晋牛煤矿采空区自然发火的防治

豆兵利

(山西晋煤集团临汾晋牛煤矿投资有限责任公司)

煤炭是我国的主要能源，煤炭产业的安全发展与我国的能源安全和经济发展关系紧密，矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，其中又以煤自然发火最为严重。煤炭自然发火主要发生在采空区等浮煤容易堆积的地点，这些地点隐蔽性好，有充足的氧气，热量容易得到积聚，不易察觉［1］。因此，研究和分析回采面采空区遗煤、漏风、气体成分、温度等参数变化，并采取经济有效的防灭火措施，提前预防煤自然发火，是矿井防灭火工作的重要内容［2-5］。

1 矿井概况

山西晋煤集团临汾晋牛煤矿投资有限责任公司由6个煤矿重组而成，设计年产量为90万t/a，可采煤层为2#、9#+10#+11#煤层。2#煤层大部分已于整合前开采，煤层厚度平均为1.10 m，距9#+10#+11#煤层最近79.06 m。9#+10#+11#煤层为矿井主采煤层，厚度4.24 ～7.30 m，平均 5.14 m，煤层顶板为K2石灰岩或泥岩，底板为泥岩、砂质泥岩，为全区稳定可采煤层。9#+10#+11#煤层开采时，最大绝对瓦斯涌出量7.38 m3/min，最大相对瓦斯涌出量3.90 m3/t，为瓦斯矿井。煤尘具有爆炸性，自燃倾向性为Ⅱ类，属自燃煤层。晋牛煤矿采用中央并列式通风系统，共布置3个井筒，主斜井、副斜井进风，回风立井回风，采用机械抽出式通风方式。为综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理顶板。

2 自然发火危险分析

2.1 自燃倾向性

根据资质单位鉴定，晋牛煤矿主采煤层的自燃倾向性属于Ⅱ类自燃煤层，具体数据见表1。

煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法(GB/T 20104—2006)中分类指标规定，煤样干燥无灰基挥发分Vdaf＞18%时，Ⅰ类容易自燃煤层吸氧量为Vd＞0.70 mL/g，Ⅱ类自燃煤层吸氧量为 0.40＜Vd≤0.70 mL/g。由此可知，晋牛煤矿主采煤层自燃倾向性虽属于Ⅱ类自燃，接近于Ⅰ类，煤自然发火防治工作应予以重视。

表1 9#+10#+11#煤层自燃倾向性等级

2.2 主采煤层自然发火标志气体确定

通过对晋牛煤矿主采煤层煤样的自然发火标志气体试验，煤自燃氧化气体主要有CO、CO2、C2H4、C3H6和C2H2等。

(1)CO。CO是煤氧化过程中出现最早的氧化气体产物，CO产生的临界温度约61℃，并贯穿于整个自然氧化过程。在245℃以前，CO气体浓度变化规律与煤温之间呈现出单一递增关系［6］;当煤温超过245℃以后，增长更加明显;458℃以后进入加速氧化阶段。

(2)C2H4、C3H6。C2H4、C3H6是煤自然氧化产生的主要烯烃组份，其浓度变化也是随煤温升高而增大。在煤的吸附气体中，没有C2H4气体组份。C2H4和C3H6气体其临界温度分别在159和208℃左右，产生C2H4后，煤样开始进入加速氧化阶段;C3H6的产生预示着煤自然氧化进入激烈氧化或燃烧。煤温在达到245℃以后短时间内升至458℃以上，预测预报煤矿井下自然发火过程中，应特别注意C2H4和C3H6的产生以及比重变化，以便在最有效的时间内进行采空区自然发火的治理工作。

(3)C2H2在煤氧化自燃后期是最主要的指标气体。晋牛煤矿主采煤层试验煤样在458℃时产生C2H2气体，浓度为 0.41×10-6。C2H2的出现说明煤开始激烈氧化或燃烧。因此，当出现C2H2气体时，采取措施时一定要谨慎，避免引发爆炸等灾害性事故。

2.3 煤自然发火的临界氧气浓度

煤自然发火与氧气浓度密切相关，氧浓度的变化决定了煤最终能否引发自燃火灾。

将试验煤样分别在 20.9%(空气)、10.0%和7.0%氧气浓度环境下进行自然发火模拟试验。伴随氧浓度下降，各自然发火指标气体产物浓度在某一温度时呈下降趋势。空气环境下(氧浓度为20.9%)，试验煤样 C2H4气体出现在159℃，CO、C2H4浓度快速增加;当氧浓度降到10.0%时，CO、C2H4的增长趋势受到一定抑制，说明采空区氧浓度降到10.0%时，煤的氧化受到阻碍，但煤仍会氧化甚至燃烧;当氧浓度降到7.0%时，试验煤样仍发生氧化，但试验过程中没有出现C2H2气体，说明煤样已不能引起燃烧。试验过程中检出 CO、C2H4、C3H6、C2H2时的煤温如表2所示。

表2 不同供氧浓度试验中主要指标气体组份检出温度

煤自燃氧化过程中，一个重要的热力学特性是煤温度的变化，煤氧化程度可以由煤温的变化直观体现，如1所示。

图1 自然发火模拟试验煤样温升

由图1可以看出，氧浓度为20.9%时，煤温曲线表现出显著的激烈阶段;氧浓度为10.0%时，也存在激烈氧化阶段，但煤氧化程度相对于空气条件下减弱较大;氧气浓度为7.0%时，煤温明显低于空气条件，且氧化程度更弱。

2.4 煤自然发火综合分析

由于9#+10#+11#煤层1303工作面是晋牛煤矿的首采工作面，据历史资料统计，井田范围内原矿井及周边矿井未发生过煤自然发火事故。后期开采过程中，井下风量和压力逐渐增大，会产生大范围采空区，采空区大量遗煤与氧气接触，发生煤与氧氧化反应，存在煤自然发火隐患。

(1)该矿采用放顶煤开采方法，采空区遗煤量大于一次采全高方法，并且采空区空间大，漏风量增多，回采过程中，存在本工作面采空区煤自然发火危险。

(2)回采工作面进、回风顺槽一次性掘出，服务时间长，受采动压力影响等，易发生小范围顶板冒落，这些地点氧气充足，漏风小，热量容易积聚，导致巷道顶部浮煤自燃。

(3)采煤工作面进、回风隅角在液压支架前移时，巷帮处遗煤不易垮落，且漏风通道通畅，容易发生煤自然发火。

(4)矿井开采后期，采空区逐渐增多，顶板压力主要集中在保护煤柱上，当煤柱支撑不住时，将被压碎，形成漏风通道，增加漏风，容易造成工作面周边采空区遗煤自燃。如封闭采空区积存有CO等毒害气体，受负压影响，将向工作面涌出，造成人员伤害。

3 自燃火灾监测措施

3.1 建立井下束管火灾监测系统

火灾的早期发现和监测是矿井火灾防治的前提，晋牛煤矿建立了地面型束管火灾监测系统，连续对回采工作面采空区、回风隅角、回风顺槽及总回风巷等地点进行监测，监测气体主要为O2、CO、C2H4、C2H6、C2H2等，根据色谱分析结果，及时预测预报井下火灾，保障井下作业环境的安全，预防井下火灾和瓦斯事故的发生、发展。

3.2 人工取样

人工取样是矿井常用的检测手段之一，具有灵活、便捷的优点，常作为束管监测的补充。由瓦检员利用取气袋，定期定点或不定期不定点进行取样，送至地面色谱分析实验室进行气体分析。

4 自燃火灾防治措施

(1)合理开拓。①合理进行巷道布置，减少煤柱留设，降低自燃隐患;②提高工作面回采率，减少丢煤，加快回采速度，缩短采空区暴露时间，尽快将采空区甩至窒息带;③掘进煤层巷道时，对冒顶区采用泥浆等进行充填;④对废弃巷道建立防火墙密闭，并定期检查密封性，要求防火墙不漏风，同时留设观测孔。

(2)优化通风。①风门、风墙设置在地质环境好的地点，避免引起采空区及周边煤柱裂隙漏风;②防火墙、密闭严控质量，定期检查，发现漏风裂隙及时维修;③降低工作面两端压差，减小采空区漏风;④同一地点两道以上风门不能同时打开，风门不能自动关闭时人工及时关闭，增加风流稳定性。

(3)灌浆防灭火。在回风立井附近设地面黄泥注浆站，利用制浆机制备泥浆，用管道经过回风立井、回风大巷、回风顺槽送到工作面，灌浆量为42 m3/h。由于煤层埋深较浅，自流灌浆不能满足泥浆输送能量要求，采用泥浆泵加压输送至井下回采工作面采空区。

(4)阻化剂防火。为预防采空区部分区域浆液难以覆盖遗煤，在回采工作面回采期间，从架间对采空区遗煤进行喷洒阻化剂，增加煤的惰性，降低遗煤氧化速率，进一步降低采空区自然发火危险程度。

(5)堵漏风防火。为减少采空区漏风，减小氧化带宽度，达到预防采空区自然发火最佳效果，在工作面进回风端头用蛇皮袋装矸石或土，在工作面进回风隅角进行堆积，阻挡风流向采空区流入，每推进30 m构筑一道堵漏风墙。

5 结语

综合运用火灾监测监控及各种防灭火措施，对晋牛煤矿煤自然发火起到了良好的预防效果，降低了煤矿自然发火危险性，促进了煤矿安全生产，保障了人员生命安全。

［1］罗海珠，梁运涛.煤自然发火预测预报技术的现状与展望［J］.中国安全科学学报，2003(3):79-81，1.

［2］刘 昭.风水沟煤矿特厚煤层采空区防灭火技术研究［D］.阜新:辽宁工程技术大学，2013.

［3］李静波.煤自然发火预测预报指标体系［J］.能源与节能，2012(5):5-7.

［4］张政源.综放工作面采空区自然发火因素模拟及防灭火措施［J］.煤炭科学技术，2013(S1):58-60，63.

［5］马尚权，朱建芳，蔡 卫，等.综放面采空区遗煤自然发火特性研究［J］.华北科技学院学报，2007(3):1-6.

［6］贺明新.铁法煤田煤层自然发火特性及综合防治技术［J］.煤矿安全，2012(2):43-46.