木瓜煤矿综采面采空区防灭火技术应用

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司木瓜煤矿，山西 方山 033100）

综采工作面采空区自然发火是威胁煤矿安全高效生产的重要因素之一。我国50%以上的矿井面临着采空区自燃的威胁，90%以上的矿井火灾由采空区自然发火引起[1]。采空区遗煤自燃将毁坏矿井设备、污染矿井风流、威胁人员安全并造成重大经济损失。因此，采空区自然发火的预防和治理对实现矿井的安全高效生产具有重要意义。为实现木瓜煤矿10#煤层的安全高效开采，针对10#煤层工作面采空区自燃问题，筛选出自燃标志性气体，用于指导现场煤自燃的预测预报工作；采取有效的防灭火措施，以提升煤矿的防灭火技术水平。

1 工程概况

山西霍州煤电木瓜煤矿位于方山县大武镇木瓜村南部，行政区划隶属方山县管辖，井田面积为10.63 km2，井田内地势西高东低，最高点标高+1320.1 m；最低点标高+979.0 m；最大高差341.1 m。井田内可采煤层为3#、5#、9#、10#煤层，目前主采9#和10#煤层，矿井年生产能力为150万吨。10#煤层位于太原组下部，与9#煤层平均间距为6.4m，煤层厚度为1.2～6.52m、均厚3.27m，在扩区东南部及西南部8#、9#、10#煤合并为一层，合并厚度3.30～6.52m，属全区可采的稳定煤层。10#煤层煤的吸氧量为0.65 cm3/g，自燃倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。

2 标志性气体分析

2.1 实验分析

采空区自然发火是由于采空区遗煤发生剧烈氧化反应，煤体与氧气发生化学反应后，会产生各种气体弥散在采空区空气中，因此可通过监测采空区内对应气体浓度的变化来判断采空区是否出现自然发火的现象。根据以往的研究表明，不同矿井的煤质成分差异很大，煤体自燃产生气体的种类和浓度也存在明显差异，因此不同煤矿采空区自然发火预测预报标志性气体不同，为准确监测、预测、判别10#煤层采空区自然发火情况，需对10#煤层进行升温氧化实验，确定其标志性气体。按照《GB482-2008煤层煤样采取方法》进行现场采样，并制成60～80目的实验煤样200 g，分别用磨口玻璃瓶保存，及时运至实验室进行煤自燃标志性气体测试。实验系统见图1。

图1 煤自燃特性综合测试系统原理结构

实验过程：取50g粒度60～80目的10#煤煤样放置在程序控温箱内，联结设备间的气路、电路，检查气路的密闭性，一切准备就绪后，打开空气压缩机上的三通阀，通过流量计向控温箱内通入流量为80 cm3/min的干空气，调节温度控制箱使控温箱内温度呈1℃/min的梯度增大，通过色谱分析仪观察控温箱内各类气体的浓度，由30℃为起点温度每升高10℃记录一组数据，控温箱实验温度最高为240℃，整理得到各类气体浓度随温度的变化规律见图2。

图2 煤样升温氧化指标气体浓度与温度关系曲线

2.2 数据分析

根据图2，分析如下：

（1）当煤样温度较低（低于100℃）时，各类气体浓度基本稳定不变，当煤样温度在110℃前后，CO浓度发生明显的转折点，且超过110℃左右，CO的浓度开始逐渐升高，O2浓度开始降低，说明此时煤样已开始缓慢氧化；当温度达到180℃以上时，CO浓度开始迅速升高，O2浓度开始快速下降，表明此时煤样进入快速氧化阶段。

（2）煤样温度达到180℃时，C2H4浓度发生明显的转折，浓度开始呈指数型上升，且此时氧气也进入快速下降阶段，C2H4是煤氧化分解及热裂解的产物，当煤样处于加速氧化阶段时，才会产生大量的C2H4，因此可将其作为判断采空区遗煤进入加速氧化阶段的标志性气体。

（3）本次实验未测到C2H2气体，但根据以往实验应用可知，一旦有C2H2气体的出现，表明应视为已出现明火或阴燃。

综上可知，通过监测采空区各种气体的浓度变化，当CO浓度开始变化时，表明采空区温度已达到110℃以上，当CO浓度迅速上升且C2H4浓度开始上升时，即说明温度已经上升到180℃以上，此时采空区遗煤的自燃发火进入了加速氧化阶段，可认为采空区已发生自燃。

3 监测预报系统应用

10-100工作面选用KSS-200C型矿井火灾束管监测系统。在地面进风斜井口附近设置地面束管监测机房，主束管（24芯）沿进风斜井向井下布置，沿井筒经+940水平辅助运输大巷及联络巷到达+940水平回风大巷，在回风大巷合理位置布置分路箱，每个工作面分出五芯束管，束管通过回风巷进入采空区，回风巷开口附近布置一芯束管，上隅角处布置一芯束管，采空区内布置三芯束管，间隔距离为50 m。束管监测系统在工作面布置见图3。

图3 采空区气体观测系统布置

10-100工作面应用上述束管监测系统，整理得到CO及C2H4浓度变化规律见图4。

图4 采空区CO及C2H4浓度变化趋势

根据图4可以看出，束管由5月22日进入采空区，10-100工作面每日推进2.4m，5月22日～6月15日期间，束管深入采空区0～55.2m，CO及C2H4浓度呈上下波动趋势，表明该期间采空区遗煤虽然发生氧化反应，但是由于采空区漏风热量散失的作用，采空区温度低，遗煤不会发生剧烈的氧化反应，不会发生自燃；6月15日以后，束管深入采空区55.2 m以上，采空区内CO浓度开始明显的增大，且C2H4的浓度也开始增大，表明此时采空区温度已达到180℃以上，采空区遗煤出现明火或阴燃，因此判断在距工作面大于55m的采空区内的遗煤会发生自燃。

4 注氮防灭火技术应用

采空区注氮可降低采空区内氧气的浓度，且具有一定的散热降温能力，通过大量的氮气可降低采空区“氧化带”内氧气浓度及温度，抑制遗煤的氧化反应，起到采空区自然发火防治的作用，因此确定采用注氮防止10-100工作面采空区的自燃。注氮管路：回风大巷内的制氮硐室→10-100进风巷→靠近10-10工作面下隅角的采空区。注氮管布置在进风巷下隅角，下隅角顶板垮落前铺设管路，出气口通过直径159 mm的钢管保护，注氮管采用直径50 mm的铁管，出气口通过钢丝悬吊在顶板上，确保注氮口距离底板0.5～0.7m，采用开放式方式，连续注氮，注氮压力为1.5MPa；当注氮孔深入采空区10 m后开始注氮，深入采空区70 m后停止注氮，重新埋设出气孔，出气孔及套管安装见图5。

图5 注氮管路布置

采用束管监测系统记录10-100工作面采空区CO浓度，整理得到图6。注氮后，CO浓度同比明显下降，前15天，束管探头位于氧化带内，注氮后CO浓度相比注氮前减小45%，监测15～30天，束管探头进入窒息带内，CO浓度相比注氮前减小约25%，CO浓度稳定在较低水平。由此可知，注氮后采空区内CO浓度明显降低，工作面进风侧埋管注氮对采空区遗煤自然发火起到较好的预防作用。

图6 注氮前后上隅角CO浓度变化规律

5 结语

1）通过对木瓜煤矿10#煤层进行煤样自燃特性实验室实验分析，确定CO、C2H4为采空区自然发火预测预报指标气体。

2）以10-100综采工作面为例，建立束管监测系统，监测、分析采空区内CO、C2H4的浓度变化情况；结果表明，距工作面55.2 m及以上的采空区内存在自然发火的危险。

3）采空区采用注氮防灭火系统，对采空区进行CO浓度监测，注氮后采空区内CO浓度明显降低；工作面的进风侧埋管注氮对采空区遗煤自然发火起到较好的预防作用，为工作面的安全高效生产提供了保障。