煤自然发火危险性评价与综合防灭火技术研究

王同友

（唐口煤业有限公司，山东 济宁 272007）

1 矿井概况

唐口煤矿现开采煤层为3 煤，巷道埋深及地压大，煤层、煤层顶底板分别具有强冲击地压倾向性和弱冲击地压倾向性，且3 煤层煤尘具有强爆炸性，最短自然发火期为69 d。煤系地层平均地温梯度为3.23/100 m，地温达38 ℃，且局部瓦斯涌出量变化大。

2 自然发火危险性评价

2.1 自然发火危险性评价模型建立

煤炭自然发火机理表明，3 个分指标组成采空区自然发火危险程度U。分指标又由若干次一级的分指标组成。全部指标由16 项构成[1-4]。

（1）自燃倾向性Y1

① 吸氧速率Xl（mL/g）；② 还原与氧化煤样着火温差X2（℃）。

（2）漏风供氧条件Y2

① 漏风氧浓度X3（%）；② 漏风持续时间X4（d）；③ 煤的破碎性X5；④ 两侧压差X6（Pa）；⑤ 封闭质量X7；⑥ 顶板及采空区处理X8；⑦ 采区布置方式X9；⑧ 采煤方法X10；⑨ 通风方式X11；⑩ 煤层倾角X12。

（3）聚热散热条件Y3

① 风速X13；② 自燃带长度与推进速度比X14（d）；③ 遗煤状况X15；④ 区域围岩温度X16（℃）。

2.2 唐口煤矿采空区自然发火危险性评价

经计算可得出6310 工作面自然发火危险性单因素评价结果见表1。

表1 唐口煤矿6310 工作面自然发火危险性单因素评价表

对6310 工作面根据上述评价模型分层次进行评价：

由以上计算结果可知，6310 采空区自然发火危险程度为29.56%，属Ⅲ类，有火灾倾向。

3 6310 工作面采空区自燃“三带”现场观测

采用两巷埋管及温度传感器的方式对6310 工作面采空区进行气体和温度监测，对采空区内各测点每天相同时间进行气体采集，使用气相色谱仪对带回地面的气样进行气体分析[5]。采空区监测点布置如图1。

图1 采空区监测点布置示意图（m）

（1）采空区温度数据分析

采空区内各测点温度变化曲线如图2、图3。

图2 1#、2#测点温度变化曲线图

图3 3#、4#测点温度变化曲线图

由图2、图3 可知，进风侧1～2#测点温度在推进的时候升高较为明显，随后逐渐降低，温度变化区间为25.3～34.0 ℃，最高上升了约8.7 ℃，最后稳定在28.7 ℃左右；回风侧3～4#测点的温度在短暂升高后也逐渐降低，温度变化区间为26.5～31.2 ℃，变化范围为4.7 ℃。在现场观测期间6310 采空区内部温度变化范围不显著，与采空区自燃“三带”的评价标准不相符，因此温度只可作为判断自燃“三带”的辅助指标[6-7]。

（2）采空区CO 浓度数据分析

由图4、图5 可知，CO 浓度在进风侧1～2#测点的变化趋势为先上升再降低，最大值1.13×10-4。随着进风侧测点被埋进采空区深度不断增加，首先CO 浓度有上升趋势，随后测点埋入采空区深度继续增加，CO 浓度呈现下降趋势后趋于平稳。具体为测点在工作面推进49.4 m 左右时CO 浓度达到较高的水平，而在工作面推进86.6 m 左右时CO 浓度降到相对较低的水平；回风侧3～4#测点的CO 浓度变化趋势在工作面推进过程中先上升再降低。CO 可作为一种预测预报自然发火指标的气体。

图4 1#、2#测点CO 浓度变化曲线图

图5 3#、4#测点CO 浓度变化曲线图

（3）采空区1～2#测点O2 浓度数据分析

由图6 分析可知，随着进风侧1～2#测点埋进采空区的深度的不断增加，进风侧测点O2浓度整体呈现下降趋势。具体表现为1#测点在埋进采空区71.6～74 m 时O2浓度下降到了18%以下，进入氧化带；在埋进采空区83.6～86 m 时O2浓度下降到了10%以下，进入窒息带；2#测点在埋进采空区69.8～77 m 时O2浓度下降到了18%以下，进入氧化带；在埋进采空区86.6～89 m 时，氧气浓度降至10%以下，进入窒息带。采空区内遗煤不断消耗O2，风流不能进入采空区深部来补充消耗的O2，O2浓度出现降低。

图6 1#、2#测点O2 浓度变化曲线

（4）采空区3～4#测点O2浓度数据分析

由图7 分析可知，3#测点在埋进采空区39～41.6 m 时O2浓度下降到了18%以下，进入了氧化带；在埋进采空区91.4～93.8 m 时O2浓度下降到了10%以下，进入了窒息带；4#测点在埋进采空区33.8～36.4 m 时O2浓度下降到了18%以下，进入了氧化带；在埋进采空区83.6～86 m 时O2浓度下降到了10%以下，进入了窒息带。

图7 3#、4#测点O2 浓度变化曲线

（5）采空区自燃“三带”范围确定

根据采空区内不同区域O2浓度变化，得出了唐口煤矿6310 采空区自燃“三带”分布情况见表2。

表2 6310 采空区自燃“三带”分布情况

4 防灭火技术措施及其效果检验

4.1 防灭火技术措施

采用水玻璃凝胶为开切眼区域的注胶材料，其中促凝剂（碳酸氢铵）3%、基料10%。在注胶前，先在工作面两端头沿走向方向充填厚度为4 m 左右的沙袋，直至沙袋接顶。回采过程中，采空区两端头向采空区顶部设2 个钻孔，与工作面之间的间隔为5 m。回采过程中工作面每向前推进60～100 m 分别在进回风巷堆架4 m 的砂袋墙对未垮落巷道封堵，在推过砂袋墙一段距离后，待工作面进风巷端头垮落带与砂袋墙充分接触后进行注胶作业。

4.2 效果检验

施工后利用多功能通风参数仪对6310 工作面参数进行了测定，通过图1 所示布置束管监测采取防灭火技术后的采空区CO、O2参数，与采空区自燃“三带”参数进行对比如图8。

由图8 可知，未采取措施前氧气浓度最大可达6.3%，采取措施后氧气浓度最低降至约2.84%，平均氧气浓度约为3%，CO 浓度降至0.3×10-9。指标性气体均在合理范围之内，起到了良好的效果。

图8 措施前后指标气体变化

5 结论

（1）6310 采空区遗煤自然发火危险程度为29.56%，属Ⅲ类，6310 采空区遗煤的供氧氧化条件、自燃倾向性和聚热散热条件有自然发火危险性。

（2）防灭火措施实施后，氧浓度降至约3%，火灾标志性气体CO 浓度未升高，防灭火预控措施起到了良好的效果，保证了矿井安全高效生产。