煤炭自燃是煤炭开采中严重的灾害之一,已成为制约高产、高效矿井安全生产与健康发展的主要因素之一。随着厚煤层综采放顶煤开采技术的推广,在保障矿井高产高效运行的同时,煤炭自燃火灾的防治工作也显得尤为重要。在综放开采过程中,采空区顶板冒落大,留有大量的浮煤,加之井上下漏风,因而采空区浮煤很容易与漏风流中的氧气发生氧化反应,从而导致采空区浮煤自燃,严重威胁着矿井的安全生产。本文针对平朔矿区井工矿自燃厚煤层综放开采采空区注氮参数是根据经验数据,缺乏科学合理的注氮参数,通过不同氧气浓度下煤的自燃特性参数试验研究,得出了平朔矿区4“煤自然发火的临界氧气浓度,同时通过理论分析、试验研究及现场测定综放工作面采空区注氮前后气体分布规律及采用不同注氮参数对采空区惰化的效果,结合CFD测试技术给出采空区注氮惰化效果,从而优化采空区注氮防灭火技术参数,对减少平朔矿区自燃火灾事故率、提高矿井防灭火技术管理水平具有重要意义。主要研究内容及结论如下：1、为掌握煤层自然发火的特性和早期预测预报的指标,对4#煤层煤样进行了程序升温氧化试验。实验结果表明：平朔井工一矿4“煤层产生CO的临界温度(指煤样在升温氧化过程中检测到CO浓度急剧变化点的温度)为80。C,C2H4出现的温度为120℃,H2出现的温度为90。C,且其生成量随温度的上升呈先上升后下降再上升的变化趋势,C2H2出现的温度高于220℃。因此,平朔井工一矿4#煤层指标气体应在使用CO的前提下,结合C2H4和C2H2作为综合判断指标,对煤自然发火的不同阶段及其发展态势进行预测预报。2、为掌握煤层自然发火的临界氧气浓度,对4#煤层煤样进行了不同氧气浓度下的程序升温氧化试验。实验结果表明：随着煤氧化环境中氧气浓度(18%、12%、10%、8%、5%)的降低,CO、C2H4生成的初始温度呈现“滞后效应”,相对滞后10℃,其生成量相对变化10%-80%。根据平朔井工一矿4“煤层煤样在不同氧气浓度下程序升温氧化过程中指标气体CO生成的初始温度与氧气浓度之间的线性回归关系y=94.54272-3.21029x,推断出4“煤层自然发火的临界氧气浓度为5%,为优化采空区注氮参数提供依据。3、通过在平朔井工一矿14107综放工作面铺设束管监测系统,同时利用自主研发的移动式束管采样系统及地面气体分析化验系统,对采空区气体进行现场监测,监测结果表明未注氮条件下开采采空区中O：浓度(体积分数)分布界限对应位置为：散热带≥18%,<14m；氧化带5%-18%,14-255m；窒息带<5%,>255m。注氮条件下开采采空区中O：浓度(体积分数)分布界限对应位置为：散热带≥18%,<14m；氧化带5%-18%,14-162m；窒息带<5%,>162m。现场监测结果表明,14107综放工作面注氮前后采空区气体02分布规律发生了变化,体现在采空区“三带”范围中散热带未发生变化,氧化带在注氮后缩短了约93m,对比注氮前后,窒息带也随之提前了93m。4、根据平朔井工一矿按产量计算注氮量的结果,结合国内外类似矿井的相关经验,按注氮流量最大值的原则,14107综采放顶煤工作面的防灭火注氮流量应不小于1460m3/h。5、注氮位置不宜在辅运巷侧工作面后50m内进行,最佳位置应在工作面后80-100m范围内,注氮口移步间距为60m,对惰化采空区氧化带效果明显。为了使采空区氧化带得到更好的惰化效果,根据CFD模拟分析和现场情况,建议工作面采用低流量氮气时应尽量保持连续性注入氮气,避免间断性注氮。
