论文部分内容阅读
[摘 要] 介绍了大屯煤电公司姚桥煤矿煤炭自燃的特点，分析了综放回收面停采后煤炭自燃的原因，对综采放顶煤回收面设备回撤期间的防灭火技术进行了论述。
[关键词] 综采放顶煤； 设备拆除； 防灭火
中图分类号 ： TD75 文献标识码 ： B 文章编号：
O. 概述
姚桥煤矿属煤层自然发火矿井，煤层自然发火顷向性为Ⅱ～Ⅲ类。自然发火危险等级为Ⅰ～Ⅱ级不等，所采煤层的厚度为5 m 左右。近年来煤层自然发火频繁，尤其在综放工作面停采收面、设备回收期间，煤炭自燃发火事故时有发生。
综放工作面在停采收面回收设备期间，工作面静止时间较长，一般都超过煤炭最短发火期，而且在停采期间，支架上方的煤炭和支架后方采空区的浮煤，在相对静态的状态下得到充分的氧气供给和有良好的蓄热环境，煤炭自然发火的可能性大大增加。
1. 综放工作面停采后，煤炭自燃特点分析
1.1 支架后方的网上煤炭
支架后方的网上煤炭是指综放工作面在距停采线15～20m处为回收支架而铺设的网片，此时顶煤冒落在网上不能放出， 因此在支架后方采空区内留有宽15～20m，长与综放工作面斜长同等的破碎煤带条，此破碎煤带即为综放工作面停采后的网上煤炭。综放工作面停采后，由于网上煤炭所处位置具备持续供氧、热量聚集和足够的氧化时间等条件， 所以网上煤炭极易自燃发火。
1.2 支架上方的网上煤炭
支架上方的煤炭即为停采后综放工作面支架和后部溜子上方的煤炭。此处煤炭的特点与支架后方网上煤炭类似，区别在于支架上方煤炭的破碎程度在综放工作面刚刚停采后相对较小，块度较大，主要呈裂隙状。当支架开始拆除回收时，支架上方的煤炭随支架的拆除回收而冒落、破碎。当缓慢的风流经过该冒落区时， 此处煤炭会缓慢氧化自燃，特别是当综放工作面的拆除回收时间超过30d时，此处煤炭自燃发火的可能性就大大增加，一旦该处的煤炭自燃产生CO气体，将严重影响综放工作面的拆除速度，使得煤炭有了更长的氧化、聚热时间，最终酿成自燃发火事故。
1.3拆除回收支架部分后，采空区漏风分布发生变化
当综放工作面的支架开始拆除回收后，支架上方的煤炭随之冒落，部分堵塞了原有的通风断面，局部通风阻力加大，迫使综放工作面的进风流向采空区深部扩散，增大了综放回收面下半部采空区的漏风宽度。因此，在综放回收面支架拆除回收过程中，回收面的下半部从停采线至采空区50m范围内的遗留煤炭最易发生自燃发火。
2. 停采拆除回收设备期间煤炭自燃的防治
2.1 减小采空区漏风宽度
综放工作面停采后，立即对上、下隅角采取堵漏风措施， 即在端头支架以里， 建立阻燃墙或板墙，对墙面喷涂罗克休防灭火材料，对墙内压注罗克休或凝胶等防灭火材料，严禁风流从两道的上、下隅角漏进或漏出，减少采空区的漏风量，缩小其漏风的宽度，如图1所示。
综放回收面采空区的内部漏风主要是由上、下两巷道压差造成。上、下两巷道因支护原因在回采过程中冒落不实， 特别是采用锚网、锚索支护形式的巷道，工作面回采后冒落滞后，使采空区的漏风深度加大。当上、下隅角建墙后，相对缩短了采面的斜长，封堵了因上、下两巷造成的漏风，起到了缩小工作面采空区漏风宽度的作用。
2.2 建立工作面采空区无煤防火隔离带
所谓工作面无煤隔离带，是在综放工作面进入停采准备期前，在工作面放煤过程中将顶煤彻底放净，在采空区内形成一定宽度的无煤区。
无煤隔离带位置确定：综放工作面采空区内煤炭易自然发火的主要原因之一是采空区内的遗煤较多。根据采空区“三带”理论，在综放工作面正常推进时，采空区处于动态变化当中，位于“自燃带”的煤炭在自然发火期内进入了“窒息带”，因此在综放工作面保证一定推进度的情况下，其采空区内的遗煤很难自燃。但是，当综放工作面停采后，采空区处于静止状态，工作面拆除回收的时间往往致使处在“自燃带”的煤炭滞留时间超过其自然发火期，因此，自燃的可能性就大大增加。
综放工作面停采后，采空区“自燃带”有所前移，其原因是：①综放工作面停采后，支架后方网上顶煤整体冒落，使得靠近综放工作面采空区充分压实，增加了漏风阻力；②综放工作面停采后上、下隅角建立的挡风墙缩小了工作面的斜长、减少了采空区的漏风；③综放工作面停采后，其供风量的减少， 降低了上、下两巷道的通风压差；④综放工作面停止推进时，后部采空区逐渐压实。上述原因，都在不同程度上促使了工作面采空区“自燃带”的前移，也是确定无煤隔离带位置的依据。
回收面无煤区的作用是：①回收面无煤区内不会发生煤炭自燃；②有效隔离无煤区后部采空区煤炭的自燃，阻止自燃发火灾害向综放工作面扩散。无煤隔离带建立在支架后方网上冒落区的后部，其宽度为20～30 m。
2.3 插管压注罗克休防灭火
罗克休在灭火、堵漏、局部隔离等方面起着不可替代的作用，其技术越来越成熟，已得到现场的广泛应用。应用罗克休防灭火技术解决工作面停采拆除期间煤炭自燃问题，在本矿已取得了较好的效果。
工作面停采后压注罗克休就是每隔2～3架，从支架间隙向支架斜上方和后部溜子的斜上方插管。通过软管将远距离（小于250 m ）处的罗克休经插管注入松散的煤体及煤的裂隙中。为避免与工作面支架拆除工作发生冲突， 压注罗克休工作在工作面停采后立即开始，待煤机、溜子等工作面的其他设备拆除完毕，开始拆除第一台支架后， 压注罗克休工作即停止。
插管壓注罗克休主要是针对支架上方的破碎煤体及网上冒落的松散煤炭，其作用是包裹煤体、充填空隙，能有效防止该处煤炭发生自燃。若采空区内已经发生煤炭自燃征兆，注胶后可产生良好的隔离带，抑制自燃向工作面方向发展，给工作面拆架工作赢得时间。 2.4 预埋管注浆
工作面停采前，在上巷预埋注浆管2～3 趟。第一根管出口位置在网上煤炭区；第二根管出口在无煤区（可不埋设）；第三根管出口在无煤区以里的采空区内。
埋设注浆管的主要目的是起预防作用，一旦停采面在拆除过程中出现煤炭自燃征兆，可采取向采空区注浆的措施，确保设备拆除工作的顺利进行。
2.5 拆架期间通风方式的选择
⑴ 全负压通风
全负压通风方法有二种：一是在工作面支架拆除前，沿工作面煤壁打木垛；二是在拆除设备前，沿工作面倾向每隔两架打一排锚索控制顶煤冒落，维护通风断面，保证风流顺利通过。通风方式可为上行或下行通风。上行通风：风流通过支架冒落后的采空区，同时也加大了拆除面下部靠近停采线附近采空区的供风量及其供风深度，此通风方法不利于防火。另外， 上行通风时，当支架冒落区或下部采空区一旦出现CO气体，很容易污染拆架面的工作环境，影响设备拆除进程。
⑵ 局部通风
局部通风是指工作面支架拆除后， 顶煤冒落堵塞原有的通道，此时利用局扇向拆架处供风。实行局部通风前，溜子道必须封闭。下巷封闭利用局扇通风，大大减少了支架后方采空区的漏风量及漏风带的宽度，对防灭火工作有利。但由于受拆架断面的限制，局部通风风筒的吊挂与拆架互相影响，使得局部通风管理难度加大，不利于改善拆架面的作业环境。
2.6 指标气体监测
根据多年来对井下采空区气体的化验结果来看，在矿区原生煤体中并不存在CO气体，故原生煤体中是否出现CO气体便成为印证煤氧复合发生化学反应的关键指标。从该矿煤样升温实验的结论中可知：
⑴原始阶段，外部无自燃征兆，气体分析时未发现CO气体。
⑵低温氧化阶段，煤温开始上升，巷道内有热气，煤温低于70℃，风流中含有微量CO气体。
⑶升温氧化阶段，煤温逐渐上升，巷道顶板干燥，热气增大，巷道局部地段气温升高，风流中CO浓度增高，出现乙烯，此时升温点的温度可达110～130℃ 。
⑷煤炭加速升温阶段，由于煤炭加速氧化，煤层和围岩温度升高，风流中水蒸汽变少，巷道顶板冷凝水消失。风流中CO成倍增加并出现烯烃、烷烃类气体。此时的煤体温度可达140～190℃。
⑸煤炭急剧升温阶段，煤体急剧氧化，煤被干馏，有气味。风流中的CO、烯烃、烷烃类气体的浓度较高。此时，聚热处的温度在200℃以上。
⑹煤体耗氧速度、CO、CO2 及C2H4产生率均随煤温的升高而增大，C2H4在110～120℃时出现。
以此为理论根据，在工作面停采期间监测停采线附近采空区的CO产生和变化情况来判断煤炭自燃的发展趋势，指导工作面拆除及防灭火工作的开展。具体做法是在工作面上巷采空区内预埋3趟束管。三趟束管的埋设距离分别为8～12m、22～3lm、38～54m。用气泵采集气样，分三班取样化验，作出CO变化趋势图表以备总结分析。
3 结论
⑴保证工作面拆除期间不发生煤炭自燃事故，必须做好充分的准备工作，其中包括防火、设备运输、组织协调等，确保在最短煤炭自然发火期内完成工作面的拆除工作，并将其封闭。
⑵综放面采空区周边始终存在一条U型漏风通道，极易引起采空区周边遗煤自燃，堵截漏风通道的最有效措施是预先埋管，待管路埋入采空区后注胶泥。
⑶网上顶煤区插管压注罗克休防灭火材料和预埋管注浆均属预防性准备措施，如果煤炭没有自燃发火征兆，可不注浆和凝胶， 一旦有自燃发火迹象则可立即实施。
⑷采取注浆、压注罗克休、注胶泥及建筑阻燃墙封堵工作面上、下隅角等措施都可减小采空区的漏风量，并使自燃危险区宽度变窄。在采空区未发生煤炭自燃之前，采取这些措施能有效地预防采空区煤炭自燃。采空区发生煤炭自燃后，由于这些措施难以杜绝采空区漏风，在火风压等多种因素的作用下，采空区漏风量大大增加，总难以达到消灭自燃的目的。所以，采空区防灭火应加大投入，以防为主，以取得事半功倍的效果。
⑸综放面推进时，若切断了采空区U型漏风带漏风和旁侧漏风，只要保证：自燃危险区宽度除以日推进度之值小于自燃发火期，采空区煤炭就不会自燃，此时可采用加快工作面推进速度的方法防治采空区煤炭自然发火。若不切断采空区U型漏风区漏风和旁侧漏风，即使加快工作面的推进速度，深部采空区遗煤仍会自燃。
⑹注浆作为一种充填采空区防灭火措施，由于它在短期内难以填实采空区形成黄泥或粉煤灰的立体堆积，因而它在处理综放采空区漏风及堆积煤炭自燃时，总难以达到预期的目的。
⑺综放面在巷道布置时要尽量减少进风侧漏风源和回风侧漏风汇的个数，防止旁側漏风引起采空区煤炭自燃。
[作者简介]
吴少先，江苏沛县人，1972年8月出生，大学本科，高级工程师；工作单位：上海能源大屯煤电股份有限公司姚桥煤矿副总工程师。
[关键词] 综采放顶煤； 设备拆除； 防灭火
中图分类号 ： TD75 文献标识码 ： B 文章编号：
O. 概述
姚桥煤矿属煤层自然发火矿井，煤层自然发火顷向性为Ⅱ～Ⅲ类。自然发火危险等级为Ⅰ～Ⅱ级不等，所采煤层的厚度为5 m 左右。近年来煤层自然发火频繁，尤其在综放工作面停采收面、设备回收期间，煤炭自燃发火事故时有发生。
综放工作面在停采收面回收设备期间，工作面静止时间较长，一般都超过煤炭最短发火期，而且在停采期间，支架上方的煤炭和支架后方采空区的浮煤，在相对静态的状态下得到充分的氧气供给和有良好的蓄热环境，煤炭自然发火的可能性大大增加。
1. 综放工作面停采后，煤炭自燃特点分析
1.1 支架后方的网上煤炭
支架后方的网上煤炭是指综放工作面在距停采线15～20m处为回收支架而铺设的网片，此时顶煤冒落在网上不能放出， 因此在支架后方采空区内留有宽15～20m，长与综放工作面斜长同等的破碎煤带条，此破碎煤带即为综放工作面停采后的网上煤炭。综放工作面停采后，由于网上煤炭所处位置具备持续供氧、热量聚集和足够的氧化时间等条件， 所以网上煤炭极易自燃发火。
1.2 支架上方的网上煤炭
支架上方的煤炭即为停采后综放工作面支架和后部溜子上方的煤炭。此处煤炭的特点与支架后方网上煤炭类似，区别在于支架上方煤炭的破碎程度在综放工作面刚刚停采后相对较小，块度较大，主要呈裂隙状。当支架开始拆除回收时，支架上方的煤炭随支架的拆除回收而冒落、破碎。当缓慢的风流经过该冒落区时， 此处煤炭会缓慢氧化自燃，特别是当综放工作面的拆除回收时间超过30d时，此处煤炭自燃发火的可能性就大大增加，一旦该处的煤炭自燃产生CO气体，将严重影响综放工作面的拆除速度，使得煤炭有了更长的氧化、聚热时间，最终酿成自燃发火事故。
1.3拆除回收支架部分后，采空区漏风分布发生变化
当综放工作面的支架开始拆除回收后，支架上方的煤炭随之冒落，部分堵塞了原有的通风断面，局部通风阻力加大，迫使综放工作面的进风流向采空区深部扩散，增大了综放回收面下半部采空区的漏风宽度。因此，在综放回收面支架拆除回收过程中，回收面的下半部从停采线至采空区50m范围内的遗留煤炭最易发生自燃发火。
2. 停采拆除回收设备期间煤炭自燃的防治
2.1 减小采空区漏风宽度
综放工作面停采后，立即对上、下隅角采取堵漏风措施， 即在端头支架以里， 建立阻燃墙或板墙，对墙面喷涂罗克休防灭火材料，对墙内压注罗克休或凝胶等防灭火材料，严禁风流从两道的上、下隅角漏进或漏出，减少采空区的漏风量，缩小其漏风的宽度，如图1所示。
综放回收面采空区的内部漏风主要是由上、下两巷道压差造成。上、下两巷道因支护原因在回采过程中冒落不实， 特别是采用锚网、锚索支护形式的巷道，工作面回采后冒落滞后，使采空区的漏风深度加大。当上、下隅角建墙后，相对缩短了采面的斜长，封堵了因上、下两巷造成的漏风，起到了缩小工作面采空区漏风宽度的作用。
2.2 建立工作面采空区无煤防火隔离带
所谓工作面无煤隔离带，是在综放工作面进入停采准备期前，在工作面放煤过程中将顶煤彻底放净，在采空区内形成一定宽度的无煤区。
无煤隔离带位置确定：综放工作面采空区内煤炭易自然发火的主要原因之一是采空区内的遗煤较多。根据采空区“三带”理论，在综放工作面正常推进时，采空区处于动态变化当中，位于“自燃带”的煤炭在自然发火期内进入了“窒息带”，因此在综放工作面保证一定推进度的情况下，其采空区内的遗煤很难自燃。但是，当综放工作面停采后，采空区处于静止状态，工作面拆除回收的时间往往致使处在“自燃带”的煤炭滞留时间超过其自然发火期，因此，自燃的可能性就大大增加。
综放工作面停采后，采空区“自燃带”有所前移，其原因是：①综放工作面停采后，支架后方网上顶煤整体冒落，使得靠近综放工作面采空区充分压实，增加了漏风阻力；②综放工作面停采后上、下隅角建立的挡风墙缩小了工作面的斜长、减少了采空区的漏风；③综放工作面停采后，其供风量的减少， 降低了上、下两巷道的通风压差；④综放工作面停止推进时，后部采空区逐渐压实。上述原因，都在不同程度上促使了工作面采空区“自燃带”的前移，也是确定无煤隔离带位置的依据。
回收面无煤区的作用是：①回收面无煤区内不会发生煤炭自燃；②有效隔离无煤区后部采空区煤炭的自燃，阻止自燃发火灾害向综放工作面扩散。无煤隔离带建立在支架后方网上冒落区的后部，其宽度为20～30 m。
2.3 插管压注罗克休防灭火
罗克休在灭火、堵漏、局部隔离等方面起着不可替代的作用，其技术越来越成熟，已得到现场的广泛应用。应用罗克休防灭火技术解决工作面停采拆除期间煤炭自燃问题，在本矿已取得了较好的效果。
工作面停采后压注罗克休就是每隔2～3架，从支架间隙向支架斜上方和后部溜子的斜上方插管。通过软管将远距离（小于250 m ）处的罗克休经插管注入松散的煤体及煤的裂隙中。为避免与工作面支架拆除工作发生冲突， 压注罗克休工作在工作面停采后立即开始，待煤机、溜子等工作面的其他设备拆除完毕，开始拆除第一台支架后， 压注罗克休工作即停止。
插管壓注罗克休主要是针对支架上方的破碎煤体及网上冒落的松散煤炭，其作用是包裹煤体、充填空隙，能有效防止该处煤炭发生自燃。若采空区内已经发生煤炭自燃征兆，注胶后可产生良好的隔离带，抑制自燃向工作面方向发展，给工作面拆架工作赢得时间。 2.4 预埋管注浆
工作面停采前，在上巷预埋注浆管2～3 趟。第一根管出口位置在网上煤炭区；第二根管出口在无煤区（可不埋设）；第三根管出口在无煤区以里的采空区内。
埋设注浆管的主要目的是起预防作用，一旦停采面在拆除过程中出现煤炭自燃征兆，可采取向采空区注浆的措施，确保设备拆除工作的顺利进行。
2.5 拆架期间通风方式的选择
⑴ 全负压通风
全负压通风方法有二种：一是在工作面支架拆除前，沿工作面煤壁打木垛；二是在拆除设备前，沿工作面倾向每隔两架打一排锚索控制顶煤冒落，维护通风断面，保证风流顺利通过。通风方式可为上行或下行通风。上行通风：风流通过支架冒落后的采空区，同时也加大了拆除面下部靠近停采线附近采空区的供风量及其供风深度，此通风方法不利于防火。另外， 上行通风时，当支架冒落区或下部采空区一旦出现CO气体，很容易污染拆架面的工作环境，影响设备拆除进程。
⑵ 局部通风
局部通风是指工作面支架拆除后， 顶煤冒落堵塞原有的通道，此时利用局扇向拆架处供风。实行局部通风前，溜子道必须封闭。下巷封闭利用局扇通风，大大减少了支架后方采空区的漏风量及漏风带的宽度，对防灭火工作有利。但由于受拆架断面的限制，局部通风风筒的吊挂与拆架互相影响，使得局部通风管理难度加大，不利于改善拆架面的作业环境。
2.6 指标气体监测
根据多年来对井下采空区气体的化验结果来看，在矿区原生煤体中并不存在CO气体，故原生煤体中是否出现CO气体便成为印证煤氧复合发生化学反应的关键指标。从该矿煤样升温实验的结论中可知：
⑴原始阶段，外部无自燃征兆，气体分析时未发现CO气体。
⑵低温氧化阶段，煤温开始上升，巷道内有热气，煤温低于70℃，风流中含有微量CO气体。
⑶升温氧化阶段，煤温逐渐上升，巷道顶板干燥，热气增大，巷道局部地段气温升高，风流中CO浓度增高，出现乙烯，此时升温点的温度可达110～130℃ 。
⑷煤炭加速升温阶段，由于煤炭加速氧化，煤层和围岩温度升高，风流中水蒸汽变少，巷道顶板冷凝水消失。风流中CO成倍增加并出现烯烃、烷烃类气体。此时的煤体温度可达140～190℃。
⑸煤炭急剧升温阶段，煤体急剧氧化，煤被干馏，有气味。风流中的CO、烯烃、烷烃类气体的浓度较高。此时，聚热处的温度在200℃以上。
⑹煤体耗氧速度、CO、CO2 及C2H4产生率均随煤温的升高而增大，C2H4在110～120℃时出现。
以此为理论根据，在工作面停采期间监测停采线附近采空区的CO产生和变化情况来判断煤炭自燃的发展趋势，指导工作面拆除及防灭火工作的开展。具体做法是在工作面上巷采空区内预埋3趟束管。三趟束管的埋设距离分别为8～12m、22～3lm、38～54m。用气泵采集气样，分三班取样化验，作出CO变化趋势图表以备总结分析。
3 结论
⑴保证工作面拆除期间不发生煤炭自燃事故，必须做好充分的准备工作，其中包括防火、设备运输、组织协调等，确保在最短煤炭自然发火期内完成工作面的拆除工作，并将其封闭。
⑵综放面采空区周边始终存在一条U型漏风通道，极易引起采空区周边遗煤自燃，堵截漏风通道的最有效措施是预先埋管，待管路埋入采空区后注胶泥。
⑶网上顶煤区插管压注罗克休防灭火材料和预埋管注浆均属预防性准备措施，如果煤炭没有自燃发火征兆，可不注浆和凝胶， 一旦有自燃发火迹象则可立即实施。
⑷采取注浆、压注罗克休、注胶泥及建筑阻燃墙封堵工作面上、下隅角等措施都可减小采空区的漏风量，并使自燃危险区宽度变窄。在采空区未发生煤炭自燃之前，采取这些措施能有效地预防采空区煤炭自燃。采空区发生煤炭自燃后，由于这些措施难以杜绝采空区漏风，在火风压等多种因素的作用下，采空区漏风量大大增加，总难以达到消灭自燃的目的。所以，采空区防灭火应加大投入，以防为主，以取得事半功倍的效果。
⑸综放面推进时，若切断了采空区U型漏风带漏风和旁侧漏风，只要保证：自燃危险区宽度除以日推进度之值小于自燃发火期，采空区煤炭就不会自燃，此时可采用加快工作面推进速度的方法防治采空区煤炭自然发火。若不切断采空区U型漏风区漏风和旁侧漏风，即使加快工作面的推进速度，深部采空区遗煤仍会自燃。
⑹注浆作为一种充填采空区防灭火措施，由于它在短期内难以填实采空区形成黄泥或粉煤灰的立体堆积，因而它在处理综放采空区漏风及堆积煤炭自燃时，总难以达到预期的目的。
⑺综放面在巷道布置时要尽量减少进风侧漏风源和回风侧漏风汇的个数，防止旁側漏风引起采空区煤炭自燃。
[作者简介]
吴少先，江苏沛县人，1972年8月出生，大学本科，高级工程师；工作单位：上海能源大屯煤电股份有限公司姚桥煤矿副总工程师。