關(guān)于召開第六屆山西省煤炭總工程師論壇暨山西省煤炭安全綠色智能開采論壇的通知

一、研究背景

礦井火災(zāi)是煤礦的重大自然災(zāi)害之一。礦井火災(zāi)不僅能使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時它也是導(dǎo)致井下職工傷亡的重要根源。我國煤礦自然發(fā)火非常嚴重，國有重點煤礦和國有地方煤礦中煤炭自燃火災(zāi)次數(shù)占礦井火災(zāi)總次數(shù)的94%，可見煤炭自然發(fā)火（如采空區(qū)遺煤、掘進巷道或回采工作面破碎煤體的自燃等）是煤礦火災(zāi)主要的致因之一，尤其是采空區(qū)煤自燃火災(zāi)，其發(fā)生的次數(shù)占總自燃火災(zāi)次數(shù)的60%以上，同時煤礦火災(zāi)的發(fā)生還經(jīng)常引發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等一系列重大事故，嚴重威脅著礦工的生命安全，給國家?guī)砹梭@人的資源損失和設(shè)備破壞。

高位巷道瓦斯抽采技術(shù)是國內(nèi)的瓦斯抽采方式之一，主要是通過距離開采煤層一定高度，開拓專用瓦斯排放巷，實現(xiàn)本煤層采空區(qū)、鄰近層、及圍巖等地點的瓦斯源的抽采，降低工作面回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?，杜絕上隅角瓦斯超限的的瓦斯治理技術(shù)，實現(xiàn)煤與瓦斯共采，得到廣泛推廣。但是從防滅火角度出發(fā)考慮，此種瓦斯處理方式，增加了采空區(qū)浮煤自燃風(fēng)險。主要體現(xiàn)在：1）巷道瓦斯抽采，造成工作面、采空區(qū)及抽放巷道間存在漏風(fēng)通道及動力；2）采動應(yīng)力及抽采巷道松動圈造成采空區(qū)煤巖裂隙充分發(fā)育，漏風(fēng)加劇，采空區(qū)浮煤壓實程度降低；3）采空區(qū)浮煤一旦氧化，采空區(qū)高溫點與抽采巷道存在位差和溫度梯度，從而形成的內(nèi)生火風(fēng)壓，加劇漏風(fēng)，加劇采空區(qū)破裂遺煤的自燃進程。

二、研究內(nèi)容

1.主要研究內(nèi)容

（1）研究采空區(qū)煤巖裂隙發(fā)育特征，明確采空區(qū)上覆煤巖裂隙與高位巷貫通規(guī)律；定性分析抽采方式對采空區(qū)漏風(fēng)的影響，確定瓦斯抽采對煤自燃的擾動影響規(guī)律；

（2）識別煤自燃關(guān)聯(lián)因素，建立瓦斯抽采與煤自燃的耦合關(guān)系及受控因素模型；

（3）實驗研究煤層自燃特征參數(shù)：不同粒度煤的吸氧特征、沿走向的煤層含硫分布、煤的熱解特征溫度分布、不同氧化程度的煤微觀結(jié)構(gòu)躍遷、大煤樣自然發(fā)火期。

（4）實驗室測試分析煤自燃氣體產(chǎn)生規(guī)律及敏感性，綜合確定煤自燃預(yù)測預(yù)報氣體指標(biāo)及預(yù)報臨界值；此外，進一步確定高位巷及上隅角在現(xiàn)有防滅火技術(shù)措施干預(yù)下可接受的氣體指標(biāo)值；

（5）利用井下實測技術(shù)手段對采空區(qū)溫度、氧氣濃度分布、一氧化碳等衍生氣體規(guī)律進行實測研究，分析研究氧化指標(biāo)隨推進度的變化規(guī)律，以及測點溫度與一氧化碳等衍生氣體的擬合關(guān)系；

（6）通過示蹤氣體分析工作面采空區(qū)漏風(fēng)特征，識別漏風(fēng)通道及采空區(qū)漏風(fēng)量，上下采空區(qū)漏風(fēng)機制，為采空區(qū)漏風(fēng)控制提供依據(jù)；

（7）基于上隅角一氧化碳、風(fēng)排瓦斯、上隅角瓦斯、采空區(qū)氧化帶接受寬度等為指標(biāo)，綜合考察瓦斯抽采量的合理范圍；

（8）以煤礦現(xiàn)有防滅火技術(shù)措施基礎(chǔ)上進行整合，結(jié)合不同危險程度制定完善防滅火體系，并在優(yōu)化現(xiàn)有防滅火技術(shù)的基礎(chǔ)上，檢驗防滅火技術(shù)措施的有效性與適用性，完善防滅火綜合技術(shù)體系。

2.項目技術(shù)指標(biāo)

（1）通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測，分析并獲得瓦斯抽采技術(shù)條件下采空區(qū)浮煤自燃特征、漏風(fēng)規(guī)律。

（2）確定煤層自燃標(biāo)志性氣體及臨界指標(biāo)，配合井下束管系統(tǒng)，為井下快速響應(yīng)提供防滅火決策依據(jù)。

（3）分析瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)浮煤自燃的耦合關(guān)系及影響效應(yīng)，確定合理瓦斯抽采參數(shù)。

（4）在防滅火措施下，采空區(qū)氧化寬度在合理范圍，上隅角一氧化碳不超限。

3.研究方法及技術(shù)路線

通過理論分析、實驗研究、現(xiàn)場觀測，數(shù)值計算分析的手段：識別瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)浮煤自燃的關(guān)聯(lián)因素及耦合關(guān)系；掌握采空區(qū)煤巖裂隙演化與高位巷貫通特征；論證瓦斯抽采量合理范圍；掌握瓦斯抽采的采空區(qū)漏風(fēng)特征及流場分布規(guī)律；分析瓦斯抽采參數(shù)對自燃的關(guān)聯(lián)性；分析采空區(qū)浮煤的自燃特征及規(guī)律，判定采空區(qū)最易自燃危險區(qū)域，明確防滅火主要處理對象；掌握瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)浮煤自燃影響效應(yīng)；確立采空區(qū)浮煤自燃的標(biāo)志性氣體及臨界指標(biāo)；建立綜合的防滅火技術(shù)手段。研究技術(shù)路線如圖1-1所示。

圖1-1 項目實施技術(shù)路線

三、研究結(jié)論

該項目以某煤礦為現(xiàn)場研究地點，結(jié)合實驗室平臺技術(shù)手段，按照上述研究技術(shù)路線，經(jīng)長期現(xiàn)場測定及技術(shù)檢驗，得出以下研究結(jié)論。

1.利用實驗室設(shè)備，通過氧化動力學(xué)自燃傾向性判定方法，經(jīng)測定分析發(fā)現(xiàn)某礦煤層自燃傾向性指數(shù)分別為507、556，均屬于Ⅰ類易自燃。

2.經(jīng)實驗室測定分析發(fā)現(xiàn)，煤樣在不同含油量時，隨著含油量的增加耗氧速率而降低，主要是由于石油一定程度上阻礙了煤樣對氧氣的吸附；不同含油量的煤樣隨著含油量的增加C2H6、C2H4、C3H8氣體生成量開始快速增加的溫度點向后發(fā)生推移，并且在后期隨著含油量的增加而減少。含油煤樣，隨著含油量的增加其自燃傾向性指數(shù)變大。

該礦不同含油量煤樣0%，2.5%，5.0%的臨界溫度分別為：73.5℃、91.4℃、95.4℃；增速溫度分別為245.0℃、256.5℃、272.2℃；干裂溫度分別為，159.3、193.5、--，活性溫度分別為，160.0、197.0、--；著火點分別為，295.1℃、294.1℃。通過分析活性溫度與著火點的質(zhì)量變化量得到了含油量為0%、2.5%的最大增重比，分別為1.13%、0.49%。通過不同含油量的特征溫度點可以得知，隨著含油量的增加各特征點（除著火點）出現(xiàn)向后推移的現(xiàn)象。但含油量為2.5%干裂溫度、活性溫度、著火點并未出現(xiàn)。此外含油量為0%、2.5%的煤樣的著火點較為接近。

通過傅里葉變換紅外光譜儀獲得了不同含油量（0%、2.5%、5%）的紅外光譜。對不同含油了量的紅外光譜進行了分析，通過分析確定了造成譜圖發(fā)生改變的主要原因是油當(dāng)中含有相應(yīng)官能團的物質(zhì)。

3.通過5噸煤量大煤堆實驗測試發(fā)現(xiàn)，煤在氧化升溫過程經(jīng)歷了典型的三個不同升溫速率變化階段，以50℃和100℃做為分界溫度點；在煤溫低于90℃時，煤的耗氧速度較低，即此時反應(yīng)較弱。在90～120℃之間時，耗氧速度逐漸增加，即反應(yīng)在逐漸加強。煤溫大于120℃后，耗氧速度急速上升，意味著反應(yīng)急劇加快，煤溫也是快速升高。在煤溫到達在約100℃時為干裂溫度之后煤的溫度快速上升，很快煤溫即可超過燃點，形成自然發(fā)火；經(jīng)實驗測試結(jié)果分析顯示，某礦煤樣的實際自然發(fā)火期確定為65天。

4.通過現(xiàn)場實測和分析，確定了該項目所研究礦區(qū)3-2煤層和4-2煤層采空區(qū)危險區(qū)域，結(jié)果顯示：某礦221工作面采空區(qū)進風(fēng)巷散熱帶范圍在0~35m，氧化帶在35~130m，窒息帶在130m以上；回風(fēng)巷散熱帶在0~42m，氧化帶在42~125m，窒息帶在125m以上。另一煤礦423工作面散熱帶在0~43m，氧化帶在43~75m，窒息帶在75m以上。下石節(jié)2302工作面采空區(qū)進風(fēng)巷端散熱帶為0～55m，自燃帶為55m～95m，窒息帶為95m～∞。采空區(qū)回風(fēng)巷端散熱帶為0～42m，自燃帶為42m～84m，窒息帶為84 m～∞。

5.通過理論分析，建立了采空區(qū)松散煤體自然發(fā)火微循環(huán)過程的數(shù)學(xué)模型，分析了采空區(qū)松散煤體氣流微循環(huán)非線性滲流過程、采空區(qū)松散煤體能量的傳遞以及采空區(qū)松散煤體氧氣特征等，并結(jié)合高抽巷瓦斯抽采漏風(fēng)情況進行了FLUENT數(shù)值模擬分析。通過數(shù)值模擬，在工作面風(fēng)量取值為1100m3/min時，分析抽放量對采空區(qū)漏風(fēng)流場、氧氣濃度場、瓦斯?jié)舛葓龅姆植加绊?，并結(jié)合實測分析結(jié)果確定出高抽巷的合理抽放量為270~280m3/min。

6.采用連續(xù)定量釋放SF6的方法以及單元法分別對兩個煤礦的2個工作面進行了漏風(fēng)的測定。經(jīng)測定分析獲得工作面在回采各階段工作面的漏風(fēng)率在14.73%~20.73%之間。這主要是由于工作面的局部裂隙發(fā)育可以貫通高抽，有利于瓦斯抽放，高抽巷與工作面的氣壓差，造成工作面風(fēng)流沿煤層裂隙涌往高抽巷，高抽巷的存在使大量風(fēng)流經(jīng)進風(fēng)巷流入采空區(qū)后，部分風(fēng)流又進入高抽巷，高抽巷的負壓抽放作用增加了采空區(qū)的漏風(fēng)。風(fēng)流從靠近進風(fēng)巷端至切眼處區(qū)域進入采空區(qū)，然后風(fēng)流從靠近回風(fēng)巷端流出，也增大了浮煤自燃危險性。同時，通過FLUENT數(shù)值模擬軟件，模擬了綜放工作面不同漏風(fēng)量采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。并根據(jù)風(fēng)速劃分方法，劃分出了工作面不同風(fēng)量時的采空區(qū)的自燃三帶。

7.針對所研究礦區(qū)特有油氣共生高瓦斯易自燃煤層特點，制定出了汽霧阻化、采空區(qū)注氮、工作面走向插管灌漿以及超前鉆孔注三相泡沫等主要的防滅火技術(shù)措施方案。為了觀測和檢驗防滅火措施實施后的達到的效果，布置了溫度和束管檢測系統(tǒng)，檢測采空區(qū)溫度和氣體生成情況。同時，結(jié)合工作面實際回采情況，實施了工作面走向插管灌漿方案，并取得了良好的防滅火效果。

小編點評 

礦井火災(zāi)不僅使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時它也是導(dǎo)致井下職工傷亡的重要原因。同時煤礦火災(zāi)的發(fā)生還經(jīng)常引發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等一系列重大事故，嚴重威脅著礦工的生命安全，給國家?guī)砹梭@人的資源損失和設(shè)備破壞。在此背景之下，本期頭條從研究背景、研究內(nèi)容和研究結(jié)論三個角度切入，為大家介紹高瓦斯油氣共存近距離煤層群自燃防治技術(shù)。邏輯嚴謹，內(nèi)容充實，對提高礦井工作的安全性有重要作用。

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