【摘 要】通过对某矿4#煤层自燃发火倾向性的分析，指出整合前小矿采后遗留在4#煤层底板的大量浮煤是煤层容易自燃的主要原因。分析了4#煤层底板地势条件对喷射覆盖材料的影响，及高分子聚合物的应用。论述了各种覆盖材料的优缺点，表明混有一定浓度凝胶的黄泥浆与氮气配合使用较为经济，且效果较好。论述了矿井通风系统与4#煤层漏风的关系，并指出减少4#煤层漏风的方法。通过对地面及井下打钻方法的对比，指出某矿各地点打钻方式的选择。
【关键词】煤层自燃倾向性；浮煤；高分子聚合物；黄泥浆；钻孔方式
煤矿井下火灾有内因火灾与外因火灾两种，其中内因火灾大多由煤层自燃引起的，占煤矿火灾数量的70%以上[1]。由于内因火灾发生现象不是很明显，带有一定的隐藏性，不易被人察觉，一旦发生事故，总因准备不及错失了抢救的最佳时机，而造成了更大的事故。所以有效的自燃发火预防措施，对预防煤矿内因火灾有重要意义。
1 4#煤层自燃发火倾向的分析及预防方法
1.1某矿4#层自燃发火倾向的原因分析
某矿4#赋存于太原组中下部，煤层厚度7.77-10.97m，平均8.72m，属稳定可采煤层。该煤层结构复杂，含夹矸3-4层，夹矸厚度一般0.20-0.30m，岩性为泥岩。煤层顶板为中砂岩、泥岩，底板为泥岩。据山西省煤炭工业局综合测试中心煤样检验报告，4#煤层自燃等级为II级，属自燃煤层。
某矿采用综放工艺采煤，采9#煤层放上部4#层的方式对4#煤层进行复采。在未整合前，4#煤层部分地点已被小矿开采，由于小矿采煤方式落后，回收率低，采用房柱式采煤留下了大量的底煤和浮煤在巷道内，为煤层自燃留下了隐患。
煤层自燃的煤氧复合学说中指出，煤层氧化需要一定的条件：煤尘首先具有自燃倾向性，其与氧气作用的氧化持续时间大于其自燃发火期；煤炭破碎并呈堆积状态，在此期间有自燃所需的氧气供应；煤炭氧化期间的热量得以在煤层中贮存不散失[2]。通过上述可以知道，某矿4#煤层由于整合前小矿的采动，4#煤层老巷底板内存在大量的底煤、浮煤，在没有采动影响的情况下大多呈现自然堆积状态；9#煤层与4#煤层层间距较近，加上小矿的曾经采动影响，4#层内部彼此相连通，且9#层与4#层层间距较小，之间存在裂隙，由于矿井负压通风的作用，内部有少量的定向风流经过，提供了自燃所需的氧气；由于某矿刚进行采煤，只对4#煤层局部进行了复采，还有大部分4#煤层没有复采，为持续氧化提供了时间。综上所诉某矿4#煤层有自燃发火的危险，且自燃发火的煤主要是4#煤层底板的浮煤。
1.2某矿现对4#煤层自燃发火的预防方法
某矿对正在复采的4#煤层的自燃发火预防，主要针对综放工作面采空区。由于放顶煤使部分遗煤留在采空区内部，且自燃区一般距工作面30m左右，所以采空区自燃比较隐蔽，使人不易察觉。
某矿针对采空区煤层自燃现象，首先改善了采放煤方法，确定了合理的放煤步距和放煤方法，减少采空区遗煤量；提高采煤速度，使采空区内的自燃区在较短的时间进入到不自燃区内；除在开采方式上进行积极改良外，还对采空区每班进行黄泥喷浆及喷射凝胶、阻化剂[3]，保证了正在复采4#煤层的安全开采。
对于其它还没有进行开采或是已在9#煤层进行掘进的巷道，某矿积极组织专职人员对其上方的4#煤层进行打钻，提取气样及煤样化验，每班进行温度检查，积极查找漏风地点并及时进行封堵。但由于小矿对4#煤层开采时间较长，且受其采动影响，煤层裂隙较为发达，采煤工艺落后致使巷道底板浮煤较多，4#煤层区域较为广，检查人员较为少等原因，部分地点可能有自燃的倾向。
为了积极预防4#煤层自燃，某矿对在其底部9#煤层有掘进巷道的重点地点聘请专家进行相应的预防治理工作。专家来矿考察后，决定采用以水作为输送介质，向4#煤层底板浮煤表面注入泡沫体，覆盖煤体使其与空气隔绝，进而达到预防4#煤层自燃的目的。泡沫采用特殊原料制成，耐高温、发泡后体积迅速膨胀、比表面积大、重量小、不会对底部煤层产生过大压力，且泡沫流动性好。但由于采用水作为介质，水受重力作用向低处流动，不在高处赋存，大量水在低处聚集，不及时排放，还会造成安全隐患；且水在流动过程中容易冲出水沟，从钻孔喷射的覆盖材料将沿着水沟流动，而不向其它地方流动，覆盖面积小。由于上述原因使地势较高的地点及水沟以外的其它地点不能很好的得到覆盖，而地势较低的地点覆盖量又过大，整体预防效果不理想。
2 4#煤层自燃预防方法假想
2.1 4#煤层地势对覆盖材料的影响及解决方法
通过对专家治理预防的4#煤层底板浮煤自燃过程分析可知，要想预防4#煤层自燃，首先要克服煤层地势不平，让其预防自燃的材料能够最大限度均匀覆盖在浮煤上，而不是向低洼点集中流向；二是吸附剂载体的选择，笔者认为：如果假想4#煤层局部已有自燃地点，那么浮煤表面及内部将积聚大量的热能，水体如果进入这一阶段，介质水因受热急剧膨胀，使空间内压力升大，且水与浮煤容易发生化学反应形成水煤气，将使安全隐患系数加大。
笔者认为对4#煤层自燃的预防，在克服地势方面可采用分块治理方法。即人为的将4#煤层按地势高低分块进行治理，采用从9#煤层顶板或是地面打钻方式圈定一个闭合范围，然后通过钻孔向内注入高分子聚合物。通过调节高分子聚合物的配比可以控制聚合物的凝结时间，进而控制流动速度就可以控制高分子聚合物的流动距离。高分子聚合物由于重力作用将向低洼地点流动，但由于流动距离受到控制，所以将与4#煤层地势较高的地点一起形成一个基本闭合的范围，具体如图1所示。
从图1中可以看出，高分子聚合物从钻孔中流出后将向地势较低的范围内流动，由于其随浓度的变化，凝结时间有一定限制的原因，限制了其流动距离，从而与地势较高的地点圈定了一个范围。随着流量的增加，其高分子聚合物将形成堆叠，如同砌体的结构，且其强度很高，遇高温的稳定性较好。关于高分子聚合物方面的防灭火中国矿大徐州校区的人员正在进行相关的研究。
利用高分子聚合物将4#煤层分成若干个小的区域，每个小区域由高分子聚合物和较高地势的区域组成类似盆形的封闭区。然后在打钻孔注射覆盖材料，可使覆盖材料很好的覆盖圈定区域内的浮煤表面，而不受地势限制。
2.2 4#煤层浮煤覆盖材料的选择
现有预防自燃发火的覆盖材料主要有凝胶、阻化剂、浆体、及三相泡沫。前三种在注入覆盖材料的同时，一般还配合氮气一并注入。相对来说注入凝胶效果是最好的，但由于其流量小，价格昂贵，大量喷洒覆盖地点一般情况不使用；阻化剂只是延长煤的自燃发火期，一般配合其它覆盖材料使用；浆体由于其渗流较小，停止注浆后风流会很快渗透进去，容易引起复燃，并人为制造了隐蔽性。
三相泡沫是一种新兴的预防煤层自燃的覆盖材料，其基本由气相、液相和固相物质组成[4]。气相一般使用惰性气体，氮气较为常用，液固相一般由黄泥浆或是粉煤灰浆体组成，加入适当的发泡剂，使黄泥浆等疏水性加强，很好的附着在泡沫上，通过动力装置使泡沫表面携带大量的黄土喷洒到浮煤表面起到灭火作用。但是在现场实际应用发现，由于动力装置设计的落后，制约了三相泡沫在现场的实际应用，发泡装置所形成的泡沫并没有达到理想的效果，制造出的泡沫很少，与设计差距较大。
笔者认为利用黄泥浆（粉煤灰浆）搅拌过程中适当加入一定浓度的凝胶，且与氮气配合使用是一种较为实用的方法。黄泥浆（粉煤灰浆）注入凝胶，凝胶分子渗入到黄泥浆（粉煤灰浆）颗粒内部，使其彼此粘结，可减少风的渗透作用，增加黄泥浆（粉煤灰浆）喷射厚度可以增加风渗透到浮煤内部的阻力，进而整体达到覆盖浮煤预防自燃的目的。虽然注入凝胶会降低黄泥浆（粉煤灰浆）的喷射流量，但由于凝胶的浓度不是很高，黄泥浆（粉煤灰浆）的流量的减少量很小，且黄土和粉煤灰取材广泛，价格低廉，适用于大面积煤层自燃预防。
2.3 4#煤层浮煤自燃发火预防的综合方法
某矿预防4#煤层自燃首先应减少4#煤层漏风量，从而减少煤层自燃的供氧量。某矿通风系统与4#煤层漏风量大致可看成图2所示。
由图2可以知道，矿井通风系统与4#煤层漏风情况大致可以看成并联系统[5]。根据并联通风系统原理可知，当总风量不变的情况下要减少4#煤层的所流经的风量，需要减小矿井通风系统的总风阻，使矿井通风系统的风量增多，以减少4#煤层的漏风量。所以某矿应首先优化矿井通风系统，来减少总阻力。
减少备用巷道或备用面的闲置时间，以缓解开采9#煤层产生的裂隙对4#煤层自燃的影响，从而减少自燃氧化的时间；同时加强对4#煤层漏风地点的检查，发现有漏风地点及时封堵，通过减少负压来减少4#煤层的供氧量，供氧量得到相应的控制，自燃的范围就得到了相应的控制。
在上述常规方法的基础上对4#煤层有计划的进行分块，并利用混有一定浓度凝胶的黄泥浆（粉煤灰将）配合氮气对分块地点浮煤进行覆盖，使浮煤与外界隔绝，从而减少煤层的自燃。
在打钻选择方面来看，与从井下打钻相比，地面打钻对覆盖浮煤的效果相对较好。因为从地面注浆，浆体利用自身重力在管体内滑动，浆体混合相对较为均匀、不分层，且喷射到空间中呈伞形分布，覆盖较为均匀。而从井下打钻，注浆时浆体容易分层堵塞管体，且向空间喷洒面积小，覆盖不均匀。但从整体经济效益来看，对9#煤层已经进行掘进的巷道，从9#煤层底板打钻进行喷射覆盖材料，虽然效果比从地面打钻效果差一些，但可以通过多打钻孔来弥补其缺点，整体经济效益较高。而对9#煤层没有采动的地点可采用地面打钻注浆。所以对4#煤层打钻根据采动情况选择。
3 结论
1）通过对4#煤层自燃倾向性分析可知，4#煤层较为容易自燃的是原先小矿采动后遗留在底板的浮煤。
2）某矿预防4#煤层自燃发火，喷洒覆盖材料主要受地势影响。
3）通过钻孔注入高分子聚合物，控制其流动距离可解决地势对覆盖材料的影响。
4）通过分析各种覆盖材料的优缺点可知，某矿4#煤层喷洒含有一定浓度凝胶的黄泥浆（粉煤灰浆）与氮气配合使用，对预防4#煤层自燃较为实用。
5）某矿通风系统与4#煤层漏风可简单看成是并联通风系统，并应用并联通风系统原理指出减少4#煤层漏风的方法，以减少煤层自燃供氧量。
6）减小备用巷道及备用工作面的闲置时间，可以缓解开采9#煤层产生的裂隙对4#煤层自燃的影响，从而减少自燃氧化的时间。
7）加强对漏风地点的封堵工作，可通过减少负压来减少4#煤层的供氧量，进而控制煤层氧化的范围。
8）通过地面打钻与井下打钻对比指出，地面打钻对预防4#煤层自燃效果较好；但对9#煤层已经开采的巷道而言，可通过多打钻孔来弥补其缺点，且整体经济效益较高。
参考文献：
[1]解兴智，张金锋.浅谈综放开采煤层自燃火灾及其防治[J].中国安全科学学报，2003（13）:28.
[2]吴博，巩振荣.横河煤矿自燃发火因素分析及防治技术[J].煤矿现代化，2012（5）:42.
[3]王衍生，尹经梅，董日喜.浅谈中厚煤层综放工作面煤层自燃的防治[J]. 矿业安全与环保，2002（29）:43.
[4]陈足章，赵庆民.“三相泡沫”在矿井防灭火中的应用[J]. 煤矿现代化，2010（3）:26.
[5]吴超.矿井通风与空气调节[M].长沙:中南大学出版社，2008.
作者简介
张成东（1966-），男，黑龙江鸡西人，工程师，现为东山煤矿员工，从事安全工作。
论文作者:张成东
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9月第17期
论文发表时间:2016/11/9
标签：煤层论文; 聚合物论文; 地势论文; 泥浆论文; 灰浆论文; 凝胶论文; 地点论文; 《低碳地产》2016年9月第17期论文;