新维煤矿自然发火分级预警技术

韩晓极

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

矿井火灾作为煤矿开采过程中的五大灾害之一，长期制约着我国煤矿安全高效开采[1]。我国煤炭资源禀赋复杂，近水平煤层与急倾斜煤层、特厚煤层与薄煤层、单一煤层与近距离煤层群广泛分布[2-3]。不同煤层赋存与开采技术条件下的自然发火特性差异极大[4]。川南矿区作为四川省内主要的煤炭生产基地，为全省乃至西南地区的经济社会发展提供了重要的能源保障[5]。区内主要开采高硫、高灰近距离煤层群，由于煤层赋存条件的特殊性，因监测预警不及时、防治措施不合理而导致的采空区自然发火事故时有发生[6-8]，严重制约了矿井安全生产。因此，如何科学制定近距离煤层自然发火预警及防治方案，成为亟需解决的难题[9]。

近距离煤层群开采过程中，由于层与层之间距离较近，因此这种开采方式会形成大量层间裂隙，从而导通上下2 层的采空区，进而形成复合采空区[10-12]。由于层间裂缝使得漏风通道增多，上覆煤层采空区内的遗煤经多次氧化后，其自身发火特性发生显著改变，增大了煤层自燃预测预报的难度[13]。同时层间裂隙会导致地下水大量进入采空区，使采空区遗煤长期处于水浸状态，而当下部煤层回采完毕后，采空区积水会逐渐变干，而水浸后的煤层更易被氧化，自然发火率大大提高[14]。此外，近距离复合采空区间的岩层垮落，造成上分层遗煤再次破碎，改变了岩体渗透率，影响了空气的渗流特性[15]。

为此，以川南矿区新维煤矿3102 工作面为研究对象，在煤自然发火特性分析的基础上，提出煤自然发火分级预警判别标准与防治方法。

1 工作面概况

芙蓉公司新维煤矿新位于四川省筠连矿区沐爱勘探区东北部，采用中央平硐加暗斜井开拓，中央并列式通风方式。井田范围内通过煤层群联合布置由上至下依次开采2#、3#、8#煤层，其中3#、8#煤层属Ⅱ类自燃煤层，2#煤层属Ⅲ类不易自燃煤层。3102工作面为一盘区3#煤层首采工作面，煤层平均厚度1.4 m，煤层倾角平均9°，采用走向长壁综合机械化采煤法，全负压“U”型通风方式，全部垮落法管理顶板。工作面走向长度350 m，倾斜宽度180 m，采用内错布置，上部为已回采完毕的2102 工作面，下部为未开采的8102 工作面。

2 3#煤层自然发火特性实验

2.1 煤层自燃氧化产气特性

3102 工作面掘进期间，选取新鲜暴露的煤样作为研究对象，利用中煤科工集团沈阳研究院有限公司自主研发的煤氧化程序升温实验装置，依次开展不同O2体积分数条件下煤自然氧化过程中气体产生规律研究。各O2体积分数条件下的煤温与CO 体积分数关系如图1。

由图1 可以看出，当O2体积分数在10%和20.9%的条件下，煤温达到58 ℃时，开始出现CO；而O2体积分数在7%条件下，煤温达到70 ℃时，才开始出现CO；且CO 体积分数不论O2体积分数如何，都呈现先上升再下降的趋势。O2体积分数越高，CO 产生速率越快；当O2体积分数为20.9%时，CO体积分数最高达3 829×10-6，此时煤温为513 ℃；当O2体积分数分别为10%和7%时，CO 产生速率差距不大，但CO 最高体积分数有所变化，分别为1 429×10-6和859×10-6，对应煤温分别为402 ℃和368 ℃。

O2体积分数在20.9%的条件下，当煤温升高到180 ℃时，CO 体积分数达到196×10-6，此时煤样处于缓慢氧化阶段；当煤温升高到219 ℃时，CO 体积分数达到487×10-6，此时煤样处于加速氧化阶段；当煤温继续升高到513 ℃时，CO 体积分数达到3 829×10-6，此时煤样处于加速氧化向剧烈氧化过渡阶段；当CO 体积分数在3 829×10-6以上时，煤样处于剧烈氧化阶段。

2.2 煤层自燃氧化热力学特性

不同O2体积分数条件下热力学特性曲线如图2。由图2 可以看出，O2体积分数在20.9%的条件下，煤样的氧化有明显的激烈氧化升温阶段，而当O2体积分数为10%时，煤样虽然也有明显的激烈氧化阶段，但与O2体积分数为20.9%时比较，CO 产生速率，反应最高温度都有所降低，说明煤样氧化受到抑制，O2体积分数为7%时，反应最高温度更低，氧化也不明显，说明煤样氧化受到进一步抑制。

3 3102 工作面分级管控技术措施

3.1 分级预警制度

依据煤样升温氧化实验中煤样所处不同阶段时CO 最高体积分数为依据，基于现场容易实施的原则，对其取整数后，对工作面煤层自然发火实行分级管控。管控标准划分：一级CO 体积分数为24×10-6～200×10-6；二级CO 体积分数为200×10-6～500×10-6；三级CO 体积分数为500×10-6～4 000×10-6；四级为CO 体积分数大于4 000×10-6。

3.2 分级管控措施

3.2.1 CO 体积分数低于24×10-6

采空区CO 体积分数在24×10-6以下时，主要采取以采空区埋管注氮以及上下隅角漏风封堵为主的防灭火日常管理，工作面每推进30 m，上下隅角施工1 道悬空密闭。采空区自然发火预测预报是该阶段的重点，每周一、周三、周五派专人对采空区气体进行取样化验分析。

在工作面回风巷间隔30 m 布置趟束管，束管外套无缝钢管进行保护，配合停采线处安装的抽气泵，构建工作面简易束管监测系统，3102 工作面束管测点布置如图3。

图3 3102 工作面束管测点布置示意图Fig.3 Schematic diagram of measuring point layout of beam tube on 3102 working face

3102 工作面回采期间采用迈步式埋管注氮的方式，采空区注氮量QN可按下式计算：

式中：Q0为采空区氧化带内漏风量，m3/min；C1为采空区氧化带内平均O2体积分数，%，一般取14%；C2为采空区惰化防火指标，其值为煤自燃临界O2体积分数，%，取7%；CN为注入N2的N2体积分数，97%；K为备用系数，取1.5。

根据各系数的取值结果，当C2取10%时，工作面所需供氮量约为400 m3/h；当C2取7%时，工作面所需的供氮量约为1 200 m3/h。

3.2.2 四级管控标准下管控措施

1）CO 体积分数为24×10-6～200×10-6。当采空区CO 体积分数为24×10-6～200×10-6时，工作面启动一级预警，此时煤体处于缓慢氧化阶段，CO 产生速率升高，但仍可控制，这一阶段，需缩短检测周期，束管取样化验每天至少1 次，同时加快推进度，每天至少推进3 m，工作面每推进15 m，上下隅角施工1道悬空密闭。提高采空区注氮量至1 200 m3/h，直至CO 体积分数降低到安全水平以下。

2）CO 体积分数为200×10-6～500×10-6。当采空区CO 体积分数为200×10-6～500×10-6时，工作面启动二级预警，此时煤体处于加速氧化阶段，温度迅速升高，这一阶段，束管取样化验变为每日至少2 次，并施工探火钻孔，对疑似高温火区进行圈定并进行注浆处理，停止瓦斯抽采，减少采空区漏风，做好液态CO2井下直注管路铺设、设备检修、气源联系等各项准备工作。

3）CO 体积分数为500×10-6～4 000×10-6。当采空区CO 体积分数为500×10-6～4 000×10-6时，工作面启动三级预警，此时煤体处于剧烈氧化转化阶段，CO产生速率急剧升高，且伴随有上隅角、架间CO 超限现象，这一阶段，需增加探火孔数量，加大探火范围，对隐患区域进行精确圈定，根据探测结果，将浆液改为胶体，若CO 体积分数继续升高并超过1 000×10-6时，需通过预埋管路向采空区灌注液态CO2，每次灌注量不小于40 m3，若CO 体积分数超过2 500×10-6时，立即准备工作面封闭材料。

4）CO 体积分数大于4 000×10-6。当采空区CO体积分数大于4 000×10-6时，工作面启动四级预警，此时采空区内的煤体已出现明火，这一阶段，需要临时封闭工作面，进行闭区注液态CO2，待达到火区熄灭条件后，再次启封工作面。

4 可行性分析

由采空区束管监测数据可知，3102 工作面在10月17 日监测到CO，CO 体积分数为3×10-6，在之后的监测中，CO 体积分数继续升高，到10 月28 日，CO 体积分数达到了54×10-6，且有持续升高的趋势，因此，在10 月28 日当天，工作面启动一级预警，注氮量从原来的400 m3/h 升高至1 200 m3/h，同时，工作面上下隅角施工悬空密闭的距离由原来的每推进30 m 变为15 m，在做好上述工作的基础上，结合加快工作面推进度，加强浮煤清收等措施，使采空区CO 体积分数在之后的1 周内下降至安全体积分数，直至不再出现，保证了3102 工作面的安全回采。由此说明该分级管控措施能够及时的发现采空区隐患并采取针对性措施消除隐患。

改变注氮量前后的采空区CO 体积分数随时间的变化曲线如图4。

图4 采空区CO 体积分数变化曲线Fig.4 Change curve of CO volume fraction in goaf

5 结 语

1）新维矿3#煤层氧化过程呈现显著的CO 阶段产气特征，并以CO 标志气体为依据，对该工作面自然发火实行四级预警与管控。

2）氧化升温实验表明，O2体积分数下降对抑制3#煤层氧化效果显著，当采空区注氮量400 m3/h时，采空区O2体积分数下降至10%，可满足日常防灭火管理；当采空区注氮量1 200 m3/h 时，采空区O2体积分数下降至7%，可作为应急灭火处置手段。

3）当采空区CO 体积分数达到54×10-6时，启动一级预警，通过提升注氮量并结合漏风封堵、加快推进度、浮煤清理等措施，快速消除了火灾隐患，有效保障了工作面安全回采。