辛置煤矿10-428B工作面自燃规律及防治措施

王小燕

(霍州煤电集团 辛置煤矿，山西 霍州 031412)

煤层自燃问题严重影响煤矿的安全生产。据统计，煤矿中自然发火的火灾次数占矿井火灾总数的90%以上，而采空区遗煤自燃发生频率最多，占总煤层自燃次数的60%[1]，因此，对采空区自燃规律的研究尤其重要。以辛置煤矿10-428B工作面为背景，利用现场束管检测系统，获得采空区氧浓度分布规律来划分采空区 “三带”[2]；据此计算出工作面推进临界速度，并提出预防性灌浆和注氮防灭火的技术措施防止煤体自燃，有利于工作面安全高效的回采。

1 工程概况

辛置煤矿10-428B工作面所采10#煤层厚度不稳定，煤层平均厚度2.6 m，平均倾角4°.工作面布置10-428B1和10-428B2两条巷道。10-428B1巷为运输巷，走向长度约883 m；10-428B2巷为回风巷，走向长度约774 m.工作面长240 m，采高为2.6 m，采用单一煤层一次采全高走向长壁后退式综合机械化采煤法，采空区采用全部垮落法处理。

2 采空区自燃指标气体的确定

取辛置矿工作面新鲜煤样并进行现场封装，将其研磨制作成60～80目粒度的实验煤样，放入控温炉膛内，同时安设温度探头。打开高压空气气瓶供气，供气量为80 mL/min；实验设定的升温速率为2 ℃/min；实验温度为16 ℃～30 ℃.恒温运行2 min，再把煤样管出气管连接到矿用气相色谱仪(GC-950型)中进行气体成分分析，得到气体浓度与温度变化曲线，见图1，图2.

图1 煤样升温氧化指标气体浓度与温度关系图

图2 C2H4/C2H6与温度关系图

由图1可知，随着煤温的升高，O2、CO、CO2、C2H4、C2H6均呈现一定的规律变化：

1)CO在30 ℃就出现。当煤温在30 ℃～70 ℃，CO浓度随煤温的升高变化不大；当煤温在70 ℃～110 ℃时，CO浓度随煤温升高稍有增大；当煤温超过110 ℃左右，CO浓度生成量呈指数规律增加。110 ℃可以作为CO指标气体浓度变化明显的转折点，即是判断进入氧化带缓慢氧化阶段的指标。

2)煤温在30 ℃时含有CH4气体，说明煤体本身含有CH4气体。从图1可以看出，煤温在30 ℃～80 ℃、80 ℃～130 ℃、130 ℃～180 ℃时，CH4气体量随煤温的增加而缓慢升高，煤温超过180 ℃，CH4气体量迅速增加。

3)为了便于观察，C2H4和C2H6的气体浓度扩大100倍。由图1可知，C2H4和C2H6分别在煤温达到120 ℃、180 ℃时出现，C2H4和C2H6浓度随着煤温升高呈指数型增加。只有煤进入加速氧化阶段，C2H4和C2H6才能大量迅速出现，即C2H4和C2H6的出现是煤进入加速氧化阶段的一个重要标志。通过上述实验数据表明，C2H4和C2H6是较好的指标气体。

4)从图2可以看出，在210 ℃时，C2H4/C2H6的比值达到最高值，说明在210 ℃时，煤的氧化已经进入激烈氧化阶段。

综上所述，根据实验结果分析，CO、C2H4/C2H6随着煤温的升高，变化更加剧烈，可以作为辛置煤矿10#煤样标志性气体，而CH4、C2H4和C2H6虽然也随着煤温的升高，产生剧烈变化，考虑到煤氧化过程中释放的 CH4、C2H4和C2H6气体一般来源于吸附气体释放、氧化产生等情况，烷烃气体宜作为煤层自然发火的辅助指标。只要在井下检测到烷烃气体浓度呈持续快速上涨的趋势，即可预报煤已自然发火，故可将其作为辅助参考指标。

3 10-428采空区自燃“三带”的测定划分

3.1 束管检测系统布置方案

10-428B工作面采用采空区束管监测系统能实现对煤炭自燃的连续监测。该方案分别在10-428B1巷和10-428B2巷分别布置一组束管，每组4根束管，每根束管布置一个测点，每组测点间距设计为15 m，测点外管路再延伸100 m，即距离工作面145 m处布置观测站，见图3.

图3 采空区“三带”观测系统布置示意图

3.2 监测结果及分析

随着工作面的不断推进，对采空区内的气体浓度及温度变化进行监测，得到不同测点的O2浓度随推进距离的变化曲线，见图4.

图4 氧浓度随距工作面距离变化曲线图

由图4c)、图4d)可知，进风侧测点氧浓度随距工作面距离变化情况，氧气浓度在距工作面28 m处下降到18%左右，在51 m下降到10%以下，所以可认为51 m以后已处于窒息带内。从图4a)、图4b)可知，回风侧测点氧浓度随距工作面距离变化情况，氧气浓度在距工作面32 m处下降到18%左右，在52 m下降到10%以下，所以可认为52 m以后已处于窒息带内。

综上所述，采空区距工作面大于28 m时，氧浓度小于18%；距工作面28～52 m时，氧浓度在18%～10%；距工作面大于52 m时，氧浓度小于10%.根据氧浓度划分的采空区“三带”：0～28 m为散热带，28～52 m为氧化带，大于52 m为窒息带。应用数值模拟方法，根据10-428B实际氧浓度、工作面推进等情况，建立采空区氧浓度几何模型，模拟出采空区氧浓度分布规律，见图5，模拟结果与实际监测结果一致。

图5 10-428B工作面采空区“三带”计算模拟图

4 采空区防灭火措施

4.1 工作面推进临界速度

10-428B工作面的散热带宽度为28 m，工作面平均推进速度为2 m/d，即工作面推进15 d后，采空区进入自燃带的范围。根据煤层最短自然发火期T和工作面的推进速度V0，可计算出工作面在最短自然发火期内的推进距离L0，即：

L0=T×V0

式中：

V0—工作面平均推进速度，m/d.

工作面采空区内散热带与氧化带的宽度之和L小于L0的区域，浮煤不会发生自燃。散热带与氧化带的宽度之和L大于L0的区域，浮煤有可能发生自燃，采空区内长度L～L0的区域即为采空区氧化自燃危险区域。

根据采空区散热带与自燃带的宽度之和L和煤层实际最短自燃发火期，可推算出工作面安全推进速度VA，即：

VA=L/T

当工作面的推进速度V≥VA时，采空区浮煤就不会发生自燃。对于10-428B工作面，通过煤层自然发火试验可知，最短自然发火期为T=20 d，工作面的临界推进速度为：

V=L/T=(LA+LB)/T=2.6

式中：

L—自燃带的最大宽度，m；

LA—散热带的宽度，m；

LB—氧化带的宽度，m；

T—最短发火期，d.

对于10-428B工作面10#煤层来说，当工作面推进速度小于2.6 m/d，采空区有自然发火的危险，应采取相应的防灭火措施；工作面推进速度大于2.6 m/d时，应加强采空区气体检测，根据化验气体情况，采取相应的措施。

4.2 灭火措施

1)灌浆防灭火。

2-208回采工作面移动注浆泵站安设在2-208副巷泵站附近。注浆顺序为：移动注浆泵站→2-208副巷→2-208上隅角→采空区。

注浆方法：灌浆方法采用踏步式埋管灌浆，即随着回采工作面推进向采空区内埋管道进行注浆，以充填采空区空隙，覆盖采空区遗煤，减小采空区漏风量，防止采空区自燃。采用上隅角插管向采空区注浆，注浆步距为4.0 m.注浆时一旦发现溃浆，立即停止注浆。

2)注氮防灭火。

氮气是一种良好的惰性气体，空气中氮气含量越高，氧气含量越低。当氧气含量控制在5%～10%时，可抑制煤炭的氧化自燃；当降至3%以下时，可以完全抑制煤炭等可燃物的自燃与复燃。将氮气注入采空区中，使其渗入到采空区冒落区、裂隙带及遗煤带，可以有效降低氧气含量，形成氮气惰化带，达到抑制采空区自燃和安全开采的目的。

5 结 论

1)通过程序控温箱、气体分析仪等实验仪器对工作面所采集的煤样进行升温过程中气体浓度的测定，确定了CO、C2H4/C2H6为辛置煤矿10号煤样的标志性气体，将CH4、C2H4和C2H6等气体作为煤层自然发火的辅助指标。

2)通过建立现场束管检测系统，获得采空区氧浓度分布规律得到采空区“三带”：0～28 m为散热带，28～52 m为氧化带，距离工作面52 m后为窒息带。

3)根据采空区“三带”分布计算得出工作面推进临界速度为2.6 m/d，通过预防性灌浆和注氮防灭火的技术措施能够有效地防止煤体自燃，有利于工作面安全高效的回采。