厚煤层综放工作面自然发火治理技术研究

张 斌 华 帅

（安阳市主焦煤业有限责任公司，河南 安阳 455141）

1 工程概况

安阳市主焦煤业公司位于安阳矿区北部伦掌乡内，产能60 万t/a。2308 工作面位于23 采区北翼，主要开采二叠系山西组下部二1 煤层，煤层厚4.0～6.5 m，均厚6.0 m，煤层结构简单，局部地区含2 层夹矸。工作面走向长678.8 m，倾斜长140.3 m。

2308 工作面采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤方法，采用U 型通风方式，上行通风，工作面有独立通风系统，新鲜风经工作面回入采区回风巷，通过风井排至地面，工作面风量为1050 m3/min。工作面绝对瓦斯涌出量为4.2 m3/min，原始瓦斯含量为5.864 8 m3/t，采用高位钻孔、埋管抽放或采空区抽放、浅孔抽放等方法防止瓦斯超限。煤尘具有爆炸性，爆炸指数19.26%。煤层自燃倾向性为Ⅲ类不易自燃。

2 2308 工作面煤自燃特性参数测试与分析

对主焦煤业23 采区2308 工作面进行煤样测试分析，测试结果见表1。

表1 工业分析测试结果

在实验室对煤样进行程序升温控制测试，得出2308 工作面煤层煤自燃预测预报指标：2308 工作面煤层工作面指标气体以CO 为主，高温之后辅以C3H8、C2H4、C2H2掌握煤炭自燃情况；CO 的出现说明煤已经发生氧化反应，C3H8出现表明煤温已经达到110 ℃以上，C2H4出现表明煤温已经达到150℃以上，C2H2的出现说明煤温至少已经超过220 ℃，此时应采取积极防灭火措施。

基于氧化动力学方法实验，得到2308 工作面煤样罐出口氧气浓度和交叉点温度分别为20.75 %和201.6 ℃，根据煤自燃倾向性综合判定指数计算公式计算得出了2308 工作面煤样氧化动力学判定指数I 为1 216.9，建立氧化动力学判定指数与绝热氧化时间之间的关系，计算得到该煤层的最短自然发火期为90.78 d。

利用热重分析仪对2308 工作面煤样进行不同加热速率条件下的热重实验，分析表明：实验煤样升温氧化过程可划分为失水失重阶段、氧化增重阶段、燃烧失重阶段，分析得出了实验煤样的临界温度、干裂温度、增重极值温度、着火温度和失重极大值温度等。

计算得到2308 工作面煤样的失水失重阶段、氧化增重阶段、燃烧失重阶段的活化能分别为38.78 kJ/mol、63.87 kJ/mol、114.31 kJ/mol。计算结果表明，2308 工作面煤样热重实验各阶段的活化能不高，自燃等级鉴定为Ⅲ级自燃，但是如果通风条件适宜且蓄热条件较好时，主焦煤业2308 工作面采空区浮煤与氧气的反应就会加快，使得热量集聚发生自燃，因此需要对2308 工作面煤自燃采取防火措施。

3 2308 工作面煤自燃综合防治技术

3.1 堵漏风防治采空区煤自燃技术

针对主焦煤业公司2308 工作面的实际情况，着重从漏风控制方面进行采空区煤自燃研究[1-2]，实现采空区漏风的有效处理。

堵漏风防治方案：随着2308 工作面的回采，在上下顺槽堆砌堵漏墙，堵漏墙用袋子装填矸石进行堆砌，袋子之间用矸石充填。每间隔5 m堆砌一座，厚度0.6 m，宽度为巷道宽度，增加采空区后部漏风风阻。为避免风流在上下隅角产生涡流，堵漏墙与回采方向成钝角，角度160°左右。堵漏墙在工作面上下顺槽的封堵如图1。

图1 上下顺槽袋墙封堵示意图

3.2 喷洒阻化液预防采空区自然发火技术

针对2308 工作面煤自燃的情况，采取喷洒阻化液预防采空区自然发火的技术方案，从阻化剂选择、防灭火系统选择、防灭火参数、喷洒工艺等方面进行论述。

3.2.1 阻化剂选择

试验表明：水玻璃、氢氧化钙、纯碱、小苏打、盐类（CaCl2、MgCl2）等阻化剂对2308 工作面煤样在空气下氧化有明显抑制作用和降低煤氧化活性作用。阻化剂溶解度曲线如图2。

图2 阻化剂溶解度曲线

综合分析矿井实际情况，选用在水中有较高溶解度、来源广泛、经济成本低的CaCl2，作为喷洒或注入2308 工作面煤层的阻化剂。

3.2.2 喷洒阻化液防灭火系统的选择

2308 工作面选用移动式喷洒压注系统，储液箱和注液泵安装在平板车上，放置在2308 工作面的平巷中，距工作面30 m 左右，经过输液管路将阻化剂输送到工作面进行喷洒。

3.2.3 喷洒阻化液防灭火参数的确定

1）喷洒阻化液时机及阻化液浓度和密度确定

阻化剂应每班喷洒1 次，喷洒阻化剂的作业人员必须站在顶板支护完好和上风侧方向的区域。煤炭自燃前随着缓慢氧化释放出热量，并释放CO、CO2、CH4等气体，自燃指标气体实验可得出2308工作面煤层煤自燃指标气体，根据现场指标气体浓度的变化增减喷洒阻化剂的次数及时间。阻化剂浓度暂定控制在20%，阻化剂密度为1.11 t/m3，后期可根据阻化效果进行调整。

2）阻化液喷洒量计算

2308 工作面阻化剂喷洒量应按式（1）计算：

式中：V为喷洒量，m3/d；Qy为吨煤用液量，一般取0.04～0.06 m3；η为工作面丢煤率，取7%；ρc为煤的容重，取1.4 t/m3；L为工作面倾斜长度，取140.3 m；H为工作面煤层高度，取6 m；S为工作面日推进度，取1.8 m/d。

将以上参数代入式（1）可得：V=Qy·η·ρc·L·H·S=0.05×0.07×1.4×140.3×6×1.8=7.425 m3/d。2308 工作面每日喷洒阻化液量为7.425×1.11=8.242 t/d=8242 kg/d，预计2308 工作面每日所需阻化剂为8242×20%=1648 kg。

3.2.4 阻化液喷洒工艺

阻化液喷洒工艺如图3 所示，自制2 个搅拌水箱，每个搅拌水箱容积在1 m3左右，阻化液喷洒泵和水箱都安装在平板车上，接通工作面的供水管路按比例加足清水，配成溶液搅拌均匀后，用阻化剂喷洒泵将阻化液沿顺槽和支架铺设的Φ25 mm 高压胶管压至工作面，与Φ13 mm 的胶管和喷枪相连。一台泵配一支喷枪，从支架间隙向采空区喷洒。

图3 阻化液喷洒工艺示意图

结合现场条件，选用WH-24 阻化剂喷射泵2 台，该泵具有体积小、重量轻、移动方便等特点。能够满足主焦煤业2308 工作面喷洒阻化液防灭火的设计要求。

3.3 注氮气防治采空区煤自燃技术

3.3.1 注氮工艺及参数设计

根据现场条件，2308 工作面回采过程中采用埋管注氮的注氮工艺，如图4。在工作面的进风侧沿煤壁埋设一趟4 寸钢管作为主注氮管路，从4 寸注氮管路上引出2 寸钢管作为支注氮管路，当2 寸注氮管路埋入采空区氧化带与散热带的交界部位时开始注氮，同时又埋入第二趟2 寸注氮管路，当第二趟2 寸注氮管口埋入采空区氧化带与散热带的交界部位时向采空区注氮，此时停止第一趟2 寸注氮管路注氮，重新埋设2寸注氮管路，循环至工作面采完。注氮口处先做木垛，高约1 m，然后将注氮管加入木垛空隙中。当停止第一趟2 寸注氮管路注氮时，回收第一二趟注氮管路之间的4 寸钢管。

图4 2308 工作面注氮管路

3.3.2 防火注氮参数设计

2308 工作面煤层自然发火等级为Ш 级，2308 工作面防火注氮方式选用间歇注氮。2308 工作面二1煤层防火注氮时机为：1）当上隅角出现一氧化碳且含量向上递增达到2.4×10-5时，立即注氮防火；当含量波动变化，只需达到2.4×10-5时，也必须立即注氮防火。2）当工作面旬推进度＜15 m 或月推进度＜50 m 时，必须及时注氮，至工作面推进度大于或等于防火合理推进度时停止注氮。3）当工作面测温地点的温度出现下列情况立即注氮防火：45℃≤采空区温度＜70 ℃，或40 ℃≤上隅角温度＜45℃。4）撤架时，只要进入采空区氧化带与窒息带交界处的煤炭达到发火期，无论工作面是否有发火征兆，均应及时注氮防火。5）巷道高温煤炭放入到采空区时，必须立即注氮，一直注到将高温煤炭甩入窒息带。

2308 面注氮口暂定为进风侧距离工作面40 m位置，制氮装置为DM-600 煤矿用移动式膜分离制氮装置，最佳注氮流量可选择为350～500 m3/h。根据2308 工作面现场注氮效果，可适当提高或降低注氮量。

4 治理效果分析

在2308 工作面接续2309 运输巷施工观测钻孔10 个，钻孔间距20 m，1#钻孔距工作面12 m 位置，2#～10#钻孔依次施工。2308 工作面煤自燃综合防治技术治理6 个月后，连续30 d 取钻孔气样进行分析。结果表明：2308 工作面采空区内CO 浓度在（0～4.5）×10-6范围，2308 工作面CO 浓度为0；2308 工作面采空区氮气浓度84.2%～90.4%，甲烷浓度0.24%～1.73%范围。综上所述，2308 工作面开采期间CO 浓度未出现异常变化，未出现自燃升温迹象，有效消除了浮煤的自然发火隐患，自然发火治理效果显著，保证2308 工作面开采安全。