基于“三位一体”技术易自然煤层采煤工作面防自然发火技术分析

摘要：文章对本矿在开采己16-17煤层工作面易自然煤层采煤工作面防自然发火的“三位一体”技术进行了研究。通过“易自燃煤层‘三位一体防治自然发火体系构建”项目，对平煤股份九矿开采己16-17煤层自燃机理、预测预报技术、防灭火措施等方面开展研究，形成一整套预测预报和防灭火体系，更好地为煤矿安全生产服务。最终研究结果表明，通过“三位一体”防治自然发火体系，确定了己16-17煤层自燃预测预报敏感气体和指标，构建了平煤股份九矿“三位一体”易自燃煤层综合防火技术保障体系。

关键词：三位一体;易自然煤层;采煤工作面;防自然发火

中图分类号：TD752.2

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）09-0137-04

0 引言

平煤股份九矿设计能力21Mt/a，经产业升级改造和技术改造为90Mt/a，开采为甲组煤层和乙组煤层，其中易自燃煤层是己16-17煤层，采取综采工作面，如果发生煤层自燃，后果将非常严重。“三位一体”自然发火防治体系包括自燃机理、预测预报技术、防灭火措施3个主要模块[1]。本文主要通过实验室参数测试、现场数据收集、分析，并结合数值模拟与理论计算，构建九矿己16-17-22062工作面“三位一体”自然发火防治体系，制定开采防灭火措施，通过现场应用，进一步修改、完善防火方案，为今后矿井安全生产提供保障。2019年单年在工作面未发生一次火灾的前提下，九矿己16-17-22062工作面安全回收煤炭资源近30万t，产值超过1.8亿元。

1 己16-17-22062综采工作面概述

1.1工作面开采布置情况

己16-17-22062采面位于己二下延采区西翼，东起采区回风下山、皮带下山，西至井田边界，南部为已回采的己16-17一22041工作面，北部无采掘活动，上部为已回采的己16-17-22061工作面，下部无采掘活动;地面位置位于弹花锤山下部及西部，地面标高介于+130 - +160m，开采时对地面建筑物无任何影响;己16-17，一22062采面风巷标高介于-620 -655m;機巷标高介于-660 - -725m，切眼标高介于-620 -660m工作面平均走向长度为60lm，工作面采长126m，煤层平均厚度3m。开采煤层为己16-17煤层，煤层自燃倾向性为容易自燃，据重庆煤炭科学总院取样测定结果最短发火期为37d。

1.2工作面地质条件

本采面内地质构造较复杂。该工作风巷相邻边庄逆断层，受断层的影响，工作面次生断层较多，隐伏小断层发育，且工作面煤层赋存不稳定，煤层倾角、厚度及走向坡度变化较大，切眼上部15m范围内煤层倾角15°左右，以下煤层倾角在28°左右。结合己16-17一22062切眼分析，在切眼向前施工14m有一条逆断层构造，给回采带来一定影响。

2 影响采煤工作面自然发火因素

在对煤矿进行开采的过程中，经常会出现某些煤层较其他煤层具有更高的自然倾向性的现象[2]。这些具有自然倾向性的煤一旦发生氧化、升温、燃烧，便会引起该采煤工作面上的煤炭发生自然。从煤炭出现自然现象的必要因素进行剖析，影响采煤工作面自然发火的主要因素如图1所示。

2.1 采煤方法

易燃煤层采煤工作面的采煤方法影响采煤工作面自燃的主要表现为：煤矿采用的炮采工艺会在采煤的同时在采空区残留一定量的残煤，这些残煤为易燃煤层采煤工作面的自然发火提供了基础。

2.2 回采工艺

易燃煤层采煤工作面的回采工艺影响采煤工作面自燃的主要表现为：煤矿采用的炮采工艺会在采煤的同时将媒体高度破碎化，极大地增加了煤体表面积，进而使煤体更多的接触面与外界空气实现接触，加速了采煤工作面的煤料氧化，一旦采煤工作面的散热条件不达标时，较容易因升温过快引起采煤工作面煤料自燃[3]。

2.3 风速、风量

己16-17-22062下工作面停采阶段，己16-17-22062外工作面与采空区是相互连通的状态，己16-17-22062采煤工作面一旦与外界流过的新鲜空气进行接触，将大大增加采煤工作面煤层自燃的氧气条件。

2.4 推进速度

煤层工作面的推进速度快慢不同，则浮煤在采煤工作面的堆放时间和位置也会发生相应的变化，进而为采煤工作面的防自然工作带来威胁。

3 己16-17煤层自燃特征参数

3.1 测试煤的自燃倾向性

本实验记录的是煤层最短的自然发火期，实验在绝热的条件下进行，记录将煤从常温状态下进行缓慢氧化、自然升温再到加速氧化临界温度所需要的时间。根据建立的数学模型计算出煤样的最短自然发火期，通过差示扫描量热法计算煤样的放热速率[4]。本文利用重庆煤科院实验室做了煤层自燃倾向性分析。

3.2 实验内容及结果

取样地点：己16-17煤层，己16-17-22062工作面。

3.2.1 煤样自燃倾向和工业分试验结果

实验煤样自燃倾向和工业分析鉴定结果如表1所示。

3.2.2 煤样升温氧化试验结果

如表2所示为煤样升温氧化过程中浓缩度变化及其产物，临界温度为1640C[5]。

4 己16-17煤层“三位一体”易自然煤层采煤工作面

防自然发火体系构建

4.1己16-17-22062工作面煤自燃预测预报

在煤层开采后，根据煤自然进程中的升温和释放气体等特征，来判别其自燃状态并对自燃进行预警的技术称之为煤自燃发火预报技术。其在矿井煤层中占有重要地位，是火灾防治的关键，也是预防和处理矿井火灾的基础。井下煤层火灾预报的越及时准确，所需要耗费的人力和物力资源就越少，只要可以做到及时、尽早和准确的进行预报，就可以做到及时的防御，而且能够提高实效性，节约人力和物力，确保安全回采。

4.2 气体分析的火灾预测预报

经重庆煤科院实验室分析，煤样在30℃-200℃的氧化过程会有规律的出现CO和CO2，其浓度随着煤温的升高而升高。当温度在120℃是会出现乙烷，当温度在130℃时会出现乙烯，当温度在140℃时会出现丙烷，而且这些气体的生成量随着温度的升高而增多。当温度在70℃时开始出现一氧化碳，在温度比较低的环境中生成量比较小，当温度升高到110℃时，一氧化碳就开始增加，这就说明了煤已经开始快速氧化了。当温度在130℃时出现乙烯，说明此时煤已经和氧气发生了比较强烈的化学反应;当温度在30℃到200℃时没有出现乙炔，说明了此时的温度已经超过了200℃，如果出现了乙炔就说煤已经发生了强烈的化学反应。因此，一氧化碳可以作为煤样的指标气体，并且加上乙烯、乙烷和C2H8来辅助。当一氧化碳开始出现时说明煤已经开始发生氧化反应，当乙烯开始出现时说明温度已经大于130℃，当乙炔开始出现时说明温度已经大于200℃。煤的自燃阶段变化趋势可以赢一氧化碳来判断，当一氧化碳的上升速度比较慢时说明煤温小于110℃，反之则大于100℃。

4.3己16-17-22062工作面停采期间的防灭火措施

为搞好工作面停采、回收期间的防火工作，防止工作面自然发火事故的发生，确保在撤面期间的安全，特编制本措施。

1）在运输进风巷内，回采切眼以里50m处提前预埋一条注浆管路，做好注浆准备工作，根据现场情况，做好对工作面不同深度采空区的防火注浆工作。

2）在回风隅角每天采集气样进行色谱分析，做好采空区内的气体监测分析工作。

3）随时监测风隅角一氧化碳数值的变化情况（用监测传感器）

4）在工作面巡检的瓦斯检查员在工作时，可以用多功能气体检测仪器进行检查，而且需要将瓦斯检查深入到支架顶部的最里面，然后去检查一氧化碳、氧气和甲烷等气体的浓度，如果一氧化碳含量出现异常，就需要带回地面进行详细分析。

5）瓦斯检查员每班用CO检定器不间断检查工作面回风隅角及回风流CO浓度，严禁CO超限作业。当回风流中CO浓度超过24PPm时，必须停止工作，撤出人员，汇报矿总工程师及矿调度室采取措施进行处理。

6）通风队每天根据采空区气体变化情况，如果一氧化碳连续升高或者出现乙烯等标志性气体，就说明煤层有自燃的趋势，需要尽快采取防护措施。

7）工作面距停采线50m时，需要减缓煤的氧化速度，可以采取向采空区喷洒阻化剂，要坚持连续不断的在工作范围喷灑。

8）工作面停采、回收期间，及时将工作面风量下调至500_800m3/min，通过现场测试，在保证瓦斯及其它气体不超限的情况下，尽量减小工作面风量。另外，对全矿井通风设施全部检查、维修一遍，保证全矿井通风系统稳定。

9）采停工作结束后，需要及时的清理干净工作区域，尽可能的减少遗煤量，同时要大范围的喷洒阻化剂。

10）搞好注浆、注氮防火工作。根据采空区取样分析结果，对不同深度采空区实施大流量注浆或注氮，氮气浓度应保持在97%以上。

11）尽量加快回收速度。自工作面停采之日起，力争在30d内回收完工作面及两巷设备和有关物料，并封闭采空区。

12）回收期间工作面进风隅角使用好挡风帘，挡风帘要求吊挂严实，接邦接顶，以减少向采空区漏风。

13）封闭期间安排救护队员每班盯班闭工作。

4.4己16-17-22062工作面综合防火技术保障

4.4.1 注氮防灭火技术

造成自燃的一个主要原因之一就是采空区漏风。采空区一般是封闭或者半封闭的，有N2进入后空间内的混合气体增加，这样可以减少内外压力差，这样就可以减少封闭区域外部向2内部漏风的现象。图2所示为氮气防灭火机理与作用示意图。

4.4.2 注氮工艺和方法

己16-17-22062工作面采空区防火注氮采用埋管注氮工艺。

1）注氮口位置的确定。注氮口位置的确定取决于采空区氧化带的宽度[9]。根据前述工作面氧化自燃带宽度（7%<中02< 15%）为5l.OOm和以往防火的经验，注氮埋管按照40m的步距布置，注氮口埋设及释放口位置如图3所示。

2）埋管注氮工艺。采用错步埋管法预埋注氮管路。在进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路，管径为108mm的无缝钢管，当埋人40m后开始注氮，第二趟管路与第一趟管路的埋设步距为40m。当第二趟管路埋人采空区40m时，停止向第一趟管路注氮，开始向第二趟管路注入。同时，埋设新管路，在采停完成前一直这样循环[10]。注氮释放口应高于煤层底板400-500mm，以90°弯管转向采空区，与工作面保持平行，并用石块或者木垛等加以保护。

5 结语

综上所述，针对易自燃煤层采取综采开采工艺，一旦发生煤层自燃，则损失十分严重。本文构建了工作面综合防灭火技术体系，主要有：完善了工作面注氮系统，制定了注氮期间安全措施及日常管理措施;完善了工作面注浆系统，确定注浆工艺及注浆措施;编制了己16-17一22062工作面防灭火技术组织保障措施，有力保障综合防灭火技术体系的执行。

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作者简介：鄢耀（1986-），男，汉族，湖北宜昌人，大学本科，工程师，研究方向：突出矿井瓦斯治理技术，自燃煤层防火方面。