兗礦綜合機(jī)械化放頂煤工作面煤層自然發(fā)火防治技術(shù)
我國煤層自然發(fā)火情況嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)國有重點(diǎn)煤礦中大約有56%的礦井存在煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)，而特厚煤層開采自然發(fā)火更為嚴(yán)重。近年來，隨著我國特厚煤層綜采放頂煤技術(shù)的試驗(yàn)和推廣，煤炭的產(chǎn)量和效益大幅度提高，日產(chǎn)原煤高達(dá)1.0－1.6萬t，日產(chǎn)值達(dá)200多萬元，工作面設(shè)備投資在4000－5000萬元，年產(chǎn)500萬t的礦井基本上可實(shí)現(xiàn)一礦一面，確保工作面安全生產(chǎn)顯得尤為重要。但這種采煤法的開采強(qiáng)度大、采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重，隨之出現(xiàn)了難以解決的火災(zāi)、瓦斯、粉塵等一系列問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦有50%以上的綜采放頂煤工作面存在著自然發(fā)火危險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。因此，防滅火技術(shù)的研究工作也是綜放工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵之一。
1、我國煤層自然發(fā)火防治技術(shù)概況
1.1防滅火技術(shù)
20世紀(jì)50年代我國開始研究并在煤礦推廣黃泥灌漿防滅火技術(shù)，60-70年代研究阻化劑防火、均壓通風(fēng)、高倍數(shù)泡沫滅火等技術(shù)，80－90年代研究礦井自然發(fā)火預(yù)測系統(tǒng)、惰氣防滅火、快速高效堵漏風(fēng)、帶式輸送機(jī)火災(zāi)防治等技術(shù)，并逐步形成適應(yīng)普通采煤法和高產(chǎn)高效采煤法的綜合防滅火技術(shù)。目前我國煤礦煤層開采時(shí)期采用的火災(zāi)防治技術(shù)措施，從總體上說有惰化、阻燃、堵漏、降溫及其綜合防治技術(shù)，共同發(fā)揮作用來實(shí)現(xiàn)防滅火的目的。
1.1.1惰化防滅火技術(shù)
惰化技術(shù)主要是指將惰性氣體送入擬處理區(qū)，抑制煤自燃的技術(shù)。主要用在當(dāng)發(fā)生外因火災(zāi)或因煤自燃火災(zāi)而導(dǎo)致的封閉區(qū)。我國研制了燃油型DQ－150、DQ－1000型惰氣發(fā)生裝置，裝備了我國煤礦救護(hù)隊(duì)，成為滅火救災(zāi)的重要設(shè)備。此外還研制了BGP－200型高倍發(fā)泡機(jī)以及YZWP－180型惰泡發(fā)生裝置。
近年來，注氮防滅火技術(shù)已在我國煤礦迅速推廣應(yīng)用。除部分煤礦用深冷固定制氮機(jī)組和管輸下井注氮系統(tǒng)外，有些礦井開始裝備近年來新研制的地面移動(dòng)式碳分子篩變壓吸附制氮機(jī)組（BXND－500型、KYZD－800型）、井下移動(dòng)變壓吸附制氮機(jī)組（JXZD－400)、膜分離制氮機(jī)組（KMDS－600型）等。由束管監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測測定，確定采空區(qū)氧化、自燃、窒息三帶寬度后，用埋管或打鉆向采空區(qū)自燃帶連續(xù)注氮，惰化自燃帶，達(dá)到防火的目的。在撲滅巷道火災(zāi)中，建臨時(shí)密閉后，向封閉區(qū)注氮?dú)?，使火區(qū)氣體氧濃度降至10%以下可滅明火，降至1％－2%可快速滅火，燃燒深度大的火源，注氮量應(yīng)達(dá)到火區(qū)體積的2－3倍。
1.1.2阻燃物質(zhì)防滅火技術(shù)
阻燃物質(zhì)防滅火技術(shù)主要是指將一些阻燃物質(zhì)送入擬處理區(qū)，從而達(dá)到防滅火目的。除已作為常規(guī)防滅火措施使用的黃泥漿外，近年來發(fā)展起來的有粉煤灰、頁巖泥漿、選煤廠尾礦漿、阻化劑和阻化泥漿等，已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用。
1.1.3堵漏風(fēng)防滅火技術(shù)
工作面推過后，及時(shí)封閉和采空區(qū)相連通的巷道、無煤柱工作面順槽巷旁充填隔離帶、隔離煤柱裂隙注漿堵漏風(fēng)等均屬于堵漏風(fēng)防滅火。我國近年研究了雙料型高水速凝充填料和液壓快速注漿設(shè)備，并進(jìn)行了無煤柱工作面順槽巷旁充填隔離帶的試驗(yàn)，已獲成功。還研制了KBJ一100/5, KBJ一50/3型速凝粉煤灰漿設(shè)備和注漿工藝，灰漿輸送距離達(dá)800m，用于構(gòu)筑永久密閉、煤壁裂隙、巷道高冒區(qū)灌注、膠結(jié)等作業(yè)。該設(shè)備和材料還可用于快速構(gòu)筑密閉。
1.1.4災(zāi)變時(shí)期風(fēng)流穩(wěn)定、控制及救災(zāi)指揮技術(shù)
我國研究火災(zāi)時(shí)期風(fēng)流穩(wěn)定性和風(fēng)流控制還處于建立物理數(shù)學(xué)模式進(jìn)行通風(fēng)網(wǎng)路解算和災(zāi)變風(fēng)流模擬的階段，未達(dá)到實(shí)用化階段。近年來還開展了救災(zāi)專家系統(tǒng)的研究，試圖將眾多防滅火專家的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件形成人工智能，組成救災(zāi)專家決策系統(tǒng)，以便在各火災(zāi)發(fā)生時(shí)快速選擇救災(zāi)方案，避免人為因素的片面性。由于該研究的工作量大、難度大，還沒有正規(guī)產(chǎn)品間世。自動(dòng)防火監(jiān)控風(fēng)門、自控防火水幕也是開發(fā)研究的內(nèi)容，已達(dá)實(shí)用化階段。
1.2火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)
1.2.1煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的判定
20世紀(jì)80年代前，煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的判定沿用前蘇聯(lián)的著火溫度法鑒定煤自然發(fā)火傾向，其結(jié)果和開采后證實(shí)的情況基本相符，但對于高硫煤差異較大。
近年來，研究色譜動(dòng)態(tài)吸氧法測定吸氧量和吸氧速度，判定自然發(fā)火傾向，并研制了ZRJ－1型色譜自燃性測定儀，在煤礦已推廣使用。
在研究煤的自然發(fā)火期及其影響因素中，近年來采用了2種技術(shù)途徑：一是用煤堆實(shí)驗(yàn)裝置在模擬條件下測定并解算發(fā)火期；二是測定煤的吸氧速度、氧化反應(yīng)速度，以熱傳導(dǎo)及熱平衡原理推算最短自然發(fā)火期，并結(jié)合地質(zhì)、開采、通風(fēng)等影響因素的修正系數(shù)確定煤的發(fā)火期。
1.2.2自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)
(1)預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)
過去礦井火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)主要采用CO，但最新研究表明CO已不是在任何情況下都可作為惟一的和最靈敏可靠的判別煤自燃火災(zāi)的指標(biāo)。最新的研究結(jié)果為：使用CO、C2H4及C2H2 3個(gè)指標(biāo)，綜合地將煤自然發(fā)火分為3個(gè)階段：①礦井風(fēng)流中出現(xiàn)10-6級CO時(shí)的緩慢氧化階段；②出現(xiàn)10-6級CO和C2H4時(shí)的加速氧化階段；③出現(xiàn)10-6級CO、C2H4和C2H2的激烈氧化階段，此時(shí)即將出現(xiàn)明火。應(yīng)用這3個(gè)指標(biāo)，不僅可預(yù)測火災(zāi)，而且還可判別其階段，據(jù)此而采取不同的防滅火技術(shù)措施。本項(xiàng)技術(shù)已在較多礦井中得到應(yīng)用，但對不同的煤層必須分別進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，優(yōu)選其指標(biāo)的具體應(yīng)用值，才能正確地應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。
(2)預(yù)測預(yù)報(bào)手段
預(yù)報(bào)自然發(fā)火的手段，在20世紀(jì)70年代前是用井下人工采氣樣、地面儀器分析，并結(jié)合溫度檢測和人的感知來判斷發(fā)火危險(xiǎn)性。80年代煤礦普及氣相色譜分析方法，并研究應(yīng)用束管監(jiān)測系統(tǒng)抽吸井下氣體、地面集中分析、微機(jī)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理和預(yù)報(bào)自然發(fā)火。束管監(jiān)測系統(tǒng)已成為工作面自然發(fā)火預(yù)報(bào)和采空區(qū)注氮防火的主要監(jiān)測手段。
1.2.3外因火災(zāi)檢測系統(tǒng)
我國煤礦近年曾發(fā)生膠帶輸送機(jī)或機(jī)電硐室火災(zāi)，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失或人員重大傷亡。為此，近年相繼開發(fā)出幾種裝置和儀器設(shè)備，如煤炭科學(xué)研究總院重慶分院研制開發(fā)的KHJ－1型礦井火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)及自動(dòng)滅火裝置以及MPZ－1A型膠帶輸送機(jī)自動(dòng)滅火裝置，它們由速差、溫度、煙霧、紫外線、熱敏電纜等5種傳感器和電源控制箱聯(lián)接，控制箱由單片微機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測控制、智能判斷、控制噴灑泡沫或水噴霧滅火，為我國煤礦外因火災(zāi)的預(yù)測預(yù)報(bào)及防治增添了新的手段和能力。這些系統(tǒng)都是我國自己研制開發(fā)的產(chǎn)品，適應(yīng)我國的具體情況，可供有關(guān)礦井選用。
2、煤層自然發(fā)火機(jī)理
2.1煤體自燃的起因和過程
煤自燃的發(fā)生和發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化的物理化學(xué)過程，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)緩慢地自動(dòng)放熱升溫最后引起燃燒的過程。該過程的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是熱量的自發(fā)產(chǎn)生；二是熱量的逐漸積聚。
導(dǎo)致煤在常溫下產(chǎn)生熱量的因素很多，如水對煤的潤濕熱、煤分子的水解熱、煤中含硫礦物質(zhì)水解及氧化熱、煤中細(xì)菌作用放出的熱量、煤對氧的物理吸附熱、煤對氧的化學(xué)吸附熱以及煤與氧的化學(xué)反應(yīng)熱等等。這些因素對于煤體自發(fā)產(chǎn)生熱量都起著一定的積極作用，在某些條件下甚至是決定性的作用。但大量的研究工作發(fā)現(xiàn)煤的自燃主要是由煤氧復(fù)合作用放出熱量而引起，煤與空氣接觸后首先發(fā)生煤體對氧的物理吸附，之后又發(fā)生煤氧化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)。
導(dǎo)致煤體自燃除熱量的自發(fā)產(chǎn)生之外，另一關(guān)鍵要素就是自發(fā)產(chǎn)生的熱量被逐漸積聚。煤體自燃所需熱量的積聚不但與煤氧復(fù)合作用放出熱量有關(guān)，還與煤體的散熱條件有關(guān)。實(shí)際條件下，煤體的放熱與煤體表面活性結(jié)構(gòu)種類和數(shù)量、煤體的溫度、氧氣濃度等因素有關(guān)；自燃煤體的散熱條件則主要包括煤體的空隙率、漏風(fēng)強(qiáng)度以及周圍環(huán)境的溫度等。當(dāng)煤體的放熱量大于煤體的散熱量時(shí)，煤體熱量被積聚，煤體溫度上升；當(dāng)煤體放熱量小于散熱量時(shí)，則煤體溫度保持穩(wěn)定。煤體熱量積聚過程，也就是煤體自然的發(fā)展過程，而自燃正是煤體放熱與散熱這對矛盾運(yùn)動(dòng)發(fā)展過程的結(jié)果之一。
綜上所述，煤自然發(fā)火主要是由空氣滲透進(jìn)入松散煤體，空氣中的氧與煤分子表面的活性結(jié)構(gòu)接觸，發(fā)生物理吸附、化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)放出熱量，在一定的蓄熱環(huán)境下，煤體不斷地氧化、放熱、升溫，當(dāng)煤溫超過臨界溫度后，煤體繼續(xù)升溫，達(dá)到煤的著火點(diǎn)溫度，最終導(dǎo)致煤體燃燒。
巷道在掘進(jìn)過程中，煤體暴露于新鮮空氣中，在采動(dòng)壓力作用下受壓而破碎、離層，風(fēng)流在各種動(dòng)力作用下滲透進(jìn)入煤體，使煤體氧化放熱。當(dāng)煤體放熱速率大于周圍環(huán)境散熱速率時(shí)，引起升溫，最后導(dǎo)致自燃。由于巷道煤層所處位置、松散煤體堆積形態(tài)、漏風(fēng)動(dòng)力、散熱條件等與一般煤層不同，具有自己的特性，尤其是綜放無煤柱開采。因此，巷道煤層自燃除了具有一般煤層自燃的共性之外，還有自己的特性。
2.2煤層自燃特點(diǎn)
2.2.1由于受煤礦開采條件及采煤工藝的限制，工作面布置走向長度大，上千米煤巷采用綜掘一次完成，因而巷道煤體暴露于空氣的時(shí)間較長，一般均超過煤層最短自然發(fā)火期。
2.2.2巷道內(nèi)因火災(zāi)大多起始于距巷道表面一定深度的中部。在采動(dòng)壓力的作用下，暴露面處的煤體破碎程度較大，漏風(fēng)阻力小，漏風(fēng)強(qiáng)度較大，超過引起煤自燃的上限漏風(fēng)強(qiáng)度，熱量不能積聚，無法形成自熱高溫點(diǎn)；離暴露面較遠(yuǎn)的深部煤體，由于漏風(fēng)通道不暢通，漏風(fēng)阻力較大，氧氣滲透到該處時(shí)濃度已很小，低于煤自燃的下限氧濃度，處于窒息狀態(tài)，亦無法形成自熱高溫點(diǎn)；而在距暴露面一定深度的中部，漏風(fēng)強(qiáng)度適中，風(fēng)流速度慢，氧氣濃度適宜，最容易滿足煤自燃的條件而形成自熱高溫點(diǎn)。
2.2.3煤體導(dǎo)熱性差，火源隱蔽，往往是在發(fā)現(xiàn)巷道煤體表面溫度異常時(shí)，內(nèi)部火勢已形成。自燃火源點(diǎn)逆著風(fēng)流方向發(fā)展，有害氣體順著風(fēng)流方向流動(dòng)，有時(shí)只見有毒有害氣體而不見明火，使尋找火源點(diǎn)的工作非常困難。
2.2.4巷道外因火災(zāi)，火勢發(fā)展迅猛，很快就會(huì)形成大火，但只要氧濃度小于12％火勢就熄滅。在發(fā)火初期只有著火處煤溫很高，由于煤（巖）體導(dǎo)熱性差，周圍煤（巖）體的溫度升高緩慢，煤體的熱容量小，因此出現(xiàn)外因火災(zāi)初期，火勢易于撲滅。巷道松散煤體自燃火災(zāi)則不同，它是煤氧結(jié)合放出熱量引起自然升溫而形成的火災(zāi)，由于煤體的長期氧化，逐漸地向周圍煤（巖）體散熱，同時(shí)自身熱量也逐漸積聚，煤（巖）體溫度升高，儲存了很大的熱能，火源點(diǎn)周圍煤（巖）體的溫度很高，欲降低如此大范圍高溫煤（巖）體的溫度難度很大，且易使暫時(shí)撲滅的火災(zāi)復(fù)燃。
2.2.5井下巷道屬于半封閉空間，煤自燃產(chǎn)生的有毒有害氣體和滅火時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣等只能朝一個(gè)方向移動(dòng)，救災(zāi)人員工作空間回旋余地小，給救災(zāi)人員帶來很大威脅。
2.2.6厚煤層綜放開采順槽沿底板掘進(jìn)，巷道頂煤自然發(fā)火較多，火源位置高。頂煤受礦壓和采動(dòng)影響，易破碎離層；有些煤層煤質(zhì)松軟，掘進(jìn)過程中時(shí)常冒頂形成空洞區(qū)；有的上分層已采，下分層采用綜采放頂煤技術(shù)，由于煤層起伏變化、中間煤層破碎等原因，使綜放順槽與頂部采空區(qū)連通。
2.2.7無煤柱開采留小煤皮的沿空巷道與鄰近層采空區(qū)連通，火源沿巷道頂板及沿空側(cè)（或頂部）采空區(qū)發(fā)展迅速，火勢控制困難。
2.2.8兩道頂煤在回采前破碎區(qū)已受到長時(shí)間的氧化升溫，由于端頭頂煤放出率低，該頂煤垮落采空區(qū)后，產(chǎn)生5－8m寬的丟煤帶，采空區(qū)這2條遺煤帶相對其他地點(diǎn)溫度更高，自然發(fā)火期縮短；當(dāng)接近停采線時(shí)，為了撤架而不放頂煤，使得采空區(qū)形成較大面積懸空，且留有大量浮煤，而撤架時(shí)間又較長，使自燃性增強(qiáng)。當(dāng)相鄰綜放面沿空送巷和回采時(shí)，由于一次采落煤層厚度大，采動(dòng)影響范圍廣，相應(yīng)漏風(fēng)量增加，容易引起巷道自燃火災(zāi)。
2.2.9巷道自然發(fā)火主要發(fā)生在巷道高冒區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造帶、煤體破碎帶、裂隙發(fā)育之處，以及巷道有突變的區(qū)域（巷道變形、起伏、擴(kuò)大、縮小、轉(zhuǎn)彎、分叉、匯合及巷道內(nèi)安設(shè)風(fēng)門、風(fēng)窗、風(fēng)嶂、堆放雜物等）。這些區(qū)域漏風(fēng)強(qiáng)度變化較大，浮煤易自燃。
2.3煤自嫩的危險(xiǎn)區(qū)域
2.3.1采空區(qū)遺煤帶
工作面開采初期，以工作面開切眼附近采空區(qū)為主；工作面開采過程中，以靠近工作面順槽的相鄰采空區(qū)遺煤帶為主；工作面停采撤架期間，以停采線附近采空區(qū)為主。
2.3.2巷道頂煤
極易自燃區(qū)為煤巷頂板局部高冒區(qū)、煤巷地質(zhì)構(gòu)造破壞區(qū)、煤巷起坡破碎區(qū)、煤巷煤柱沿空側(cè)廢棄硐室及開切眼、停采線；易自燃區(qū)為煤巷地質(zhì)構(gòu)造軸部破碎區(qū)、巷道硐室及溜煤眼、煤巷頂部破碎區(qū)、工作面回采期間煤巷超前變形區(qū)；可能自燃區(qū)為煤巷上幫中部破碎區(qū)、煤巷上幫上部破碎區(qū)、煤巷下幫破碎區(qū)。
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