【導(dǎo)讀】綜采放頂煤采煤工作面末采、停采期間。綜合防火技術(shù)研究。兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦。西安森蘭科貿(mào)有限責(zé)任公司

　　

【正文】 巷道自燃危險(xiǎn)區(qū)域等級(jí)劃分 1)巷道煤層自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定條件 巷道煤層自燃的必要條件是： ? ? ? ? ? ?m a xm inm in2 ddCChh O ??? ?? （ 6） 式（ 6）中對(duì)于給定巷道，煤體破碎情況、空隙率都是定數(shù)，則氧濃度 C 反應(yīng)出煤壁或頂煤的漏風(fēng)強(qiáng)度，當(dāng)量粒徑 d 反應(yīng)出煤壁或頂煤的破 碎程度。也就是說，巷道煤層自燃的必要條件是煤體足夠破碎，漏風(fēng)供氧條件良好，松散煤體堆 36 積厚度足夠，三個(gè)條件同時(shí)具備的地方才可能產(chǎn)生煤體自燃。 1)不自燃區(qū)域 根據(jù)公式（ 6）得知，不自燃區(qū)域顯然滿足下式： ? ? ? ? ? ?m inm a xm in2 CCddhh O ??? ?? （ 7） 2)可能自燃的浮煤厚度 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，頂煤內(nèi)平均氧濃度在 16～ 20%，沿空側(cè)平均氧濃度在 8～ 20%。傳導(dǎo)散熱量與松散煤體厚度有關(guān)，厚度越大，傳導(dǎo)散熱量越小。通常浮煤厚度大于 hmin時(shí)，沿空 側(cè)浮煤頂?shù)装鍌鲗?dǎo)散熱量占放熱量的 40～ 80%，頂煤傳導(dǎo)散熱量占 20～ 60%。漏風(fēng)流的焓變帶走熱量占放熱量的比例通常較小，占 10～ 20%。因此，綜合考慮氧濃度對(duì)放熱量的影響，傳導(dǎo)散熱和風(fēng)流焓變帶走熱量，可以認(rèn)為，當(dāng)浮煤厚度 ? ? m inm in 2~ hhh ?? 有可能自燃， ? ? ? ? m inm in ~22~ hhh ?? 易自燃， ? ? ~2 hh ? 極易自燃。 3)可能自燃的煤體破碎程度 煤體破碎程度越大，平均粒度越小。因此，煤體破碎程度在現(xiàn)場(chǎng)僅能用非常破碎、破碎和不破碎三個(gè)模糊概念來(lái) 表述。像斷層帶、構(gòu)造帶、采空區(qū)浮煤通常認(rèn)為非常破碎，空隙率也大，漏風(fēng)性好 ? ?maxdd?? 。像煤壁、煤柱完整地帶則認(rèn)為不破碎 ? ?maxdd?? 。其它地點(diǎn)屬于破碎區(qū)，破碎區(qū)應(yīng)有明顯能觀察到的松散體和破碎特征。 4)自燃區(qū)域分類 根據(jù)巷道煤層自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定條件和可能自燃的浮煤厚度及煤體破碎程度分析，可以得出可能自燃、易自燃和極易自燃三個(gè)區(qū)： 可能自燃： ? ? ? ?? ? ? ?m a xm i nm i nm i n 2~2 ddhhhCC O ???? ?? （ 8） 易自燃： ? ? ? ? ? ?? ? ? ?m a xm i nm i nm i n ~22~2 ddhhhCC O ???? ?? （ 9） 極易自燃： ? ? ? ?? ? ? ?m a xm inm in ~22 ddhhCC O ??? ?? （ 10） 采空區(qū)“三帶”劃分的理論與分析 采空區(qū)浮煤自燃極限參數(shù) 根據(jù)能量守恒原理，采空區(qū)浮煤自然氧化放熱量大于頂?shù)装迳岷惋L(fēng)流帶走的熱量之和時(shí)，才能引起煤自然升溫，即采空區(qū)浮煤氧化放熱能引起升溫必須滿足下式： 0)()()]([ 0 ??? mggme TUd ivTqTg r a dd iv ??? （ 11） 式中： g? 、 gc 分別表示工作面風(fēng)流密度（ ）和熱容（ . ℃ 1）；x 為采空區(qū)內(nèi)部距工作面的距離（ cm）； ? ?Tq 0 為實(shí)驗(yàn)測(cè)定煤的放熱強(qiáng)度 37 （ ）； e ? 為浮煤導(dǎo)熱系數(shù)（ ）； U? 為采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速度（ cm/s）。 因此，采空區(qū)遺煤自燃必須要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產(chǎn)生的熱量得以積聚；要有足夠的氧濃度使浮 煤產(chǎn)生足夠的氧化熱以提供煤體升溫所需熱能；漏風(fēng)強(qiáng)度不能足夠大以致于讓風(fēng)流將產(chǎn)生的熱量帶走。 1）采空區(qū)最小浮煤厚度 若把采空區(qū)浮煤看成是無(wú)限大平面通過巖體傳導(dǎo)散熱，漏風(fēng)強(qiáng)度很小。認(rèn)為是一維漏風(fēng)，煤體內(nèi)的溫度近似認(rèn)為均勻，則 (11)式化為 0)(022 ???????????mmemgg TqzTxTQc ?? （ 12） 其中222)2( )(2 h TTzT ymm ?????? ， x TTxT gmm ???? ， )(21 ymm TTT ?? （ 13） 式中： h 為浮煤厚度； mT 為煤體內(nèi)最高溫度； mT 為煤體平均溫度； Ty 為巖層溫度； gT 為風(fēng)流溫度； e? 為松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)； )(0 mTq 為溫度 mT 、氧氣濃度C0 時(shí) 的氧化放熱強(qiáng)度； x為采空區(qū)距工作面的距離。 把（ 13）式代入（ 12）式化簡(jiǎn)得煤體升溫的必要條件為 m i n0 /)()()(8 hxTTQcTqTThgmggmeym ?????? ???? ? ? （ 14） 即當(dāng)浮煤厚度 h h? min 時(shí)，松散煤體不能引起自然升溫， hmin 為最小浮煤厚度。從（ 14）式可以看出： minh 隨煤溫、漏風(fēng)強(qiáng)度、工作面的距離三個(gè)參數(shù)而變化。根據(jù)（ 14）式，可計(jì)算出不同煤體溫度和漏風(fēng)量時(shí)的最小浮 煤厚度。 2）采空區(qū)極限氧濃度 因氧化放熱強(qiáng)度 )(mTq 與氧濃度成正比，即： )()(0022 mOOm TqCCTq ? （ 15） 式中 ： )(mTq 表示氧濃度為 C 時(shí)的放熱強(qiáng)度； )(0 mTq 表示氧濃度為 C0(即 21%)時(shí)的放熱強(qiáng)度； 02OC為新鮮風(fēng)流氧濃度，取 21%； C 為實(shí)際氧濃度。 把（ 5）式代入（ 1）式得 ： m i n00 )]()([)( 22 CTQcdi vgr adTdi vTq CC mggmemOO ???? ?? （ 16） 即當(dāng) minCC? 時(shí)煤體氧化產(chǎn)生的熱量小于散發(fā)的熱量， minC 為下限氧濃度。 對(duì)于采空區(qū)可簡(jiǎn)化為無(wú)限大平板的一維傳熱，則（ 16）式可化為 ])(2)(8[)( 200m i n 2 x TTQch TTTqCC gmggymemO ??????? ?? （ 17） 式中， h 為采空區(qū)浮煤厚度， cm。 從（ 17）式看出； Cmin隨煤溫、漏風(fēng)強(qiáng)度、工 作面距離和浮煤厚度四個(gè)參數(shù)變化。 忽略風(fēng)流焓變散熱時(shí)，可得出不同浮煤厚度和煤體溫度時(shí)的下限氧濃度值。 38 3）采空區(qū)極限漏風(fēng)強(qiáng)度 當(dāng)采空區(qū)浮煤厚度大于 hmin ，又有足夠的氧濃度，且風(fēng)流為一維流動(dòng)，流速是個(gè)常數(shù)，則（ 18）式化為 0)(022 ??? zTUTqzT mggmme ?????? m a x220 )( UzT zTxTTqUmggmemggm ?????? ?????? （ 18） 因 nUQ ??max 則 m a x220 )( QzTc zTxTcTqQmggmmmggm ?????? ?????? （ 19） 即 )( /)(8)(20ma x gmgg ymem TTc hTTTqxQ ??? ???? ? ? （ 20） 當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度 Q Q? max 時(shí)，煤體就不可能引起自然升溫，稱 Qmax 為極限漏風(fēng)強(qiáng)度。從（ 20）式看出 maxQ 隨煤溫、工作面距離、浮煤厚度三個(gè)參數(shù)變化。 采空區(qū)遺煤自燃“三帶”劃分條件 采空區(qū)遺煤自燃大體可劃分為三個(gè)帶，即散熱帶、氧化升溫帶 和窒息帶。這三個(gè)帶在生產(chǎn)工作面呈動(dòng)態(tài)變化，主要受工作面推進(jìn)速度影響。 1）散熱帶 采空區(qū) 散熱帶是指在某一定溫度下，雖然有足夠的氧濃度，煤體能得以充分的氧化放熱，但產(chǎn)生的熱量始終小于或等于散發(fā)熱量的所有點(diǎn)的集合。 散熱帶的判定條件為： minmax hh ?? ? （ 21） 2）窒息帶 采空區(qū) 窒熄帶是指在某一溫度下，雖有足夠的浮煤厚度和蓄熱條件 ， 但由于氧濃度低 ， 使得產(chǎn)生的熱量小于或等于散發(fā)熱量的所有點(diǎn)的集合。 窒熄帶的判定條件為 ： minCC? （ 22） 3）氧化升溫帶 氧化升溫帶是指在某一溫度下 ， 產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)熱量的所有點(diǎn)的集合。 采空區(qū)氧化升溫帶的判定條件為： m inm inm a x CChh ??? ?? （ 23） 綜放面采空區(qū)三帶范圍的靜態(tài)劃分 如 圖 64 所示 。 39 圖 64 采 空 區(qū)三帶靜態(tài)劃分示意圖 3 綜合防 火技術(shù) 煤層自燃防治是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅要求礦井有合理的開拓系統(tǒng)和開采方法、合理的礦井、采區(qū)和工作面通風(fēng)系統(tǒng)，可靠的專項(xiàng)防治措施和管理制度，還必須掌握相應(yīng)的防滅火技術(shù)，具有完善的防滅火系統(tǒng)及裝備。 目前煤礦井下常用的防滅火技術(shù)主要有：堵漏、均壓、惰氣、惰泡、三相泡沫、阻化劑、霧化阻化劑、惰化阻化劑、用水滅火、灌漿、膠體防滅火技術(shù)等，這些技術(shù)按其主要作用和功能可歸納為以下幾類： 1）控制漏風(fēng)技術(shù) 主要目的是：減少或杜絕松散煤體氧氣的供給。技術(shù)手 段有：水泥噴漿；泡沫噴涂；納米改性彈性體材料涂抹；均壓。 水泥噴漿工作量大，回彈多，抗動(dòng)壓性差，堵漏效果不十分理想；泡沫堵漏性能好，抗動(dòng)壓性好，但其成本較高，高溫時(shí)分解，釋放出有害氣體；納米改性彈性體材料具有氣密性好、伸長(zhǎng)率大等性能，可刮、涂、抹在煤巖體、木材及閉墻漏風(fēng)處，操作簡(jiǎn)單，使用方便，可根據(jù)施工需要調(diào)整固化時(shí)間，固化后表面形成彈性體。 閉區(qū)均壓可減少向封閉區(qū)域內(nèi)的漏風(fēng)，開區(qū)均壓則可降低采空區(qū)周邊的壓差，減少向采空區(qū)浮煤漏風(fēng)，從而降低自燃危險(xiǎn)程度，但對(duì)于已經(jīng)或曾經(jīng)發(fā)生過自燃的火區(qū)，僅依 靠均壓達(dá)到完全杜絕漏風(fēng)，防止自燃的目的是不現(xiàn)實(shí)的。 2）火區(qū)惰化技術(shù) 主要目的是：降低火區(qū)氧濃度，窒息火區(qū)。技術(shù)手段有：注入 N2 和 CO2 等惰性氣體；惰氣泡沫；三相泡沫。 惰氣和泡沫可充滿整個(gè)空間，既能迅速窒息明火，又能抑制煤層自燃高溫火區(qū)的發(fā)展，但對(duì)大熱容的煤體降溫效果不好，滅火周期長(zhǎng)，火區(qū)易復(fù)燃，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)堵漏風(fēng)工作要求較高。 惰泡和三相泡沫能起到固氮、降溫、減少漏風(fēng)、降低采空區(qū)氧濃度、包裹煤體等作用，但泡沫穩(wěn)定時(shí)間短，在碎煤中壓注，發(fā)泡性能差，起泡倍數(shù)低，若僅 40 起阻化劑作用， 則成本太高，效率低，對(duì)已形成高溫的浮煤，僅依靠惰泡隔氧滅火，需注惰泡量很大，且易復(fù)燃。 3）煤體阻化技術(shù) 主要目的是：降低煤體的氧化活性，抑制煤氧結(jié)合。技術(shù)手段有：噴注 CaClMgCl2 等一些吸水性很強(qiáng)的鹽類；霧化阻化劑；惰化阻化劑。 當(dāng) CaCl MgCl2 的水溶液附著在煤體表面時(shí)，形成一層含水液膜，阻止煤氧接觸，同時(shí)能使煤體長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，在低溫氧化時(shí)溫度不易升高，從而抑制了煤的自熱和自燃；阻化劑防火效果較好，但當(dāng)煤中水份蒸發(fā)，減小到一定程度時(shí)，阻化作用就會(huì)停止，轉(zhuǎn)而變?yōu)榇?化作用，促進(jìn)煤的氧化與自燃。 惰化阻化劑在煤溫超過一定溫度時(shí)，開始吸熱氣化，產(chǎn)生惰性阻化氣體，阻礙火區(qū)的自由基鏈鎖反應(yīng)過程，高溫分解后的剩余物在煤表面生成一層薄膜，冷卻后成為脆性覆蓋物，使煤與空氣隔絕；但該材料不易均勻地分散到煤體內(nèi)，充分發(fā)揮其防滅火效能，如用其水溶液注入煤體則易流失。 4）吸熱降溫技術(shù) 主要目的是：降低高溫煤體溫度，徹底熄滅高溫火區(qū)，防止火區(qū)復(fù)燃。技術(shù)手段有：注水；灌漿；液氮；液態(tài) CO2。 熄滅煤層火區(qū)的關(guān)鍵是降低煤溫。水是最經(jīng)濟(jì)、來(lái)源最廣泛吸熱降溫材料，其 熱容量很大， 1 升水轉(zhuǎn)化成蒸汽時(shí)吸收 熱量，同時(shí)生成 水蒸汽，能很快降低煤溫，大量水蒸汽具有沖淡空氣中的氧濃度、包圍、隔離火源、窒息火源的作用；灌漿防滅火技術(shù)在我國(guó)有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井中用得較普遍，泥漿能夠吸熱降溫，對(duì)煤體還有包裹作用，達(dá)到隔氧的目的，對(duì)于采空區(qū)的防滅火效果顯著，已成為與井下內(nèi)因火災(zāi)斗爭(zhēng)的主要措施之一。 但井下自燃火源通常處于比較高的部位，用水或泥漿滅火時(shí)，不能滯留在發(fā)火部位，易形成固定的通道流動(dòng)，流過發(fā)火部位后僅使煤表面溫度得到降低，煤體內(nèi)部溫度仍然很高；水的沖 刷將煤體表面的灰分帶走，又露出新的煤體表面，水的劇烈蒸發(fā)