摘要：根據(jù)采空區(qū)煤炭自燃理論，依據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐中礦井通風(fēng)管理實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從理論、實(shí)踐2個(gè)方面闡述吉林省營城煤礦立井3層煤厚煤層采煤工作面控制煤炭自燃的可行性、可操作性。利用簡單易行的埋管取樣測溫法預(yù)測、預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火，采取有效措施，控制煤炭自燃。適用于傾斜長臂后退式開采工作面，具有準(zhǔn)確性和直觀性，具有成本低、操作手段簡單、效果相同、經(jīng)濟(jì)效果明顯等特點(diǎn)，有一定的推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：自然發(fā)火；埋管取樣；預(yù)測預(yù)報(bào)

自燃厚煤層采用綜合機(jī)械化放頂煤進(jìn)行開采，綜放支架上部的煤炭是利用地壓自然放頂，再從放煤口放出。這樣，采空區(qū)必然殘有部分煤炭，并且采空區(qū)冒實(shí)狀況不好，風(fēng)阻值降低，這就為采空區(qū)的自然發(fā)火創(chuàng)造了有利條件。

吉林省營城煤礦立井3層煤煤厚4～12m，煤種為長焰煤，煤層自然發(fā)火期為1～3個(gè)月，最短發(fā)火期為18d，自然發(fā)火事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)，及早地預(yù)測預(yù)報(bào)采空區(qū)的自然發(fā)火已迫在眉睫。我們在立井綜合機(jī)械化放頂煤開采過程中，采用了埋管取樣、預(yù)測預(yù)報(bào)其采空區(qū)的自然發(fā)火取得了較好的效果。

1 煤自然發(fā)火原理

具有自燃傾向性的煤炭與空氣接觸時(shí)，吸附空氣中的氧氣而生成不穩(wěn)定的氧化羥基和羧基。煤的氧化進(jìn)程平穩(wěn)、緩慢，煤重略增加，著火點(diǎn)溫度降低，化學(xué)活性增加，測不到煤溫及其周圍環(huán)境溫度上升，這個(gè)階段稱煤的自燃準(zhǔn)備期，又稱潛伏斯。經(jīng)過潛伏期之后，煤的氧化速度增加，不穩(wěn)定氧化物分解成水、CO₂、CO。氧化產(chǎn)生的熱量使煤溫繼續(xù)升高，超過自燃臨界溫度(60～80℃)，煤溫上升急劇加速，氧化進(jìn)程加快，出現(xiàn)煤的干餾，生成芳香族碳?xì)浠衔?、氫、CO等可燃性氣體，這就是煤的自熱期。自熱期的發(fā)展達(dá)到了煤的著火點(diǎn)溫度，就導(dǎo)致自燃，產(chǎn)生煙霧、明火等。如溫度上升不到臨界溫度或上升這一溫度后由于外界條件的變化，很快地降下來，這樣就進(jìn)入風(fēng)化狀態(tài)，風(fēng)化了的煤一般不會發(fā)生自燃。

從煤的自燃發(fā)展過程可見，煤的自燃實(shí)質(zhì)上就是自身氧化加速的過程，其氧化速度之快，以致產(chǎn)生的熱量來不及向外放散，而導(dǎo)致了自燃。

2 采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的劃分

全部冒落法長臂式后退回采工作面的采空區(qū)，按遺煤自燃情況可分為“三帶”即不燃帶、自燃帶、窒熄帶。

(1)不燃帶。不燃帶靠近回采工作面的開采空間，雖有遺煤，但由于冒落巖塊未壓實(shí)，呈松散堆積狀，孔隙大，漏風(fēng)大，無聚熱條件，加之煤炭氧化時(shí)間短，一般不會自燃，其寬度在工作面全長中心計(jì)算約5m左右。

(2)自燃帶。由不燃帶向采空區(qū)內(nèi)部延伸25~60m的空間，由于冒落巖塊逐漸壓實(shí)，孔隙度降低，漏風(fēng)減弱，風(fēng)流呈過渡流態(tài)，殘留在采空區(qū)的煤炭隨著時(shí)間的增長氧化生熱，熱量集聚，達(dá)到著火點(diǎn)，導(dǎo)致自燃。

(3)窒熄帶。自燃帶之后就是窒熄帶，在此區(qū)域內(nèi)巖塊繼續(xù)壓實(shí)，漏風(fēng)基本消失，O₂濃度下降，煤炭由于缺氧而不會自燃，即使在自燃帶發(fā)展起來的煤炭自燃進(jìn)入此帶后也會因缺氧而窒熄，溫度也會由巖塊的導(dǎo)熱散失而逐漸恢復(fù)正常。

“三帶”的位置隨著工作面的推進(jìn)而前移。自燃帶前移的速度愈慢，寬度愈大，浮煤留在此帶內(nèi)的氧化時(shí)間就愈長，愈易自燃。

3 埋管取樣測溫預(yù)測預(yù)報(bào)采空區(qū)自然發(fā)火機(jī)理

(1)采空區(qū)取樣。定點(diǎn)、定期采取采空區(qū)氣體氣樣進(jìn)行氣相色譜分析，觀察采空區(qū)氣體成份中的O₂、CO、CO₂等氣體的變化規(guī)律(即O₂的減少量和CO、CO₂的增加量)借以判斷某測點(diǎn)控制范圍的采空區(qū)是否已有自然發(fā)火的初期征斃，營城礦立井把此值定為0.005%(CO濃度)，發(fā)火臨界值定為0.01%(CO濃度)。

(2)埋管測溫法。采空區(qū)埋管測溫可以直觀、準(zhǔn)確地測定出高溫?zé)嵩吹姆秶?，不受工作面風(fēng)量、炮煙等因素影響，無氣樣失真的缺點(diǎn)，與取樣分析相結(jié)合可做到準(zhǔn)確預(yù)測、預(yù)報(bào)回采工作面采空區(qū)自然發(fā)火。營城礦立井溫度臨界值定為高于環(huán)境10℃。

(3)劃分本工作面采空區(qū)的“三帶”寬度，即不燃帶、自燃帶和窒熄帶的寬度。取氣樣中O₂濃度<8%為窒熄帶，高>8%為自燃帶和不燃帶(不燃帶氧氣濃度為工作面的O₂濃度)。“三帶”的寬度與工作面的風(fēng)量、風(fēng)壓、采空區(qū)巖石冒落狀況以及采空區(qū)風(fēng)阻等因素的關(guān)，每個(gè)工作面的“三帶”寬度都不一樣，就是同一個(gè)工作面，其“三帶”的寬度也隨著其采煤工作面風(fēng)量、風(fēng)壓的變化，采空區(qū)巖石冒落狀況的不同而不同。一般情況下，自燃帶距工作面的距離為10~30m。

4 埋管取樣測溫預(yù)測預(yù)報(bào)采空區(qū)自然發(fā)火工藝

第一組有1、2、3、4號4個(gè)取氣樣口布置在工作面采空區(qū)的回風(fēng)側(cè)，從開切眼依次15m向工作面排列。隨著工作面的開采，各測點(diǎn)依次進(jìn)入采空區(qū)，定時(shí)分別抽取各測點(diǎn)氣樣，氣相色譜分析其氣體的變化，以確定“三帶”的寬度及預(yù)測、預(yù)報(bào)采空區(qū)遺煤的自燃。

第二組有5、6號2個(gè)溫度傳感器依次等距離20m從開切眼向工作面方向排列，觀察采空區(qū)遺煤自然發(fā)火規(guī)律及確定工作面的最低月進(jìn)度，其測點(diǎn)布置如置如圖1所示。



圖1 取樣、測溫點(diǎn)布置示意圖

上順躲避所中設(shè)一取樣箱．各管口的標(biāo)號與采空區(qū)取樣口標(biāo)號一致，用抽氣筒抽取氣樣裝人氣樣袋中，送到地面氣相色譜儀進(jìn)行分析。下順采空區(qū)的溫度傳感器由溫度屏蔽線連到下順的溫度探頭，再連至地面機(jī)房，連續(xù)觀察5、6號測點(diǎn)的溫度變化。

5 所需設(shè)備材料

5.1 取樣部分

(1)取氣樣筒。由高壓打氣筒改裝成抽氣筒。

(2)取氣樣管。直徑8mm普通塑料管。

(3)氣樣袋。暫存、運(yùn)輸氣樣之用的普通氣樣袋。

(4)氣相色譜分析儀。分析各測點(diǎn)所取氣樣的各種氣體含量。

5.2 測溫部分

(1)溫度探頭(含傳感器)采用分離式，鎮(zhèn)江產(chǎn)KG3013A型。

(2)溫度屏蔽線。鎮(zhèn)江產(chǎn)POY-39-9-1型屏蔽線。

(3)奔騰主機(jī)、VGA顯示器、打印機(jī)。

5.3 輔助材料

(1)?50mm鋼管。起保護(hù)作用，取樣管、測溫線置于其中。

(2)測點(diǎn)保護(hù)罩。自制，保護(hù)傳感器不被冒落巖石打壞，取樣管口不被煤巖堵嚴(yán)。

6 埋管取樣測溫預(yù)測預(yù)報(bào)煤炭自然發(fā)火試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)在營城礦立井二采區(qū)3層煤綜采放頂煤工作面，該區(qū)右側(cè)為老采空區(qū)，其它均為未采區(qū)，因保留煤柱較大，故此采煤工作面無外部漏風(fēng)。

綜采放頂煤采煤工作面走向長度500m，工作面長100m，煤質(zhì)為長焰煤，煤厚10m，煤層傾角8^o～12^o，采用綜采放頂煤一次采全高的采煤方法，1999年2月開切眼送透，8月1日正式開采，各測點(diǎn)分布見圖1。各測點(diǎn)測量結(jié)果見表1、表2。

表1 1號、2號、3號氣樣表



表2 5號、6號溫度變化表



從表1、表2可以看出，采煤工作面推進(jìn)50m時(shí)，采空區(qū)已有自然發(fā)火征兆，高溫點(diǎn)在工作面入風(fēng)側(cè)采空區(qū)15～25m范圍內(nèi)，應(yīng)立即采取防滅火措施。但因該工作面為俯采工作面，不能采取注漿防滅火方法。雖采取了均壓，下隅角擋風(fēng)布，上下隅角抹黃泥堵漏等措施，因采空區(qū)面積大，局部堵漏效果不好，加上綜放架子不配套，工作面推進(jìn)速度過緩，又采了1個(gè)月，只推進(jìn)了7m，最終綜放工作面開采8個(gè)月，工作面推進(jìn)57m，上隅角見煙，工作面封閉。

7 結(jié)論

(1)埋管取樣、測溫法預(yù)測、預(yù)報(bào)煤巖的自然發(fā)火適用于傾斜長臂后退式開采工作面的采空區(qū)，具有準(zhǔn)確性和直觀性，有一定的推廣價(jià)值。

(2)此方法與束管監(jiān)測系統(tǒng)相比，具有成本低、操作手段簡單、效果相同、經(jīng)濟(jì)效果明顯等特點(diǎn)。

(3)此方法也適用于停采線、高冒區(qū)的防火監(jiān)測。