22125工作面CO产生规律及防灭火技术研究课件.docx
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22125工作面CO产生规律及防灭火技术研究课件
山脚树矿
22125工作面CO产生规律及防灭火技术研究
2014-10-27
22125工作面CO产生规律及防灭火技术研究
XXX
（XXXXXXXXX，XXXX****）
摘要：
煤炭自燃一直是影响煤矿正常生产的重大灾害之一，如何防止开采煤层自燃，在此以山脚树矿22125工作面为例，通过实验并结合现场分析顺层抽放钻孔产生一氧化碳的原因，以及采取何种处理措施经济有效，对于其他本煤层抽放钻孔防止一氧化碳的产生有重要意义。
关键词：
矿井；防灭火；煤炭自燃；氧化；封孔
前言
煤炭自燃火灾在矿井火灾中占有相当大的比重，随着煤矿开采时间的延长，资源逐渐减少，老空老巷增多，开采条件日趋复杂，给煤炭自燃的预防带来了难度，制约着矿井的生产安全；在煤炭自燃方面国内外一直在不断研究并实验，比如开采技术、均压、注浆、阻化剂、凝胶、注水、堕气等均取得了显著的成效并用于实践，但在实际生产中选择何种方法经济、合理、有效才是关键所在。
工作面概况
22125工作面北部为22155外上山、1370回风斜井、1370回风斜井探巷、224运输石门，西部为22123采空区，东部至+1270.0m标高，南部为F108断层，该工作面局部地段为21103采空区，其余为10#煤层原始应力集中区，底部为22189采空区、22189高位巷及22157采空区。
该工作面一氧化碳主要来源于运输巷前段的顺层抽放钻孔内，该段煤层为10#层，共施工顺层钻孔96个，孔间距3m，倾角-1°~7°，方位275°；该段10#煤层前后外部条件差异较大，本次主要在该段内不同地点取煤样和气样通过实验对比分析，查找产生一氧化碳的原因以及选择防治措施的可行性、经济性和合理性。
煤层氧化原因分析
煤层的氧化自燃需要具备三个条件“可燃物、氧化剂、热源”，影响煤氧化自燃的因素还有“煤中的水分、煤中的含硫量”等，在查找原因和防止煤氧化自燃过程中更多的从自燃的各个条件及影响因素进行分析，结合实际情况，一氧化碳主要来源于抽放钻孔，因此还应分析钻孔是否存在穿入或接近老空区老巷的现象。
通过井下实测一氧化碳浓度，分别选择22125运输巷前段10#层一氧化碳浓度高的两个地点7#（位于15#点前25m位置）、13#（位于23#点前29m位置）分流器和无一氧化碳的23#（位于29#点前8m位置）分流器取样实验，取1211瓦斯治理巷F#点后20m位置10#煤层作为对比样进行分析。
1、抽放钻孔分析
1、钻孔位置
已知22125工作面局部地段为21103采空区，其余为10#煤层原始应力集中区，底部为22189采空区、22189高位巷及22157采空区。
所以对钻孔情况进行分析是排除老空区一氧化碳是否渗入抽放孔的首要条件；本次主要分析7#、13#分流器处前后钻孔的情况，23#分流器无一氧化碳，因此钻孔不作剖面分析。
通过对7#、13#两个地点钻孔进行剖面分析，结果如图1：
从图中可以看出，以上两个地点前后的钻孔均未穿入老空老巷的现象，钻孔终点位置距老空区22157最近，最小距离为10m，据研究表明，顺层钻孔在连续抽放84d左右，末端抽放负压不小于13kPa的情况，抽放影响最大半径为3m[1]，因此排除了一氧化碳渗入抽放钻孔内的可能性。
2、氧化条件
打钻抽放瓦斯是降低煤层瓦斯的有效方法，在实际生产过程中往往会因为钻孔的封孔质量和抽放时间长而导致钻孔里产生一氧化碳，煤炭自燃需要具备三个条件：
（1）可燃物，在钻孔中存在因打钻切割下来没有排尽的煤渣和打钻后煤层应力重新分布导致煤层破裂而产生的煤屑，这些煤渣、煤屑松软堆积和铺散开来与空气接触面积很大，容易发生氧化反应；
（2）氧化剂，在抽放钻孔中存在的直接氧化剂为氧气，钻孔中的氧气来源于巷道中的空气，当巷道被掘出后，应力重新分布，煤层承受应力增大，随着时间延长，煤层裂隙增多，再加上封孔不严密，导致巷道中的空气流入低负压区域，形成连续供氧的条件；
图1钻孔剖面位置分析图
（3）热源，资料统计，媒体内部温度一般在40?
以上，具备煤层低温氧化的条件。
研究表明，由于顺层钻孔抽放钻孔内具备自燃发火的三个条件，只要连续抽放30~40d，钻孔内的煤层就会发生氧化[2]。
在生产过程中应提高打钻质量，排尽钻孔中的碎屑，提高封孔质量，减少对钻孔周围煤层的破坏，通过破坏煤氧化的条件来防止煤炭的氧化自燃。
在分析期间多次到现场仔细观察和查看，发现出现一氧化碳地段除了煤层破坏产生裂隙外，钻孔的封孔质量不好外，再加上抽放时间长了，煤体变得松软，巷道中的空气漏入钻孔内是导致煤炭氧化的主要原因之一。
2、实验分析
通过对井下对各个分流器及抽放钻孔中的一氧化碳浓度进行实测，选择一氧化碳浓度较高的两个地点和无一氧化碳的一个地点取样实验，得出实验数据分析10#煤层本身具有那些条件有利于煤炭的氧化自燃，本次实验在22125运输巷前段10#煤层不同地点分别取样，各个地点外在条件差异较大，有利于对比分析，取样地点的井下实际情况见表1：
表1取样地点外部条件
地点
外在条件
22125运输巷7#分流器
巷道轮廓标准，顶板帮体完好，钻孔周围煤体干燥
22125运输巷13#分流器
顶板帮体破碎，裂隙较多，巷道采用架棚支护，钻孔周围煤体干燥
22125运输巷23#分流器
巷道轮廓标准，顶板帮体完好，但顶帮淋雨，钻孔周围煤体潮湿
通过对以上三个分流器主管取气样进行色谱分析实验、取分流器连接钻孔周围煤样和1211瓦斯治理巷F#点后20m处10#层煤样对比做工业分析、自然倾向性吸氧、煤中硫分含量、吸水量等实验，结合实验数据分析煤炭自身情况对氧化自燃的影响。
1、色谱分析实验
色谱分析是检测煤层自燃发火标志性气体的一个重要实验，在色谱分析实验中，主要以一氧化碳、烷烃、烯烃和炔烃作为判断煤层氧化自燃程度的标志，一氧化碳、烷烃、烯烃和炔烃的浓度大小在一定程度上能反映煤炭自然发火的缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化三个阶段，那么结合本次实验数据和井下实测数据（见表2）可以看出，气体内未出现烯烃和炔烃，因此煤炭的氧化自燃还处于自燃潜伏期，缓慢氧化阶段。
表2色谱分析数据
地点
井下测CO（ppm）
O2（%）
CO（ppm）
C2H6（%）
C2H4（%）
C2H2（%）
7#
21
17.9
15
1.33
0
0
13#
34
10.96
24
0.44
0
0
23#
0
0
0
0
0
0
原因分析：
初步分析认为影响各地点钻孔内一氧化碳浓度的因素有“煤层裂隙和煤的潮湿度”，煤层裂隙越大氧化程度越高，煤体越潮湿氧化程度越低。
2、自然倾向性吸氧
煤的吸氧量是判断煤层自燃倾向性的一个重要指标，通过自燃倾向性吸氧实验一方面判断煤层的自燃倾向性，另一方面判断煤的吸氧量与煤氧化的关系；实验结果见表3：
表3自燃倾向性吸氧实验结果
名称
7#分流器
13#分流器
23#分流器
1211治理巷
吸氧量
0.41
0.43
0.43
0.41
等级
II类,自燃
II类,自燃
II类,自燃
II类,自燃
实验结果分析：
7#与1211治理巷对比推测出煤层破坏小、裂隙少，较为完整时，整个10#煤层的吸氧量相同；7#与13#对比得知同一层在破坏越严重、裂隙越多、煤屑越小，与空气接触接触面积增大，吸氧量增加，煤体氧化越严重。
3、煤中硫分检测
大多数的煤中都含有一定量的硫，通常硫以黄铁矿等化合物的形式存在煤中，分析钻孔中一氧化碳的来源，必须检测煤中的硫分含量的影响，严格按要求制备煤样送至洗煤厂进行硫分检测实验，实验结果见表4，实验数据显示，煤中硫分的含量对煤层氧化有直接关系，在其他条件相同时，煤中的硫分越高，煤层越容易发生自燃，硫分对煤层氧化自燃的影响与煤中水分的含量有直接的联系。
4、工业分析
根据水在煤中的赋存形式不同，将水分分为内在水分和外在水分，工业分析实验检测煤中的水分、灰分等情况，本次主要分析水分对煤氧化的影响，数据见表4：
表4煤中水分、硫分检测
名称
7#分流器
13#分流器
23#分流器
1211治理巷
水分（%）
1.9
2.67
6.01
1.58
硫分（%）
1.36
1.71
2.59
1.42
从表中可以分析出煤中水分的含量对煤的氧化有很大的影响，水分对氧化反应起到催化和抑制的作用，从1211、7#、13#看出，随着煤中水分的增加，煤的氧化反应越剧烈，产生一氧化碳越多，13#与23#对比得出随着煤中水分的逐渐增加，水分含量将抑制煤的氧化；因此可以判断出煤中煤中水分含量对煤炭氧化的影响存在一个最佳值，此时煤最容易发生氧化自燃；水分对煤层氧化自燃的催化就要是由于煤中的黄铁矿参与了化学反应，黄铁矿遇水和氧气后发生一系列氧化反应放出大量的热，如果钻孔内蓄热条件较好，温度逐渐升高给煤的氧化创造了条件，因此适量的水分有利于煤氧化自燃的发生。
结合前面数据还可以看出煤中水分与吸氧量的关系，前苏联契尔诺夫曾经进行了煤中水分对吸氧速度的影响试验，结果显示“随着煤中内在水分的增加，煤的吸氧量增加，随着外在水分的增加，煤的吸氧量较少”[3]，从实验数据看出也满足这个规律；13#与23#对比得知水分影响煤炭的氧化吸氧，过量的水分直接抑制了煤的氧化自燃。
3、防治措施采取
通过以上几个实验数据并结合现场情况分析，判断22125运输巷前段抽放钻孔产生一氧化碳的主要原因：
钻孔封孔质量不合理、钻孔周围煤体承受应力大，产生裂隙、10#煤层本身为自燃煤层，加上煤中水分、硫分等的含量百分比有利于煤体的氧化，不管是何种原因，在生产过程中都要积极采取有效措施进行防止氧化的加大，甚至发生自燃；关于防治煤炭自燃的措施，经过多年的研究也有很多方法应用于生产中，但大多是针对采空区的防治，在选择防止氧化自燃的措施时应本着“有效、快速、经济、合理”的原则，对于本煤层氧化自燃的防治，通常采取提高回采速度，在煤的自燃发火期内回采完成，有顺层抽放钻孔的采取提高封孔质量或重新封孔、关闭抽放孔停抽、堵塞抽放孔和注水等措施，注水主要是降低煤层内部温度，增加煤的水分含量，从而降低吸氧量来抑制煤层的氧化，有关煤层注水条件在我国《煤矿安全规程》和MTT1023-2006中都有详细规定，那么10#煤层是否适合注水，实验分析如下：
根据“煤层注水可行性鉴定方法”[4]的规定，可注性判定指标有“原有水分、孔隙率、吸水率和坚固性系数”，在三个地点取样分别测定以上各指标，取其平均值作为判定值：
1、原有水分和坚固性系数
煤样的原有水分含量在工业分析实验中也得出数据和坚固性系数实验测得数据见表5：
2、孔隙率
煤层孔隙率的测定分别测出三个地点煤样的真密度和视密度，根据公式：
式中：
——孔隙率，%；
——煤样真密度，g/cm3；
——煤样真密度，g/cm3；
计算结果见表5：
表5原有水分、坚固性系数和孔隙率
名称
7#分流器
13#分流器
23#分流器
平均值
原有水分
（%）
1.9
2.67
6.01
3.53
坚固性系数
0.71
0.63
0.72
0.68
孔隙率
（%）
3.04
4.63
6.71
4.79
3、吸水率
按要求制备煤样进行自然吸收实验，测得结果按公式：
式中：
——吸水率，%；
——煤自然饱和吸水后的质量，g；
——煤样质量，g；
实验测得数据和计算结果详见表6：
表6煤层吸水率测定
名称
7#分流器
13#分流器
23#分流器
平均值
吸水前后质量（g）
200.1
207.8
184.3
191.6
190.7
195.7
-
吸水率
（%）
3.84
3.96
2.62
3.47
煤层注水可行性鉴定方法规定，当所有测定结果同时满足
和
四个条件时，判定取样煤层为可注水煤层；通过以上实验数据得出10#煤层为可注水煤层，所以在生产过程中当采用停抽和堵塞抽放孔不能有效降低钻孔内的一氧化碳时，可采取注水措施防止阻止煤层氧化；现在再来分析23#分流器取样地点，该处的实验参数和其余两处取样地点的参数相差不大，而23#分流器无一氧化碳的主要原因在于该地段顶帮淋雨，煤体潮湿，水分太重，再一次证明了注水措施不但不会影响正常生产，而且还具有合理、经济、见效快的特点。
结论
通过上述各项实验数据与取样现场情况相结合分析得知，煤层的氧化是在“煤中水分、煤层厚度、倾角、煤的吸氧量、煤中硫分含量、抽放孔打钻和封孔质量以及煤层本身的破坏情况”等因素的综合影响下发生的，在生产中采取防治措施时，应针对煤层氧化原因，从破坏煤层氧化的三个条件进行有效防止，关于本煤层抽放钻孔内煤炭氧化产生一氧化碳的防范措施，有以下几点建议：
1、在巷道掘进过程中，应尽量减小对煤层的破坏，防止产生大量的裂隙空气漏入煤层中；开采过程中提高回采速度，在煤的自燃发火期内回采结束并封闭。
2、提高钻孔质量，打钻时减小对钻孔周围煤层的破坏，提高排渣量，减少钻孔内煤渣的残留。
3、提高封孔质量，选择膨胀系数大，致密性较好的材料严格按照要求进行封孔，防止抽放时漏气而给钻孔内源源不断提供氧气。
4、吸水率高的煤层，应向煤层注水，破坏钻孔内的蓄热条件，降低钻孔内的温度，抑制煤层氧化。
5、定期测定抽放参数及抽放气体的成分，实时跟踪分析变化情况，浓度低负压大的钻孔应分析是否给予关闭停抽。
6、若煤层破坏严重，提高封孔质量无法有效阻止漏气现象时，应采取巷道壁喷浆的措施进行大面积煤层密封。
参考文献：
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