作者:陈瑞锋 来源: 发布时间:2021-6-1 16:34:40
地下煤层自燃何时休?

   矿井火灾是煤矿的五大灾害之一,根据火灾发生的原因不同,一般将矿井火灾分为外因火灾和内因火灾?缶诨鹪钟殖泼翰阕匀环⒒穑翰阕匀迹,是煤不经点燃而自行着火的现象。在此,笔者结合近年来在煤矿“一通三防”工作的经历,简要谈谈对地下煤层自然发火防治方面的一些认识和建议。

 

尊重规律 科学施策

 

   任何事物都有其发展演化规律,地下煤层自燃也是一样。地下煤层自燃不是凭空发生的,也不是无征兆条件下突然出现的,而是在特定条件下逐步发生的。

   关于煤炭自然发火的原因,有多种学说解释,普遍认可的是煤氧复合作用学说,其主要观点是:煤在常温下吸收空气中的氧气,产生低温氧化,释放热量和初级氧化产物,由于散热不良,热量积聚,温度上升,加速了低温氧化作用进程,最终导致自然发火。

   实际上,并非所有的煤层都能发生自燃。煤层自然发火必须具备一定的条件:一是必须是具有自燃倾向性的煤炭呈破碎状态存在,二是必须有连续的供氧条件,三是热量易于积聚。上述三个条件必须同时存在,缺一不可。

   可以确定的是,煤炭自然发火防治的主要对象是自燃和易燃煤层。根据煤矿井下环境及煤层的赋存状态,确定煤炭存在自然发火隐患的区域:残留在采空区的碎煤和煤柱、存放的煤堆、井下场所裸露的煤体等。

   那么,如何防治煤层自然发火呢?

   首先,必须坚持“预防为主”的自然发火防治理念,将自然发火遏制在萌芽状态。在掌握了煤炭自然发火的机理后,我们可以对症下药,从以下三个方面入手,预防煤炭的自然发火:一是控制氧气浓度,二是控制或消除可燃物,三是冷却降温。

   其次,必须因地制宜,针对性采取措施。井下堆煤、裸露煤体等区域自然发火问题均可以通过喷浆、降温等手段进行治理。但受煤矿井下条件限制,目前的技术手段对采空区情况仍然未能准确掌握,采空区自然发火成为煤矿自然发火灾害发生的主要区域。

   采空区包括回采工作面的采空区、已经封闭的采空区两种。针对已经封闭的采空区,我们通过隔绝漏风、注入惰性气体等方式控制氧气浓度进而可以有效防止采空区自然发火;针对回采工作面对应的采空区,必须根据采空区三带划分合理制定防灭火措施,从注浆、喷洒阻化剂、减少遗煤、注氮、合理推进速度、减少漏风等方面采取相应的手段进行治理。

   需要特别说明的是,放顶煤工作面对应采空区的防灭火措施,传统的以注浆为主的防灭火措施无法有效覆盖采空区垂直方向(竖三带),且采空区遗煤相对较多,以注惰为主的防灭火措施则可充满整个采空区,充分降低采空区各个位置的氧气浓度,有效遏制采空区遗煤自然发火的隐患。

   另外,必须综合分析、精准施策,实现源头治理。井工煤矿在开采过程中,地质条件相对复杂,在出现自然发火征兆后,不能盲目治理。例如,在一个回采工作面采空区发现一氧化碳(煤层自然发火指标性气体)浓度很高,就应该综合分析采空区漏风情况、周边小窑情况以及气体变化规律等因素,判断是否是与外界有关,精准确定一氧化碳异常区域,从而精准采取措施,进而达到有效遏制煤层自然发火隐患的目的。若单纯地采取加大采空区注氮措施,即便将采空区氧气浓度控制在7%(临界值)以下,上覆采空区煤层自然发火的隐患也无法有效根治,反而会造成本工作面生产环境中氧气浓度下降等安全问题。

 

系统思维 统筹兼顾

 

   安全生产是煤矿发展永恒的主题,伴随着煤炭开采行业装备水平的不断提升、开采强度的不断加大、开采范围的不断延伸,煤炭企业面临的安全挑战愈加凸显。煤矿自然发火的防治作为矿井安全生产的重要措施之一,必须综合考虑、统筹兼顾,方可确?缶踩咝。

   一是生产与煤炭自然发火防治协同实施。从煤层自然发火的角度出发,根据采空区氧气含量的分布情况,煤矿回采工作面采空区存在着煤层自然发火三带划分:散热带、氧化带、窒息带。采空区煤炭自燃一般发生在氧化带。

   从生产角度讲,一方面必须保证合理的推进速度,避免采空区遗煤长时间位于氧化带;另一方面,采空区顶板管理效果直接影响采空区煤层自然发火三带划分,合理的采空区顶板管理方式可以有效缩短采空区漏风,使采空区氧化带变窄,降低采空区煤层自然发火的风险。此外,生产工艺工序等方式也会直接影响采空区自然发火防治工作的开展,必须同步考虑生产和防灭火工作,确?缶踩咝。

   二是瓦斯与煤炭自然发火防治协同治理。在自然发火与瓦斯等灾害隐患同时存在的矿井,瓦斯防治与煤矿自然发火防治其实是相互矛盾的。瓦斯防治重在抽放,抽放必然增加煤体接触氧气的机会,瓦斯抽放工作过度,自然发火隐患便愈加严重;反之,自然发火防治重在隔绝氧气,单纯的防灭火工作,必然导致瓦斯治理效果差,瓦斯隐患将制约矿井安全生产。因此,必须要有系统思维,统筹兼顾瓦斯与火灾协同治理问题。

   三是顶板与煤炭自然发火防治协同解决。在采掘过程中,地质构造等煤体破碎区域往往是顶板管理的难点,若顶板管理不好会出现顶板冒落、下沉,对矿井安全生产造成严重影响。传统的顶板管理方式是通过加强巷道支护、灌注高分子材料等方式管理顶板。结合近年来的案例分析可知,高分子材料的大量使用会产生热量,在煤体破碎区域使用高分子材料极易发生煤层自燃现象。因此,必须综合考虑两者之间的相互关系,协同解决顶板和火灾的问题。

   目前,我们已经逐步开始推广使用顶板致裂技术管理顶板,通过水力压裂、二氧化碳致裂等方式有效切断应力传递,维护好巷道顶板的同时,加速了采空区顶板垮落,阻断了采空区漏风通道,避免了高分子材料的使用,同时解决了顶板和采空区煤炭自然发火的问题。

   四是水患与煤炭自然发火防治协同管理。煤矿井下采空区积水可以有效消除煤炭自然发火隐患,但同时带来相邻区域采掘过程中的水患。煤矿在采掘过程前,必须要施工钻孔对周边及上覆采空区积水进行排放,但消除水患的同时增加了采空区漏风通道,造成采空区自然发火隐患。有关研究表明,煤体中水分含量存在一个最佳湿度,此时水对煤炭自燃存在促进作用,但在实际生产中,排空积水的采空区更易发生煤炭自燃。我们不能单纯地治理水患或治理煤炭自然发火,必须协同治理。

   例如,针对相邻采空区积水排放和防火工作,可以考虑钻孔综合利用,放水钻孔在排放积水完成后与注氮系统连接,对相邻采空区实施注氮。一方面,可以增加采空区气压,消除采空区“呼吸”现象,遏制漏风;另一方面,能有效降低采空区氧气浓度,消除自然发火隐患。塔山煤矿已成功在多个采空区实施“井下注氮结合地面钻孔抽放置换采空区高浓度瓦斯”技术,利用放水孔实现了水患、瓦斯及自然发火隐患协同治理。

 

注重细节 科学严谨

 

   统计近年来发生的安全事故,不难发现即便是在强化安全管理的前提下,煤矿自然发火事故仍时有发生,具体呈现如下特点。

   一是事故常发生在大家容易忽视的地方,二是低级错误致灾比例越来越小、高级错误比例越来越大,三是重特大事故显现火灾、突出、爆炸及顶板灾害转化特征。血的教训告诫我们,任何时候均不能心存侥幸,必须坚决做到以下几点:

   要坚决摒弃习以为常的惯性思维,从思想上破除束缚,提高政治站位,系统考虑问题,整体把握,着眼于大局。

   要坚决摒弃“如果”的想法。安全工作没有小事,更没有假设。要想真正做好煤层自然发火防治工作,就必须要从点滴小事做起,坚决摒弃侥幸心理,这样才能够确保安全。

   要防止“百密一疏”,认真对待每一个细节,避免低级失误酿成大错。善于发现煤层自然发火防治中最薄弱的环节,深刻理解反映安全生产状况的“木桶”理论:一个矿井的安全状况不仅是由安全管理最好的区域或环节来决定的,往往是由安全管理最差的区域或环节来决定的。

   祸兮福所倚,福兮祸所伏。煤矿安全生产不是在绝对的安全环境下生产,是在对各类风险进行管控之后,最大限度地保障安全生产环境的条件下组织的安全生产。低瓦斯矿井发生突出事故,正是“祸兮福所倚” 的真实写照,而突出矿井在防突措施到位后,则会最大限度的遏制突出事故发生,避免安全事故发生。任何事物都有两面性,我们不能沉浸在昨天矿井无“火区”的安全成就上,应该直面当前的安全形势,分析矿井自然发火风险:以“祸”角度出发,认真对待煤层自然发火防治工作,达到“福”的目的,实现安全高效生产。

 

勇于创新 多措并举

 

   随着当前智能化技术的不断发展,安全形势的不断严峻,作为高危行业的煤矿企业必须紧跟时代步伐,完善矿井智能化建设,向智能化办公转变,实现“无人”则安。

   要做到与时俱进和创新,必须善于创新,拓宽思路,改变传统模式,将国际领先水平的装备、技术引进来,加以优化和改造,学以致用,不断创新。在煤炭自然发火防治方面,在保障当前防灭火技术体系的基础上,我们应该从以下几个方面着手,多措并举,实现“零自燃”。

   完善工作面气体监测系统,建立立体式模型,量化工作面配风量、注氮量、抽放瓦斯量对采空区气压、流场运移的影响规律,实现精确控制采空区流场,同时治理瓦斯、自然发火等隐患。

   开展煤层自燃前兆信息演化特征与预警理论研究,确定煤自然发火期快速测试分析方法,建立一氧化碳气体异常等特殊生产技术条件下的预测预报指标。

   开展防灭火新材料及专用装备、隐蔽火源精确探测技术与装备等方面的研究。

   研究智能远程控制的采区及工作面快速封闭巷道防爆门技术及装备。研究智能巡回检查机器人对工作面各监测点气体进行智能巡回检查!

(作者系晋能控股煤业集团塔山煤矿通风副总工程师)

 

 

《科学新闻》 (科学新闻2021年4月刊 绿色)
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