煤矿采空区自然发火的防治分析

煤矿采空区自然发火的防治分析

高远1, ,艾克拜•沙吾提2  ,王发龙3

新疆维吾尔自治区矿山安全服务保障中心  新疆乌鲁木齐  830000

摘要：在煤矿采空区中，安全问题是非常重要的一项内容。提升安全性才是促进企业以及煤炭产业发展的有效手段。因此，需要全面掌握各种容易在煤炭生产中发生的安全事故，并且采取有效的防治手段。基于此，文章首先分析采空区自然发火特征，其次探讨煤矿采空区自然发火的综合防治对策，以期为煤矿安全生产提供可靠保障，并实现经济与社会效益的最大化，对类似工作面安全回采问题提供借鉴。。

关键词：煤矿采空区；自然发火；影响因素

引言

煤层自燃火灾作为矿井火灾的一个重要类型，对矿井以及工人的安全有着不同程度的影响。由于火源位置隐蔽，对煤自燃发展态势的准确判定一直以来都是世界性难题。采空区浮煤堆积形成一定的蓄热环境后，达到一定条件后，会发生低温氧化反应，浮煤将发生缓慢自燃，最终导致矿井火灾的发生。煤低温氧化产生的气体产物作为煤自燃的宏观表征，对确定煤自燃预警指标具有重要作用，研究煤低温氧化产生的气体产物的变化规律，对煤自然发火预警预测与隐患防护工作具有至关重要作用。

1采空区自然发火特征

（1）潜伏期。在低温条件下，空气中的氧气将会被煤吸附，并在煤表面产生初级氧化物，此时如果化学活性增加，将会导致煤的着火点降低，进而诱发自然发火。实际上，潜伏期长短主要取决于外部环境条件和煤化程度；（2）煤的自热期。该过程中，会不断加快煤的氧化速度，并将煤中不稳定的氧化物转化为CO2和CO气体，并导致煤温持续升高。如果煤温大于自热临界值（60℃-80℃）时，将会导致煤温急速上升，加快媒体的氧化进程，出现干馏现象；（3）自燃期。当煤体温度继续升高，并且达到300℃-350℃的临界着火温度时，就会出现煤层自燃现象，并产生大量的二氧化碳和一氧化碳气体，同时还会出现明火和烟雾。

2煤矿采空区自然发火的综合防治对策

2.1煤自燃预警指标体系构建

依据煤自燃指标气体变化规律以及煤自燃参数指标变化规律，并结合易自燃煤层的分级预警主动防控方法，根据温度范围与气体指标临界值，将煤自燃划分成灰、蓝、黄、橙和红共5个等级预警级别，其中灰色预警最低，预警温度范围为常温30～40℃，蓝色预警温度范围为40～50℃，黄色预警温度范围为50～90℃，橙色预警温度范围为90～150℃，红色预警为煤温大于150℃，。

2.2火成岩侵蚀煤层自燃特性突变规律

为了分析火成岩侵蚀煤层形成的变质煤与原生煤的低温氧化产热及自然发火过程,将两个煤样的累计放热量变化曲线与升温特性曲线放在一起综合观察,可以发现当煤样所处的炉体环境温度较低时(<90℃),变质煤的总放热量随炉温的变化过程与原生煤几乎重合,同时两个煤样的温度变化趋势也十分接近,表明变质煤和原生煤在低于90℃时的氧化过程无明显区别;随着炉温进一步升高至90℃后,变质煤的放热量曲线逐渐高于同一温度条件下的原生煤,两者的总放热量曲线出现明显分离,且变质煤与原生煤的煤温差距也逐渐变大,变质煤的放热量与升温速度明显高于原生煤。由上述结果可以判断,在环境温度低于90℃时,火成岩侵蚀作用形成的变质煤氧化放热和升温过程与原生煤较为接近,两个煤样的氧化自燃特性相差不大;然而当环境温度高于90℃后,变质煤的放热量、煤体升温等变化曲线较原生煤增长更明显,表明火成岩侵蚀作用使得变质煤的自燃特性发生改变,致使变质煤在环境温度超过90℃之后的自燃特性与原生煤差异显著,即变质煤在超过临界温度后的氧化放热与升温自燃比原生煤发展更迅速。此外,根据原生煤和变质煤的耗氧、CO等气体产物生成速率也可看出,在环境温度低于90℃时,变质煤的耗氧速率、氧化气体生成量等参数均稍高于相同温度条件下的原生煤,表明两个煤样在较低温度范围内氧化反应进程相差不大;随着温度进一步升高,当在90~100℃范围内时,变质煤与原生煤的耗氧、气体产物浓度等区别逐渐变大;当温度高于100℃后,变质煤耗氧速率急剧增加,显著高于同等温度条件下原生煤的耗氧量,可以判断变质煤的氧化特性发生突变。同时,CO和CO2的生成浓度也明显增大,表明变质煤在环境温度超过90℃区间后氧化反应变快,自燃进程加速。

2.3复合采空区防灭火技术及应用

煤矿设计采用注氮技术进行复合采空区的防灭火，工作面后方采空区注氮位置是决定防灭火效果的关键参数。采空区氧化带内的遗煤在最短自然发火期内即已进入窒息带，采空区无自然发火危险，后期束管监测也验证了该结果。上覆采空区采取注氮措施后，工作面回采期间，上覆采空区束管监测未监测到ＣＯ气体，说明上覆采空区无自然发火危险。

2.4火成岩侵蚀煤层易自燃的外在因素分析

煤自燃不仅与自身的物化结构和氧化放热特性等内在因素相关,还受到漏风供氧、蓄热环境等外在因素的影响。火成岩侵蚀过程改变了煤层的赋存条件,导致煤体的原生结构和自燃特性发生变化,同时也破坏了煤层的连续性和稳定性,增加了煤层的开采难度。火成岩侵蚀对煤层自燃外在因素的影响主要包括:(1)火成岩岩床下伏煤层开采过程采空区垮落不充分,造成工作面向采空区漏风量大。火成岩侵入体以层状岩床为主,与砂岩、泥岩等相比,火成岩侵入体的强度更大。当开采火成岩的下伏煤层时,侵入岩体由于稳定性好而不易自然垮落。在开采火成岩下伏煤层过程中,厚硬侵入体不利于卸压高度向上发展,不利于采空区充分垮落,容易造成采空区内部的压实程度低、空隙率和渗透率较高,进而导致工作面后方采空区漏风强度大,氧化带分布范围广。漏风进入采空区后与遗煤长期接触氧化,使得遗煤氧化释放出热量,热量在大范围的氧化带逐渐积聚,最终遗煤升温至临界温度后形成自然发火。(2)火成岩侵蚀作用导致煤层开采时煤体易破碎,进入采空区后极易氧化积聚热量。火成岩一般会沿煤层或断层侵入。侵入体会将部分或全部煤层吞蚀熔化,穿插在煤层中间,会造成煤层夹矸增多、煤层局部变薄,同时,火成岩侵蚀会降低变质煤的坚固性系数,开采过程会导致煤体破碎严重、丢煤量增多。大量破碎的遗煤在工作面推进时逐渐进入采空区氧化带,历经漏风供氧、氧化放热等过程后,更容易自然发火。此外,在开采被侵蚀煤层需采取爆破方式破碎火成岩时,也会导致工作面开采速度减慢、采空区遗煤的氧化时间延长,更易形成自然发火。(3)火成岩侵蚀煤层瓦斯含量高,煤体破碎后赋存气体与氧气置换,促进了煤氧的接触与反应。火成岩侵蚀对煤层的热演化与变质作用,使得煤体二次生烃形成大量的CH

4、CO2等气体赋存在原始煤层的孔隙结构内。随着煤层开采与工作面推进,变质煤被割煤机破碎,在此过程释放出煤体中的赋存气体,使得空气中的氧气快速进入煤体孔隙结构,与其内表面的活性基团结合并氧化产热。

结语

综上所述，在进行煤矿开采阶段，要弄清诱发采空区自然发火的原因，并合理选择开拓与开采方法、保持综采面快速推进、优化矿井通风系统、减少采空区浮煤避免浮煤氧化等综合防治措施来控制采空区自然发火的可能性，保证煤矿开采工作有条不紊的进行，不断提高煤矿企业的经济效益与社会效益。

参考文献

[1]宁政权.煤矿采空区自然发火指标气体的选择研究[J].煤炭科技,2018,9(1):144-145.

[2]王继胜,牛思云,梁开山.滕东煤矿连通采空区自然发火治理技术研究[J].山东煤炭科技,2019,4(1):181-182.

[3]关万里.补连塔煤矿上覆采空区自然发火治理技术[J].煤矿安全,2017,13(z1):78-79.