煤礦采空區(qū)自然發(fā)火的防治分析

煤礦采空區(qū)自然發(fā)火的防治分析

Summary：在煤礦采空區(qū)中，安全問題是非常重要的一項內(nèi)容。提升安全性才是促進(jìn)企業(yè)以及煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的有效手段。因此，需要全面掌握各種容易在煤炭生產(chǎn)中發(fā)生的安全事故，并且采取有效的防治手段?；诖?，文章首先分析采空區(qū)自然發(fā)火特征，其次探討煤礦采空區(qū)自然發(fā)火的綜合防治對策，以期為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保障，并實現(xiàn)經(jīng)濟與社會效益的最大化，對類似工作面安全回采問題提供借鑒。。Keys：煤礦采空區(qū)；自然發(fā)火；影響因素引言煤層自燃火災(zāi)作為礦井火災(zāi)的一個重要類型，對礦井以及工人的安全有著不同程度的影響。由于火源位置隱蔽，對煤自燃發(fā)展態(tài)勢的準(zhǔn)確判定一直以來都是世界性難題。采空區(qū)浮煤堆積形成一定的蓄熱環(huán)境后，達(dá)到一定條件后，會發(fā)生低溫氧化反應(yīng)，浮煤將發(fā)生緩慢自燃，最終導(dǎo)致礦井火災(zāi)的發(fā)生。煤低溫氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物作為煤自燃的宏觀表征，對確定煤自燃預(yù)警指標(biāo)具有重要作用，研究煤低溫氧化產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物的變化規(guī)律，對煤自然發(fā)火預(yù)警預(yù)測與隱患防護(hù)工作具有至關(guān)重要作用。1采空區(qū)自然發(fā)火特征（1）潛伏期。在低溫條件下，空氣中的氧氣將會被煤吸附，并在煤表面產(chǎn)生初級氧化物，此時如果化學(xué)活性增加，將會導(dǎo)致煤的著火點降低，進(jìn)而誘發(fā)自然發(fā)火。實際上，潛伏期長短主要取決于外部環(huán)境條件和煤化程度；（2）煤的自熱期。該過程中，會不斷加快煤的氧化速度，并將煤中不穩(wěn)定的氧化物轉(zhuǎn)化為CO2和CO氣體，并導(dǎo)致煤溫持續(xù)升高。如果煤溫大于自熱臨界值（60℃-80℃）時，將會導(dǎo)致煤溫急速上升，加快媒體的氧化進(jìn)程，出現(xiàn)干餾現(xiàn)象；（3）自燃期。當(dāng)煤體溫度繼續(xù)升高，并且達(dá)到300℃-350℃的臨界著火溫度時，就會出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量的二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，同時還會出現(xiàn)明火和煙霧。2煤礦采空區(qū)自然發(fā)火的綜合防治對策2.1煤自燃預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建依據(jù)煤自燃指標(biāo)氣體變化規(guī)律以及煤自燃參數(shù)指標(biāo)變化規(guī)律，并結(jié)合易自燃煤層的分級預(yù)警主動防控方法，根據(jù)溫度范圍與氣體指標(biāo)臨界值，將煤自燃劃分成灰、藍(lán)、黃、橙和紅共5個等級預(yù)警級別，其中灰色預(yù)警最低，預(yù)警溫度范圍為常溫30～40℃，藍(lán)色預(yù)警溫度范圍為40～50℃，黃色預(yù)警溫度范圍為50～90℃，橙色預(yù)警溫度范圍為90～150℃，紅色預(yù)警為煤溫大于150℃，。2.2火成巖侵蝕煤層自燃特性突變規(guī)律為了分析火成巖侵蝕煤層形成的變質(zhì)煤與原生煤的低溫氧化產(chǎn)熱及自然發(fā)火過程,將兩個煤樣的累計放熱量變化曲線與升溫特性曲線放在一起綜合觀察,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)煤樣所處的爐體環(huán)境溫度較低時(<90℃),變質(zhì)煤的總放熱量隨爐溫的變化過程與原生煤幾乎重合,同時兩個煤樣的溫度變化趨勢也十分接近,表明變質(zhì)煤和原生煤在低于90℃時的氧化過程無明顯區(qū)別;隨著爐溫進(jìn)一步升高至90℃后,變質(zhì)煤的放熱量曲線逐漸高于同一溫度條件下的原生煤,兩者的總放熱量曲線出現(xiàn)明顯分離,且變質(zhì)煤與原生煤的煤溫差距也逐漸變大,變質(zhì)煤的放熱量與升溫速度明顯高于原生煤。由上述結(jié)果可以判斷,在環(huán)境溫度低于90℃時,火成巖侵蝕作用形成的變質(zhì)煤氧化放熱和升溫過程與原生煤較為接近,兩個煤樣的氧化自燃特性相差不大;然而當(dāng)環(huán)境溫度高于90℃后,變質(zhì)煤的放熱量、煤體升溫等變化曲線較原生煤增長更明顯,表明火成巖侵蝕作用使得變質(zhì)煤的自燃特性發(fā)生改變,致使變質(zhì)煤在環(huán)境溫度超過90℃之后的自燃特性與原生煤差異顯著,即變質(zhì)煤在超過臨界溫度后的氧化放熱與升溫自燃比原生煤發(fā)展更迅速。此外,根據(jù)原生煤和變質(zhì)煤的耗氧、CO等氣體產(chǎn)物生成速率也可看出,在環(huán)境溫度低于90℃時,變質(zhì)煤的耗氧速率、氧化氣體生成量等參數(shù)均稍高于相同溫度條件下的原生煤,表明兩個煤樣在較低溫度范圍內(nèi)氧化反應(yīng)進(jìn)程相差不大;隨著溫度進(jìn)一步升高,當(dāng)在90~100℃范圍內(nèi)時,變質(zhì)煤與原生煤的耗氧、氣體產(chǎn)物濃度等區(qū)別逐漸變大;當(dāng)溫度高于100℃后,變質(zhì)煤耗氧速率急劇增加,顯著高于同等溫度條件下原生煤的耗氧量,可以判斷變質(zhì)煤的氧化特性發(fā)生突變。同時,CO和CO2的生成濃度也明顯增大,表明變質(zhì)煤在環(huán)境溫度超過90℃區(qū)間后氧化反應(yīng)變快,自燃進(jìn)程加速。2.3復(fù)合采空區(qū)防滅火技術(shù)及應(yīng)用煤礦設(shè)計采用注氮技術(shù)進(jìn)行復(fù)合采空區(qū)的防滅火，工作面后方采空區(qū)注氮位置是決定防滅火效果的關(guān)鍵參數(shù)。采空區(qū)氧化帶內(nèi)的遺煤在最短自然發(fā)火期內(nèi)即已進(jìn)入窒息帶，采空區(qū)無自然發(fā)火危險，后期束管監(jiān)測也驗證了該結(jié)果。上覆采空區(qū)采取注氮措施后，工作面回采期間，上覆采空區(qū)束管監(jiān)測未監(jiān)測到ＣＯ氣體，說明上覆采空區(qū)無自然發(fā)火危險。2.4火成巖侵蝕煤層易自燃的外在因素分析煤自燃不僅與自身的物化結(jié)構(gòu)和氧化放熱特性等內(nèi)在因素相關(guān),還受到漏風(fēng)供氧、蓄熱環(huán)境等外在因素的影響?；鸪蓭r侵蝕過程改變了煤層的賦存條件,導(dǎo)致煤體的原生結(jié)構(gòu)和自燃特性發(fā)生變化,同時也破壞了煤層的連續(xù)性和穩(wěn)定性,增加了煤層的開采難度?；鸪蓭r侵蝕對煤層自燃外在因素的影響主要包括:(1)火成巖巖床下伏煤層開采過程采空區(qū)垮落不充分,造成工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量大。火成巖侵入體以層狀巖床為主,與砂巖、泥巖等相比,火成巖侵入體的強度更大。當(dāng)開采火成巖的下伏煤層時,侵入巖體由于穩(wěn)定性好而不易自然垮落。在開采火成巖下伏煤層過程中,厚硬侵入體不利于卸壓高度向上發(fā)展,不利于采空區(qū)充分垮落,容易造成采空區(qū)內(nèi)部的壓實程度低、空隙率和滲透率較高,進(jìn)而導(dǎo)致工作面后方采空區(qū)漏風(fēng)強度大,氧化帶分布范圍廣。漏風(fēng)進(jìn)入采空區(qū)后與遺煤長期接觸氧化,使得遺煤氧化釋放出熱量,熱量在大范圍的氧化帶逐漸積聚,最終遺煤升溫至臨界溫度后形成自然發(fā)火。(2)火成巖侵蝕作用導(dǎo)致煤層開采時煤體易破碎,進(jìn)入采空區(qū)后極易氧化積聚熱量。火成巖一般會沿煤層或斷層侵入。侵入體會將部分或全部煤層吞蝕熔化,穿插在煤層中間,會造成煤層夾矸增多、煤層局部變薄,同時,火成巖侵蝕會降低變質(zhì)煤的堅固性系數(shù),開采過程會導(dǎo)致煤體破碎嚴(yán)重、丟煤量增多。大量破碎的遺煤在工作面推進(jìn)時逐漸進(jìn)入采空區(qū)氧化帶,歷經(jīng)漏風(fēng)供氧、氧化放熱等過程后,更容易自然發(fā)火。此外,在開采被侵蝕煤層需采取爆破方式破碎火成巖時,也會導(dǎo)致工作面開采速度減慢、采空區(qū)遺煤的氧化時間延長,更易形成自然發(fā)火。(3)火成巖侵蝕煤層瓦斯含量高,煤體破碎后賦存氣體與氧氣置換,促進(jìn)了煤氧的接觸與反應(yīng)?；鸪蓭r侵蝕對煤層的熱演化與變質(zhì)作用,使得煤體二次生烴形成大量的CH4、CO2等氣體賦存在原始煤層的孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)。隨著煤層開采與工作面推進(jìn),變質(zhì)煤被割煤機破碎,在此過程釋放出煤體中的賦存氣體,使得空氣中的氧氣快速進(jìn)入煤體孔隙結(jié)構(gòu),與其內(nèi)表面的活性基團(tuán)結(jié)合并氧化產(chǎn)熱。結(jié)語綜上所述，在進(jìn)行煤礦開采階段，要弄清誘發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火的原因，并合理選擇開拓與開采方法、保持綜采面快速推進(jìn)、優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)、減少采空區(qū)浮煤避免浮煤氧化等綜合防治措施來控制采空區(qū)自然發(fā)火的可能性，保證煤礦開采工作有條不紊的進(jìn)行，不斷提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益與社會效益。Reference[1]寧政權(quán).煤礦采空區(qū)自然發(fā)火指標(biāo)氣體的選擇研