理論與實(shí)踐:石港煤礦綜放工作面綜合阻燃技術(shù)研究
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在瓦斯和煤層自燃災(zāi)害并存的煤礦中，往往在解決瓦斯問題的同時(shí)，由于瓦斯抽采和瓦斯排放所帶來的破裂煤體和采空區(qū)漏風(fēng)易引起自燃，煤體自燃又成為瓦斯事故的引火源；反過來，防治自燃所采取封堵隔離等技術(shù)措施均不利于瓦斯卸壓抽采和排放。因此，綜合研究礦井瓦斯與煤層自燃災(zāi)害的防治技術(shù)，避免防治技術(shù)相互影響，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。
近年來，一些專家在對(duì)煤層自燃的研究取得了許多重要成果。舒新前、彭本信等從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方向研究了煤氧化自燃機(jī)理；李增華、梁曉瑜等從煤的分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)方向研究了煤的自燃機(jī)理；周福寶研究瓦斯與煤自燃共存致災(zāi)機(jī)理，并提出了利用氮?dú)庾枞挤辣夹g(shù)；李宗翔研究瓦斯涌出與煤層自燃關(guān)系，提出瓦斯涌出量導(dǎo)致煤層自然發(fā)火期降低；王凱等研究了易自燃采空區(qū)瓦斯與火災(zāi)共治，提出瓦斯抽采加速煤層自燃。雖然相關(guān)專家在瓦斯與煤自燃致災(zāi)機(jī)理等方面進(jìn)行了深入研究，但往往采用單一防治措施，對(duì)瓦斯抽采條件下綜放面采空區(qū)易自燃煤層綜合阻燃技術(shù)還未深入研究。本文以陽泉礦區(qū)石港煤礦15109綜放面為研究對(duì)象，對(duì)瓦斯與煤自燃共存災(zāi)害綜合阻燃技術(shù)進(jìn)行研究。
1 煤層指標(biāo)性氣體及自燃傾向試驗(yàn)
煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體是指煤體在不同燃燒階段會(huì)生成一定含量特有的氣體，通過測定特有氣體的含量，判定煤體燃燒階段，進(jìn)而對(duì)煤層自然發(fā)火進(jìn)行預(yù)警。本文通過試驗(yàn)測定煤樣自然發(fā)火的指標(biāo)性氣體，制定井下氣體檢測體系。
1.1 試驗(yàn)測試系統(tǒng)
采用2001型煤自燃特性測試儀試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行煤樣自然發(fā)火指標(biāo)性氣體試驗(yàn)，該試驗(yàn)系統(tǒng)主要由氣流控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、煤樣燃燒系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、GC4000A型氣相色譜儀分析系統(tǒng)、除濕降溫裝置和數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)等構(gòu)成，測試儀系統(tǒng)如圖1所示。
選取15109綜放面15#煤層和鄰近14#煤層的大塊煤體，均勻破碎成標(biāo)準(zhǔn)粒徑后，分別用煤樣罐各裝取50g煤樣，標(biāo)記為1#煤樣和2#煤樣。首先將1#煤樣放置于實(shí)驗(yàn)箱中，檢查通氣管路，確認(rèn)密封性后，調(diào)試其余系統(tǒng)，將通風(fēng)氣流穩(wěn)定在50 ml/min。啟動(dòng)上部加熱器和通風(fēng)機(jī)，當(dāng)溫度達(dá)到要求后，穩(wěn)定5 min以上，通過出氣系統(tǒng)采集煤樣生成氣體，經(jīng)橡膠管連接到GC4000A型色譜儀上進(jìn)行氣樣分析。1#煤樣測試完畢后，采用相同的方式測試2#煤樣。
1.2 指標(biāo)性氣體
15#煤層煤樣和14#煤層煤樣升溫氧化過程中氣體產(chǎn)物及其濃度變化見表1。從表l中可知：
(l)兩煤樣在27～195℃的氧化過程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、C02，隨溫度的升高，CO濃度呈指數(shù)上升趨勢，CO：先升高后降低再快速上升；
(2)兩煤樣均無原生的CH4；
(3)煤樣加熱初期開始產(chǎn)生CO，濃度較低，呈緩慢增長趨勢。當(dāng)1#煤樣溫度達(dá)到140℃時(shí)CO含量開始迅速增長，當(dāng)2#煤樣溫度達(dá)到120℃時(shí)CO含量開始迅速增長，說明該階段內(nèi)煤體氧化速度加快；
(4)由于C02濃度不是單一升高或降低趨勢，無法作為指標(biāo)性氣體，而CO濃度隨溫度升高而升高，并且濃度大小合理，易于監(jiān)測，所以，兩種煤樣均選擇CO作為指標(biāo)性氣體。
通過監(jiān)測CO濃度的變化趨勢，確定煤層自燃階段。
石港煤礦15#煤層煤樣吸氧量為0. 71 cm3/g，自燃傾向性等級(jí)屬于二類，容易自燃，最短自然發(fā)火期為76 d。14#煤層煤樣吸氧量為1.25 cm3/g，自燃傾向性等級(jí)屬于一類，容易自燃，最短自然發(fā)火期為33 d。
2采空區(qū)自然發(fā)火原因
2.1 地質(zhì)條件
石港煤礦15109綜放工作面走向長度721 m，傾向長度157 m。主采15#煤層，傾角5�！�28。，平均180，煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平均厚度6. 41 m，回采率為87%。煤層直接頂為厚度0. 74 m黑色泥巖，直接頂上部為厚度0.35 m煤層，距15#煤層上方5. 11 m處為140煤層，厚度為
1. 03 m。
2.2 采空區(qū)遺煤
15109工作面采用綜放開采技術(shù)回采煤炭，采出率低，僅能達(dá)到87%，15#煤層平均遺煤厚度達(dá)到0. 83 m。由于放頂煤開采技術(shù)的限制，工作面兩巷頂煤不放煤，兩巷遺煤厚度達(dá)到3. 40 m。除此之外，煤層頂板上方存在兩層厚度分別為0. 35 m和1.03 m煤層。由于15#煤層的開采，頂板大面積垮落，頂板煤層進(jìn)入采空區(qū)，造成遺煤厚度增加。因此，采空區(qū)大量遺煤的存在為采空區(qū)煤層自燃提供了基礎(chǔ)。
2.3 采空區(qū)漏風(fēng)
石港煤礦為高瓦斯礦井，15#煤層及其鄰近煤巖層均為高瓦斯賦存區(qū)，15109工作面瓦斯涌出量最高達(dá)145 rri3/rriin以上。為治理瓦斯災(zāi)害，分別在距15#煤層上部6. 55 m、57. 36 m的巖層中布置了瓦斯尾巷和高抽巷。工作面開采后，頂板垮落，裂隙發(fā)育溝通上部瓦斯尾巷和高抽巷。瓦斯尾巷和高抽巷采用負(fù)壓通風(fēng)，與工作面通風(fēng)壓力形成風(fēng)壓差，工作面的風(fēng)流經(jīng)過裂隙帶進(jìn)入后部采空區(qū)，為遺煤自燃提供了氧氣。
3 煤層綜合阻燃技術(shù)
石港煤礦15109綜放面在工作面端部、防火措施巷和內(nèi)錯(cuò)尾巷等位置利用多種防滅火技術(shù)綜合防治采空區(qū)遺煤自燃。
3.1 瑞米材料控制采空區(qū)漏風(fēng)
工作面漏風(fēng)為采空區(qū)提供了充足的氧氣，是導(dǎo)致遺煤自燃的一個(gè)重要原因。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)及上覆巖層形成裂隙帶，溝通上部瓦斯抽采巷道，當(dāng)工作面與上部瓦斯抽采巷之間存在風(fēng)壓壓差時(shí)，空氣沿風(fēng)壓壓差方向流動(dòng)，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)，特別是工作面與兩側(cè)回采巷道的連接處，風(fēng)流方向發(fā)生90。轉(zhuǎn)向，造成風(fēng)流紊亂，更容易出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。
采空區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)為層流，多采用Darcy定律來研究采場內(nèi)氣體的流動(dòng)，根據(jù)Darcy定律可知，在風(fēng)壓壓差一定的情況下，漏風(fēng)風(fēng)量與漏風(fēng)風(fēng)阻呈反比關(guān)系，增加漏風(fēng)風(fēng)阻可減小漏風(fēng)風(fēng)量。根據(jù)此原理，采用瑞米材料對(duì)工作面上下隅角進(jìn)行堵漏封閉。瑞米材料作為一種新型封堵材料具有封堵效果好、施工方便、操作簡單、硬化時(shí)間短等諸多優(yōu)點(diǎn)，高分子粉末與水混合成漿狀，通過泵送管路充填進(jìn)預(yù)制模型中，經(jīng)膨脹與硬化作用，形成一個(gè)
堅(jiān)硬密實(shí)墻體，大幅提高了采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)阻，減小了采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量。當(dāng)漏風(fēng)減少時(shí)，漏風(fēng)流場的分布發(fā)生改變，氧氣濃度降低，煤炭自燃得到抑制，采空區(qū)氧化帶的范圍縮小，甚至消失。瑞米材料充填位置位于兩側(cè)回采巷道，靠近煤柱側(cè)，充填尺寸為2m×2m×2m（長×寬×高），充填間隔為10～15 m，如圖2所示。
3.2 MgC12阻化防火技術(shù)
煤自燃過程實(shí)質(zhì)是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程，采空區(qū)遺煤在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，生成大量的熱，熱量的產(chǎn)生又進(jìn)一步加速了煤的氧化作用，當(dāng)溫度上升到一定程度后，煤體發(fā)生燃燒，造成采空區(qū)火災(zāi)。MgC12作為新型防滅火材料，對(duì)煤層自燃具有很好的抑制作用，首先，MgC12是一種負(fù)催化劑，能夠抑制煤的活性，降低氧化作用速度；其次，MgC12具有較好的粘結(jié)作用，以液膜的形式覆蓋在煤體和裂隙表面，隔離與氧氣的接觸；除此之外，MgCIz
中含有大量水分，氧化作用產(chǎn)生的熱量使得水分升溫蒸發(fā)，同時(shí)帶走大量的熱，減少了熱量的積聚，降低了煤層自燃風(fēng)險(xiǎn)。
MgC12以氣霧的形式隨漏風(fēng)風(fēng)流擴(kuò)散進(jìn)入采空區(qū)。在工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置霧化泵站，將MgC12與水以1:4比例混合均勻后置于儲(chǔ)液箱，使用霧化泵將溶液通過管路系統(tǒng)輸送至工作面，自下隅角至上隅角布置若干噴嘴，噴嘴間距為30 m。如圖3所示。
3.3 采空區(qū)注氮惰化處理
氮?dú)鉃榉强扇�、非助燃惰性氣體，通過向采空區(qū)注入氮?dú)�，可稀釋氧化帶�?nèi)氧氣濃度，降低煤體氧化速度，進(jìn)而降低采空區(qū)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。通過試驗(yàn)測定煤自然發(fā)火的臨界氧氣濃度，作為注氮時(shí)間、注氮量的參考數(shù)據(jù)，采用間歇式埋管注氮方式，注入氮?dú)�，使采空區(qū)氧氣濃度降至臨界氧氣濃度以下后暫停注入氮?dú)�。由于采空區(qū)漏風(fēng)影響，新鮮的空氣從工作面流進(jìn)采空區(qū)，原有的部分氮?dú)怆S氣流進(jìn)入上部裂隙流失，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度逐漸上升，當(dāng)超過臨界氧氣濃度時(shí)，重新啟動(dòng)注氮工作，降低氧氣濃度，周而復(fù)始，直至注氮口進(jìn)入采空區(qū)窒息帶。
根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)踐可知，氮?dú)獾臄U(kuò)散半徑在15～20 m之間，由于采空區(qū)裂隙較為發(fā)育，氮?dú)庑孤侗容^嚴(yán)重，選取氮?dú)獾臄U(kuò)散半徑為15 m，注氮口間距為30 m，與工作面距離在30～60 m之間，如圖4所示。
3.4 MEA高分子阻化劑阻燃技術(shù)
MEA高分子材料、水、氮?dú)獾仍诎l(fā)泡劑作用下，通過特制發(fā)泡設(shè)備形成阻化泡沫，具有組成材料的各種特性，比如MEA高分子的致密性、成膜性、掛壁性以及保水性，水的降溫作用．氮?dú)饨档脱鯕鉂舛茸饔�，有效控制了浮煤自然發(fā)火危險(xiǎn)。
MEA高分子阻化劑通過鉆孔注入到指定防滅火區(qū)域，鉆場位于15107瓦斯尾巷與15107防火措施巷中，距工作面6～10 m處，鉆場間距為30m。每個(gè)鉆場內(nèi)設(shè)置5個(gè)鉆孔，分別標(biāo)記為1#、2#、3#、4#和5#，1#鉆孔位于進(jìn)入回風(fēng)巷側(cè)，處理巷道上部及14#煤層，走向5～10 m，2#、3#、4#鉆孔沿一定角度實(shí)施，控制回風(fēng)隅角后部5 --10 m以及傾向20～30 m的空間區(qū)域；5#鉆孔順層作業(yè)，長度為30～50 m，下套管20～30 m，主要處理14#煤體。鉆孔施工完畢后進(jìn)行MEA灌注，鉆孔布置如圖5所示。
4應(yīng)用效果
通過監(jiān)測，工作面推進(jìn)過程中在距工作面30 m處回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角、尾巷及工作面120#支架處（位于尾巷下方）C()氣體的變化趨勢如圖6所示。
由圖6可以看出，在近3個(gè)月的觀測過程中各測點(diǎn)C()變化趨勢不穩(wěn)定，時(shí)高時(shí)低，其濃度最高為0. 0018%，沒有表現(xiàn)出自然發(fā)火的跡象。在4個(gè)測點(diǎn)中，120#支架處和回風(fēng)隅角的C()濃度較高，原因是內(nèi)錯(cuò)尾巷的開拓導(dǎo)致巷道上部巖層發(fā)生破壞，圍巖裂隙發(fā)育，使得該處的煤體氧化較其他測點(diǎn)明顯。由監(jiān)測結(jié)果可知，該綜放面綜合防治技術(shù)在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中取得了顯著的防火效果，保障了工作面的安全回采。
5結(jié)論
(1)通過試驗(yàn)測定石港煤礦15#煤層自燃傾向性等級(jí)為二類，最短自然發(fā)火期為76 d；14#煤層自燃傾向性等級(jí)為一類，最短自然發(fā)火期為33 d。確定采用CO濃度變化趨勢判斷煤自燃的階段。
(2)分析得到煤層自燃傾向、采空區(qū)遺煤量大、瓦斯抽采漏風(fēng)等多種因素共同作用下，采空區(qū)遺煤存在自燃風(fēng)險(xiǎn)。
(3)提出堵漏控風(fēng)、MgC12阻燃、注氮惰化、MEA高分子阻化等綜合防治采空區(qū)遺煤自燃的方法，通過應(yīng)用，工作面CO變化濃度最高為0. 0018%，無自然發(fā)火的跡象，取得良好效果。
6摘 要
針對(duì)瓦斯與煤自燃災(zāi)害并存綜放工作面采空區(qū)遺煤自燃問題，選取石港煤礦15109綜放工作面為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)測定15 8煤層自燃傾向性屬于二類，14‘煤層自燃傾向性屬于一類，以CO濃度的變化趨勢判斷煤自燃的階段；分析得到煤層性質(zhì)、采空區(qū)遺煤量、瓦斯抽采漏風(fēng)等因素共同導(dǎo)致遺煤自燃；提出瑞米材料堵漏、MgC12阻化防火、注氮惰化處理、MEA高分子阻化等綜合阻燃技術(shù)。應(yīng)用結(jié)果表明：工作面各測點(diǎn)位置C()濃度最高為0. 0018%，處于較低水平，無自然發(fā)火跡象，防火效果顯著。
