处进行采样，分析其中CO 和O2含量；每一个生产和检修班都对工作面上下隅角气体成分测定分析3 次，同时在上下隅角和中部支架处对采空区内部温度进行测定。如果发现温度异常升高或者CO 浓度超过2.4×10-5，则立即开始进行防灭火处理。

（2）在工作面进回风巷与采空区相交的位置分别设置一道厚度为6 m 的隔离墙，隔离墙内部灌注凝胶并对隔离墙外表面密闭。隔离墙砌筑时其墙垛宽度大于5 m，对隔离墙外表面进行喷浆处理，尽可能减少向采空区内部的漏风。在采空区内部的注浆管路采用预埋形式，向采空区内部灌注胶体及稠化砂浆。如图4。

图4 10604 工作面进回风巷隔离墙示意图

（3）当工作面停采时，将工作面的供风量降低至600 m3/min，同时持续监测采空区内部气体和温度变化值，如图5。一旦发现采空区内部有温度异常升高或者CO 等气体异常增加，则需要向采空区内部灌注三相泡沫灭火。

图5 停采线架间监测与三相泡沫示意图

3.2 防灭火效果

在采用了密闭隔离墙、灌注凝胶及稠化砂浆后，采空区内部并未发生温度异常增高的现象，同时CO 含量也相对稳定，如图6、图7。工作面回风巷内部温度基本稳定在30～35 ℃之间，CO 浓度低于1.5×10-5，没有发生异常增长。工作面上隅角处温度同样稳定在30～35 ℃之间，CO 浓度在0～2.0×10-5之间变化，虽然其变化比回风巷中更加强烈，但仍未超过2.4×10-5，说明采空区内部未发生遗煤自燃。

图6 回风巷CO、温度变化图

图7 上隅角CO、温度变化图

4 结论

格雷哈姆系数可以用于预测采空区遗煤自燃程度，通过在实验室测定煤样程序升温过程中的CO和O2变化值，得到不同起始温度下用于预测煤炭自燃的格雷哈姆系数预警值。起始温度越低，所用的格雷哈姆系数应该越高。利用综合防灭火技术以后，10604 工作面停采期间在回风巷和工作面上隅角都没有再出现过CO 浓度超标问题，温度也稳定在30～35 ℃。