浅埋深自燃厚煤层防灭火技术研究

浅埋深自燃厚煤层防灭火技术研究

张虎

国家能源集团神东补连塔煤矿，内蒙古鄂尔多斯017209

摘要：基于浅埋深易自燃厚煤层工作面火灾防治难题，以国家能源集团某煤矿综采工作面开采期间，对自燃发火隐患的主要因素进行分析按照现场观测和全过程综合防治的原则提出并实施针对性较强的防治对策，为浅埋深易自燃厚煤层工作面的安全开采。

关键词：厚煤层；综采；防火

对于厚煤层综采工作面，由于煤层厚，采放高度高，采空区体积大，且回采率相对较低，大量浮煤遗留在采空区，为采空区自燃提供了丰富的呈松散状态的煤，增加了采空区浮煤自燃的危险性。尤其是浅埋深厚煤层综采工作面，地面新鲜风流漏向采空区的漏风通道，为采空区浮煤自燃提供了适量的氧气，更加加剧了采空区浮煤自燃的危险性。因此，掌握浅埋深厚煤层综采工作面自燃“三带”规律，并采取有效的防灭火措施，对安全生产十分重要。

一、概况

选择有代表性的煤层、采区和采煤工作面，取样测试其水份、挥发份、灰份、真比重；测量了煤元素分析，煤硫含量分析，煤热值分析和煤自燃发生率。通过对比分析天然气温度，碳温度和自然发展阶段的特征，选取最敏感的标志气和不同发育阶段的指标，研究其自身规律，如生长速率，拐点，各指标的气体浓度，它们之间的比值用于确定火灾局面的预测和预测的主要指标和辅助指标，并建立指标的预测系统和火灾发展的全过程。

二、厚煤层采空区自燃“三带”划分

1、对综采面开采期间采空区自然发火“三带”分布规律进行测定与分析，对综采工作面采空区气样成份变化规律测定，找出易自燃厚煤层综采开采期间煤层自然发火规律，确定综采工作面采空区煤自然发火“三带”范围，为各种防灭火工艺的具体参数的确定提供技术依据，能有效地指导工作面的安全生产，减少煤自然发火事故的发生。区域通常被称为“热带”或“冷却带”。随着工作面的继续推进，采空区之间的空气泄漏路径减少，并且空气泄漏也被减弱。这样不断积累氧化热，为浮煤的氧化提供能量，加速浮煤的氧化，不断加速煤的氧化反应，最终它导致加速氧化和强氧化的阶段，这个区域是“氧化带”。“氧化带”进一步延伸，放空区域基本被压实，漏气基本消失，该区域被称为“溺水带”，因为它不能提供足够的氧气而被迫淹没。

2、“散热带”与“氧化带”的界定方法

（1）方法及原理。将“三带”范围，煤炭自燃氧化临界氧浓度，采空区漏风流量分布，煤层顶板垮塌，采空区温度分布状况等进行划分。在“三带”的实质中，“配送带”和“氧化带”之间的界限是空气临界转速以上的区域，煤的临界风速，氧化热率低于蓄热速度，热辐射带反之亦然。

（2）采空区边界漏风条件测定。针对神东某煤矿的具体情况，在的第一个矿山平面上，整个剖面检测点沿工作平面的风向布置，确定各剖面的风量并确定相对于风量变化从渗漏中逸出的空气泄漏量。如图所示。

3、“散热带”、“氧化带”与“窒息带”的确定。根据对煤层顶板的冒落状态观察分析，一般工作面采空区散热带深度为0－30米，氧化带深度为30－60米，窒息带深度为60米以后。

三、井下气体监测与分析技术

井下气体的监测是在自然发火隐患地点，设定几个固定的测点，每天定时按规定用橡胶球胆采取气样，在实验室利用气相色谱仪进行气体分析，根据分析结果判断和预测自然发火态势。气体监测分析技术是建立在火灾预测预报指标体系的基础上的，通过对火灾危险区域气样的定时采集分析，结合气体浓度及速率等指标因子与火灾危险性的关联程度，预测预报火灾危险程度，并以此为判定依据，指导有针对性的具体防灭火技术措施的制定实施。

1、氮气防灭火技术

由于氮分子结构稳定，难以在常温常压下与其他物质发生反应，因此它是一种良好的惰性气体，在密闭空间内，当氮浓度增加时，氧浓度必须降低，当氧浓度降至5％-10％，可有效防止煤自燃。当氧气浓度下降到3％以下时，燃煤和再燃可以被有效抑制。

（1）氮气防灭火机理。在毒物中注入大量高浓度的氮气后，氧气浓度相对降低，氮气被氧气部分替代并进入煤破裂表面，从而降低了煤表面氧气的吸附量，极大地抑制或减缓了煤的速度氧化和余热发热，氮气注入和采空区灭火，氮气注入后，静压增加，空气漏入采空区，空气和煤变为立即减少。接触的可能性。氮气吸收煤的氧化所产生的热量，这减慢了煤的温度升高，并且在流过煤时降低了周围介质的温度，并且由于破坏了储热条件而导致煤的氧化被延迟或破坏爆炸性气体与氮气混合后，随着惰性气体浓度增加即下限增加，上限降低，爆炸范围逐渐减小。当惰性气体和可燃气体的混合比例达到一定值时，混合气体的爆炸被限制在下限，混合气体失去爆炸力。

（2）注氮方法。一般的工作面采空区氧化带宽度为30m-60m，因此注氮口埋入采空区的距离也比较长，而拖管注氮仅适用于宽度为20m以内的情况。因而选用埋管注氮。

（3）制氮机位置选择及管路铺设。矿井在地面集中设置一座压风与制氮联合建筑，配备有1000Nm3/h变压吸附制氮装置两套，每套制氮装置配用MH300-2S型螺杆空气压缩机一台。注氮管路由地面压风制氮机房经管道斜井，沿工作面胶带顺槽进入工作面采空区。

（4）注氮管径选择。根据注氮量及制氮硐室至注氮地点的距离，综合考虑技术与经济因素，选定主管路管径为φ108×6mm型无缝钢管，支管路管径采用50mm。

（5）“三带”工作进行前的注氮口位置及轮换方式。根据现场实践，氮的扩散半径为15-20m，氧化区与窒息区之间的距离为距工作表面60-80m。然后，氮气释放口之间的距离为30m，从氮气释放口到工作表面的最小距离为30米。最大距离为65米。当最后一个注氮口离工作面30m处时，连接主干道支管并设置释放口;当氮气注入口从工件移动30m时，打开出口管道阀门（数量为1Mulut的氮气注入1＃），当氮气注入口转移到工作面时开始注入氮气60m时，关闭注氮并阀拆除此支管，如此循环。

2、阻化防灭火技术。阻化防灭火方法作为氮气防灭火技术的辅助措施。当巷道巷帮、碹后、破碎区、松散煤堆积区发生异常高温时，可利用阻化泵向这些区域压注阻化剂。当工作面因故停止不推进时，通过支架间的空隙向采空区注（洒）阻化剂，或在漏风较大的区域利用汽雾阻化向采空区随风带入阻化剂，使阻化剂溶液包裹采空区破碎煤体，降低采空区自然发火的危险性，达到阻化防灭火的目的。

3、堵漏风防灭火技术。为了尽量减少料滴区域的空气泄漏，相当于在筏板内注入氮气，应在工作风部位采取安装风的步骤。具体做法是沿工作表面切割顶部位置，并在入口处每隔20-30米使用一次，支架用于建造防漏气壁，并且在飞灰填充或倒入沙墙时不会燃烧材料避免空气漏入采空区，如果大风的底部漏风，同样的漏风步骤也必须在风的底部进行。

在实施上述技术措施后，不断提取采空区中的气体样品用于色谱分析，在采用措施的同时加快工作面的推进速度并加强地表漏风封堵，使采空区遗留浮煤尽快地进入含氧量低的采空区深部的窒熄区，促使自然发火现象自行消失。上述综合防灭火技术措施对其它矿井安全生产具有较好借鉴意义。

参考文献：

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［2］何启林，王德明．综采面采空区遗煤自然发火过程动态数值模拟［J］．中国矿业大学学报，2017，33(1)：11-14

［3］杨志功，穆守丽．综采放顶煤工作面采空区注氮防灭火工艺的实践［J］．煤矿安全，2016(5)：30-34

［4］李宗翔.综采采空区防灭火注氮数值模拟与参数确定［J］.中国安全科学学报,2017,13(5).