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(wèn)題是非常重要的一項(xiàng)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(duì)策，以期為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠保障，并實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益的最大化，對(duì)類(lèi)似工作面安全回采問(wèn)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(gè)重要類(lèi)型，對(duì)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(duì)煤自燃發(fā)展態(tài)勢(shì)的準(zhǔn)確判定一直以來(lái)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(huì)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(duì)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(duì)煤自然發(fā)火預(yù)警預(yù)測(cè)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(huì)被煤吸附，并在煤表面產(chǎn)生初級(jí)氧化物，此時(shí)如果化學(xué)活性增加，將會(huì)導(dǎo)致煤的著火點(diǎn)降低，進(jìn)而誘發(fā)自然發(fā)火。實(shí)際上，潛伏期長(zhǎng)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(guò)程中，會(huì)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(shí)，將會(huì)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(shí)，就會(huì)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(shí)還會(huì)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(duì)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(jí)預(yù)警主動(dòng)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(gè)等級(jí)預(yù)警級(jí)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(guò)程,將兩個(gè)煤樣的累計(jì)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(shí)(<90℃),變質(zhì)煤的總放熱量隨爐溫的變化過(guò)程與原生煤幾乎重合,同時(shí)兩個(gè)煤樣的溫度變化趨勢(shì)也十分接近,表明變質(zhì)煤和原生煤在低于90℃時(shí)的氧化過(guò)程無(wú)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(shí),火成巖侵蝕作用形成的變質(zhì)煤氧化放熱和升溫過(guò)程與原生煤較為接近,兩個(gè)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(zhǎng)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(guò)90℃之后的自燃特性與原生煤差異顯著,即變質(zhì)煤在超過(guò)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(shí),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(gè)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(shí),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(shí),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(guò)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(jì)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(wú)自然發(fā)火危險(xiǎn)，后期束管監(jiān)測(cè)也驗(yàn)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(cè)未監(jiān)測(cè)到ＣＯ氣體，說(shuō)明上覆采空區(qū)無(wú)自然發(fā)火危險(xiǎn)。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(guò)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(shí)也破壞了煤層的連續(xù)性和穩(wěn)定性,增加了煤層的開(kāi)采難度?；鸪蓭r侵蝕對(duì)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(kāi)采過(guò)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?；鸪蓭r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(qiáng)度更大。當(dāng)開(kāi)采火成巖的下伏煤層時(shí),侵入巖體由于穩(wěn)定性好而不易自然垮落。在開(kāi)采火成巖下伏煤層過(guò)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(shí)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(qiáng)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(zhǎng)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(kāi)采時(shí)煤體易破碎,進(jìn)入采空區(qū)后極易氧化積聚熱量?；鸪蓭r一般會(huì)沿煤層或斷層侵入。侵入體會(huì)將部分或全部煤層吞蝕熔化,穿插在煤層中間,會(huì)造成煤層夾矸增多、煤層局部變薄,同時(shí),火成巖侵蝕會(huì)降低變質(zhì)煤的堅(jiān)固性系數(shù),開(kāi)采過(guò)程會(huì)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(shí)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(guò)程后,更容易自然發(fā)火。此外,在開(kāi)采被侵蝕煤層需采取爆破方式破碎火成巖時(shí),也會(huì)導(dǎo)致工作面開(kāi)采速度減慢、采空區(qū)遺煤的氧化時(shí)間延長(zhǎng),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)。火成巖侵蝕對(duì)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(kāi)采與工作面推進(jìn),變質(zhì)煤被割煤機(jī)破碎,在此過(guò)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(yǔ)綜上所述，在進(jìn)行煤礦開(kāi)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(kāi)拓與開(kāi)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(lái)控制采空區(qū)自然發(fā)火的可能性，保證煤礦開(kāi)采工作有條不紊的進(jìn)行，不斷提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)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