煤炭属于我国经济社会发展中比较重要的能源,因此煤炭产业的安全与否将会直接决定我国经济发展速度的快慢。在煤矿开采阶段,矿井火灾是比较常见的灾害之一,其中最常见的是采空区自然发火,主要是因为大量浮煤在采空区堆积,而且这些地点隐蔽性好,不易察觉,如果遇到一定的氧气和热量后,就会产生自然发火现象。为了避免上述问题的发生,就需要制定有效的综合防治措施。
1.采空区自然发火特征
通常情况下,煤矿采空区自然发火的特征主要分为三个时期,具体如下:(1)潜伏期。在低温条件下,空气中的氧气将会被煤吸附,并在煤表面产生初级氧化物,此时如果化学活性增加,将会导致煤的着火点降低,进而诱发自然发火。实际上,潜伏期长短主要取决于外部环境条件和煤化程度;(2)煤的自热期。该过程中,会不断加快煤的氧化速度,并将煤中不稳定的氧化物转化为CO2和CO气体,并导致煤温持续升高。如果煤温大于自热临界值(60℃-80℃)时,将会导致煤温急速上升,加快媒体的氧化进程,出现干馏现象,同时该过程中还会产生可燃性气体,如H2、CO和芳香族的碳氢化合物,进而在巷道壁和支架上出现水珠现象;(3)自燃期。当煤体温度继续升高,并且达到300℃-350℃的临界着火温度时,就会出现煤层自燃现象,并产生大量的二氧化碳和一氧化碳气体,同时还会出现明火和烟雾。实际上,采空区自然发火过程中会呈现出“三带”特征,而且不同带的特征不同,具体如表1所示。
2.煤矿采空区自然发火的影响因素
在进行煤矿开采过程中,大量的浮煤将会遗留在采煤工作面,加之开采时遗留的各种裂隙,为氧气的进入提供了良好的条件,从而增加了煤矿采空区自然发火的概率。实际上,煤矿采空区自然发火需要经历一个复杂的物理化学过程,而且涉及到的影响因素比较多,如图1所示。
(1)煤化程度的影响
通常情况下,随着煤变质程度的不断增加,大大降低了煤炭自燃的可能性,但是随着煤炭挥发分的提升,会提高煤炭自燃的可能性。实际上,褐煤易于自燃,但是挥发分含量<12%的无烟煤或贫煤发生自燃的可能性比较低。因此,煤的变质程度会或多或少的影响煤的自燃,由于煤的变质程度,即使相同,但是也有的煤不会发生自燃。
(2)煤岩成分的影响
镜煤、亮煤、丝煤、暗煤是煤岩的主要成分,当煤层中亮煤和镜煤含量比较大时,将会提高煤自燃的可能性。但是,暗煤含量比较多时,煤自燃的可能性将会降低。通常情况下,丝煤结构相对松软,着火温度一般比较低,其在煤采空区自燃中具有一定的引导作用。镜煤、亮煤由于脆性较大,灰分较低,利于煤炭采空区自然发火。
(3)煤的水分的影响
在煤氧化过程中,煤中水分扮演着至关重要的角色,在未彻底蒸发之前,煤体水分无法升高至l000℃以上,其是含水量比较大的煤无法自然发火的主要原因。然而,在煤体微孔中往往会充填大量的水分,并把二氧化碳(CO2)和氮气(N2)从微孔中排挤出去,在蒸发干水分后,煤的吸附性将会慢慢恢复,并且随着煤温升高,也会充分发挥水分的催化剂作用,进而增加了煤自燃的可能性。实际上,在井下灌水灭火疏干后,会诱发煤矿采空区自然发火,因此一定量的水分可以促进煤矿采空区自然发火,而过量的水分将会对采空区自然发火起到抑制作用。
(4)硫分的影响
在煤中,硫分主要以有机硫、硫化铁(FeS2)、硫酸盐三种形式存在,其中硫化铁的比热小,分解后的产物是氧化铁(Fe2O3),具有比较强的吸氧性,且可以把吸附的氧转让给煤体,进而诱发煤矿采空区自然发火。
(5)开采方法的影响
在煤矿开采过程中,开采方法的影响主要受回采时间长短、煤炭回收率高低等影响。如果采用石门和岩巷开拓,需要尽可能少留煤柱,最好不要揭露切割煤层,结合实际情况适当的工作面采掘速度,在发火期前最好能够将工作面开采完成,并对工作面进行密闭处理,以此来降低采空区自然发火的危险。
(6)煤炭孔隙性与脆性的影响
对于煤矿采空区而言,如果煤的孔隙度越大,煤自燃的可能性就越大,并且在外力作用下,煤越容易破碎,越容易产生大量粉煤,进而提高了与氧接触的表面积,增加了煤矿采空区自然发火的可能性。
3.煤矿采空区自然发火的综合防治对策
(1)合理选择开拓、开采方法
在进行矿井开拓、开采设计过程中,要对下述矿井防灭火工作要求给予综合考虑:①综采工作面最好在一定区域范围内保留大约40m的隔离煤柱,以免多个采空区连成一片;②新布置的综放工作面要尽可能的靠大巷一侧保留超过50m的永久煤柱;③在布置综采工作面过程中,严禁留设泄水巷及辅助切眼,避免与采空区连通的通道,从而降低漏风发生概率;④在回采阶段,尽可能不留或少留顶煤。
(2)保持综采面快速推进
在煤矿开采阶段,综采工作面的快速推进能够有效降低采空区自然发火的概率,主要是因为提高综采面推进速度能够在较短的时间内使采空区的氧化自热区转变为窒息区,不仅可以降低浮煤自燃发展过程中漏风对煤氧化的时间,而且还可以对浮煤自燃进行有效控制。实际上,煤矿开采要遵循“快掘、快采、快撤、快封”原则,并尽可能发挥现代化设备的效能,为避免采空区自然发火奠定良好的基础。
(3)优化矿井通风系统
科学、合理的通风系统,不仅可以确保工作面定量供风,而且还可以将有毒气体排出矿井。在满足相邻采空区均压通风的基础上,尽可能为工作面选择下行风,这样可以避免风流进入工作面采空区。同时还需要结合实际情况来对通风构筑物位置进行选择,为风门安设闭锁装置,以保证两个风门无法同时敞开。此外,还需要优化通风系统,合理布置通风设施和通风压力,这样不仅可以降低矿井通风阻力,而且还可以有效预防采空区自然发火。
(4)减少采空区浮煤避免浮煤氧化
要做好进风道、回风道、开采线、停采线的管理,其是降低采空区自然发火的常用手段。通常情况下,综采工作面开采线最好选择放震动炮强治放顶,以确保其冒落严实。同时按要求清除干净综采工作面停采线,不留浮煤及其他可燃性材料。为了避免浮煤氧化,还需要尽可能减少煤炭暴露面,降低采空区丢煤量,采取措施及时清走采掘过程中产生的浮煤。而对其他地点的浮煤,可以选择沙土覆盖方式给予解决。为综采面进风道、回风道、开采线、停采线选择喷洒高分子阻化剂,并结合煤巷服务年限来对其实施刷白、喷浆等处理措施,这样可以有效抑制浮煤氧化,降低采空区自然发火的可能性。
(5)回采过程中综合防灭火措施
综采工作面回采过程中及时对采空区采取及时有效的防灭火措施,煤矿采空区常用防灭火措施如下:①灌浆防灭火:在煤矿采空区自燃发火防治过程中,得到了广泛应用,可以达到预期的灭火效果。通常情况下,灌入的泥浆可以使煤层被包裹起来,进而达到吸热降温的目的,同时还可以胶结顶板,封死煤体中的空隙,降低空气的进入,从而达到灭火的效果。②氮气防灭火:将高浓度的氮气注入到煤矿采空区中,不仅可以降低氧气浓度,而且还可以减少采空区的风量,并能抑制火区内可燃气体爆炸,对抑制采空区自燃相当有效。③阻化剂防灭火技术:该方法能够有效防止煤层自燃,并且在缺水、少土地区得到了广泛的应用。实际上,阻化剂防灭火技术具有工艺流程简单、阻化率高、阻化剂来源广、价格低廉、投资较少等特点,不会对周围水资源和环境造成污染,因此具有非常好的应用价值。
4.结束语
综上所述,在进行煤矿开采阶段,要弄清诱发采空区自然发火的原因,并合理选择开拓与开采方法、保持综采面快速推进、优化矿井通风系统、减少采空区浮煤避免浮煤氧化等综合防治措施来控制采空区自然发火的可能性,保证煤矿开采工作有条不紊的进行,不断提高煤矿企业的经济效益与社会效益。
摘要：本文主要分析了煤矿采空区自然发火特征及影响因素,重点介绍了采空区自然发火的综合防治对策,其不仅可以降低煤矿采空区自然发火的概率,而且还可以确保煤矿开采工作的顺利进行。通过对采空区自然发火综合防治进行研究,以期为煤矿安全生产提供可靠保障,并实现经济与社会效益的最大化。
关键词：煤矿采空区,自然发火,影响因素,综合防治
参考文献
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