综采工作面自然发火特性安全控制体系

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［摘要］通过对煤样升温自燃特性实验以及标志性气体的检测分析，得出甘庄煤矿8505综采工作面CO、CO2、烃类气体浓度随温度变化的规律，确定判断该矿工作面可能出现自然发火的标志性气体的临界浓度值，进而对煤层是否存在发火隐患、是否出现自燃隐患、煤温是否超过临界温度、是否存在高温或明火区4个阶段进行判定，并确定自燃危险区域范围及其形态。最后根据这4个阶段的特点从防灭火应急预案、防灭火技术的组织与管理角度建立了组织保障措施、加强专业管理措施、制定严格监督检查措施及目标激励制度的全面系统的防控体系。

［关键词］采空区；自燃预测；安全体系

引言

煤层自燃火灾是矿井主要灾害之一，随着采矿技术的发展，工作面自然发火危险性将越来越大，开展工作面煤炭自燃防控工作是防止矿井自燃火灾的重要工作。甘庄煤矿2019年矿井瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井，11#煤层自燃倾向性为自燃煤层，自燃等级为Ⅱ类，自燃发火期82d；煤尘具有爆炸性。因此，对该矿8505综采工作面反映煤炭自燃氧化特征的CO、CO2、C2H4、C2H6、C3H8等指标气体浓度进行实验分析，对提高工作面火灾的预测预报精度是十分重要的。

1综采工作面取样点布置

甘庄煤矿8505综采工作面煤层属于小湖系9#煤，煤层厚度在0.8~1.9m，平均厚度1.5m，煤层倾角在20°~30°，平均倾角27°。工作面走向长790m，倾斜长120m，采用走向长壁后退式全部垮落法采煤方法。工作面运输采用可弯曲刮板运输机和落地式皮带输送机联合运煤，工作面推进速度在1.2~2m/d，平均1.5m/d，产量400t/d。煤层自然发火期在1~3个月，工作面通风采用U型通风方式，计划用风量678m3/min，实际供风量稳定在850m3/min左右。在8505综采工作面新暴露煤壁处采集新鲜煤样并现场封装，送至中国矿业大学矿井火灾防治实验室进行实验测试与分析。

2甘庄煤矿煤层自燃特性参数实验与分析

2.1实验装置及试样制备

煤样程序升温自燃特性实验装置主要由供气、温度测控、煤样罐、气体分析系统等组成。将所取煤样经粉碎后筛取0.5kg粒径在0.2~0.45mm的煤样进行实验。

2.2煤样测试结果与分析

该煤样自燃标志性气体测试结果如图1~3所示。由图1~3分析可知，甘庄矿8505综采工作面煤样在氧化过程中有规律的出现CO、CO2、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）等5种气体，且5种气体生成量均随煤温的升高而增加。在温度30℃时，CO、CO2就开始出现，其CO浓度为0.71×10-6、CO2浓度为944.4×10-6，到温度70℃时，开始出现乙烷，而到温度为120℃时，乙烯气体开始出现，其浓度为1.02×10-6，随后在温度150℃时出现丙烷，其浓度为0.07×10-6。因此，如果在工作面上隅角检测出CO，并且其浓度不断升高，可认为是煤炭自燃的预兆，应加强该工作面的检测工作，密切注意CO浓度的变化［1］；如果能检测出乙烯（C2H4），说明该区已存在120℃以上的高温区，需立即采取措施，治理煤炭自燃；如果能检测出丙烷（C3H8），说明已存在150℃以上的高温区。

3工作面煤炭自燃监测及早期预报

3.1煤炭自燃预报气体选取

利用煤炭在自燃时产生的高灵敏、易测量及规律性强的气体为标准，通过气像色谱仪对各气体浓度进行分析，确定煤的自燃状态。通过国内外应用实例及实验分析确定以CO、CO2、C2H4、C2H6、C3H8等气体作为自燃预测的标志性气体［2］。

3.2检测方法及检测点布置

（1）检测方法。同时采用人工检测、束管监测和人工采样分析的方法对工作面煤层自然发火情况进行监测，各种检测应定点、定时，以便于进行分析。（2）检测地点。检测地点设于回风隅角支架后部（测点1、3）和回风流中（测点2），工作面气体监测点布置如图4所示。检测参数为CO、CO2、C2H4、C2H6、C3H8等气体。每天按早、中、晚班进行监测。

3.3检测结果分析

早期预报指标及结果如表1、2所示。

4建立自燃防控体系

4.1制定工作面防灭火应急预案

（1）建立以黄泥灌浆为主、注氮及阻化剂为辅的综合防灭火系统，对采完后的工作面做永久性封闭，工作面采用SG-2003型煤矿自燃火灾束管监测系统。（2）建立移动式注浆、注氮及阻化剂泡压注系统和安全监测监控系统。（3）采取措施(如不放顶煤)，增大工作面日推进度。对采空区上、下隅角封闭注胶并控风，减少漏风。（4）采取系统均压措施，升高工作面压力，减少采空区有害气体的涌出［3］。

4.2防灭火技术的组织与管理

（1）采掘过程中的防火管理。把好分层巷道喷堵关；严格按照设计采掘，提高回采率，减少人为丢煤量；加快工作面推进速度；协助搞好通防管理；无论生产接续多么紧张，都要尽量避免前采后掘和采后即掘；适时停采严禁盲目超采，要为实施有效封闭留出足够的空间［4］。（2）加强专业化管理。对煤炭自燃进行专业化管理是防治矿井火灾的重要部分，建立专业化管理机构，结合甘庄煤矿实际，着重做好3个强化，即强化专业管理，严把审批关；强化防灭火口正规化管理；强化防灭火现场基础管理。（3）制定监督检查措施。加强采掘工作面通防设施管理情况的综合考核；加强回采工作面两巷及面内杂物、溢煤清理与回收的专项考核；加强回采工作面洒浆质量的专项考核；加强地面制浆质量的考核；各类罚款由财务科记入通防基金；考核领导小组每季召开一次通防工作总结例会；采取目标激励措施。防灭火工作是一项艰苦、复杂的工作，应实行目标管理，制定各种奖惩措施，并严格执行。

5结论

（1）利用煤样程序升温自燃特性实验装置对甘庄煤矿煤自燃特性参数进行实验测试，得出CO、CO2、乙烯（C2H4）、乙烷（C2H6）、丙烷（C3H8）等5种气体随温度的变化规律，并通过现场检测确定各标志性气体浓度的临界值，通过检测标志性气体浓度可对工作面自然发火危险性进行判定。（2）分别检测工作面回风隅角支架后部和回风流中的标志性气体CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8浓度，对易燃煤层开采进行早期预报。（3）甘庄煤矿8505综采工作面自燃火灾比较严重，因此，应综合运用多种技术和管理手段来防止煤的氧化。同时，要从人、机、环境、管理角度对自燃隐患点进行综合治理。另外，安全文化是企业内部事故预防功能强弱的关键因素，结合自燃火灾的不同特点，煤矿还应加强安全文化建设。（4）利用系统原理，从煤炭自燃预测、预报和火灾处理3个方面综合考虑，制定全面的矿井煤炭自燃防控体系。

［参考文献］

［1］张辛亥，刘灿，周金生，等.综放工作面采空区流场模拟及自燃危险区域划分［J］.西安科技大学学报，2016，26（1）：6-9.

［2］李宗翔.综放工作面采空区瓦斯涌出规律的数值模拟研究［J］.煤炭学报.2002，27（2）：173-178.

［3］李宗翔，张春，王国军，等.炮采放顶煤采空区自然发火的数值模拟应用［J］.中国安全生产科学技术，2006（1）：35-39.

［4］杨胜强，程涛.尾巷风压及风量变化对采空区自然发火影响的理论分析与数值模拟［J］.煤炭学报，2018，36（2）：308-312.

作者：梁忠秋 单位：煤科集团沈阳研究院有限公司