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作者:陳瑞鋒 來源: 發布時間:2021-6-1 16:34:40
地下煤層自燃何時休?

   礦井火災是煤礦的五大災害之一,根據火災發生的原因不同,一般將礦井火災分為外因火災和內因火災。礦井內火災又稱煤層自然發火(煤層自燃),是煤不經點燃而自行著火的現象。在此,筆者結合近年來在煤礦“一通三防”工作的經歷,簡要談談對地下煤層自然發火防治方面的一些認識和建議。

 

尊重規律 科學施策

 

   任何事物都有其發展演化規律,地下煤層自燃也是一樣。地下煤層自燃不是憑空發生的,也不是無征兆條件下突然出現的,而是在特定條件下逐步發生的。

   關于煤炭自然發火的原因,有多種學說解釋,普遍認可的是煤氧復合作用學說,其主要觀點是:煤在常溫下吸收空氣中的氧氣,產生低溫氧化,釋放熱量和初級氧化產物,由于散熱不良,熱量積聚,溫度上升,加速了低溫氧化作用進程,最終導致自然發火。

   實際上,并非所有的煤層都能發生自燃。煤層自然發火必須具備一定的條件:一是必須是具有自燃傾向性的煤炭呈破碎狀態存在,二是必須有連續的供氧條件,三是熱量易于積聚。上述三個條件必須同時存在,缺一不可。

   可以確定的是,煤炭自然發火防治的主要對象是自燃和易燃煤層。根據煤礦井下環境及煤層的賦存狀態,確定煤炭存在自然發火隱患的區域:殘留在采空區的碎煤和煤柱、存放的煤堆、井下場所裸露的煤體等。

   那么,如何防治煤層自然發火呢?

   首先,必須堅持“預防為主”的自然發火防治理念,將自然發火遏制在萌芽狀態。在掌握了煤炭自然發火的機理后,我們可以對癥下藥,從以下三個方面入手,預防煤炭的自然發火:一是控制氧氣濃度,二是控制或消除可燃物,三是冷卻降溫。

   其次,必須因地制宜,針對性采取措施。井下堆煤、裸露煤體等區域自然發火問題均可以通過噴漿、降溫等手段進行治理。但受煤礦井下條件限制,目前的技術手段對采空區情況仍然未能準確掌握,采空區自然發火成為煤礦自然發火災害發生的主要區域。

   采空區包括回采工作面的采空區、已經封閉的采空區兩種。針對已經封閉的采空區,我們通過隔絕漏風、注入惰性氣體等方式控制氧氣濃度進而可以有效防止采空區自然發火;針對回采工作面對應的采空區,必須根據采空區三帶劃分合理制定防滅火措施,從注漿、噴灑阻化劑、減少遺煤、注氮、合理推進速度、減少漏風等方面采取相應的手段進行治理。

   需要特別說明的是,放頂煤工作面對應采空區的防滅火措施,傳統的以注漿為主的防滅火措施無法有效覆蓋采空區垂直方向(豎三帶),且采空區遺煤相對較多,以注惰為主的防滅火措施則可充滿整個采空區,充分降低采空區各個位置的氧氣濃度,有效遏制采空區遺煤自然發火的隱患。

   另外,必須綜合分析、精準施策,實現源頭治理。井工煤礦在開采過程中,地質條件相對復雜,在出現自然發火征兆后,不能盲目治理。例如,在一個回采工作面采空區發現一氧化碳(煤層自然發火指標性氣體)濃度很高,就應該綜合分析采空區漏風情況、周邊小窯情況以及氣體變化規律等因素,判斷是否是與外界有關,精準確定一氧化碳異常區域,從而精準采取措施,進而達到有效遏制煤層自然發火隱患的目的。若單純地采取加大采空區注氮措施,即便將采空區氧氣濃度控制在7%(臨界值)以下,上覆采空區煤層自然發火的隱患也無法有效根治,反而會造成本工作面生產環境中氧氣濃度下降等安全問題。

 

系統思維 統籌兼顧

 

   安全生產是煤礦發展永恒的主題,伴隨著煤炭開采行業裝備水平的不斷提升、開采強度的不斷加大、開采范圍的不斷延伸,煤炭企業面臨的安全挑戰愈加凸顯。煤礦自然發火的防治作為礦井安全生產的重要措施之一,必須綜合考慮、統籌兼顧,方可確保礦井安全高效生產。

   一是生產與煤炭自然發火防治協同實施。從煤層自然發火的角度出發,根據采空區氧氣含量的分布情況,煤礦回采工作面采空區存在著煤層自然發火三帶劃分:散熱帶、氧化帶、窒息帶。采空區煤炭自燃一般發生在氧化帶。

   從生產角度講,一方面必須保證合理的推進速度,避免采空區遺煤長時間位于氧化帶;另一方面,采空區頂板管理效果直接影響采空區煤層自然發火三帶劃分,合理的采空區頂板管理方式可以有效縮短采空區漏風,使采空區氧化帶變窄,降低采空區煤層自然發火的風險。此外,生產工藝工序等方式也會直接影響采空區自然發火防治工作的開展,必須同步考慮生產和防滅火工作,確保礦井安全高效生產。

   二是瓦斯與煤炭自然發火防治協同治理。在自然發火與瓦斯等災害隱患同時存在的礦井,瓦斯防治與煤礦自然發火防治其實是相互矛盾的。瓦斯防治重在抽放,抽放必然增加煤體接觸氧氣的機會,瓦斯抽放工作過度,自然發火隱患便愈加嚴重;反之,自然發火防治重在隔絕氧氣,單純的防滅火工作,必然導致瓦斯治理效果差,瓦斯隱患將制約礦井安全生產。因此,必須要有系統思維,統籌兼顧瓦斯與火災協同治理問題。

   三是頂板與煤炭自然發火防治協同解決。在采掘過程中,地質構造等煤體破碎區域往往是頂板管理的難點,若頂板管理不好會出現頂板冒落、下沉,對礦井安全生產造成嚴重影響。傳統的頂板管理方式是通過加強巷道支護、灌注高分子材料等方式管理頂板。結合近年來的案例分析可知,高分子材料的大量使用會產生熱量,在煤體破碎區域使用高分子材料極易發生煤層自燃現象。因此,必須綜合考慮兩者之間的相互關系,協同解決頂板和火災的問題。

   目前,我們已經逐步開始推廣使用頂板致裂技術管理頂板,通過水力壓裂、二氧化碳致裂等方式有效切斷應力傳遞,維護好巷道頂板的同時,加速了采空區頂板垮落,阻斷了采空區漏風通道,避免了高分子材料的使用,同時解決了頂板和采空區煤炭自然發火的問題。

   四是水患與煤炭自然發火防治協同管理。煤礦井下采空區積水可以有效消除煤炭自然發火隱患,但同時帶來相鄰區域采掘過程中的水患。煤礦在采掘過程前,必須要施工鉆孔對周邊及上覆采空區積水進行排放,但消除水患的同時增加了采空區漏風通道,造成采空區自然發火隱患。有關研究表明,煤體中水分含量存在一個最佳濕度,此時水對煤炭自燃存在促進作用,但在實際生產中,排空積水的采空區更易發生煤炭自燃。我們不能單純地治理水患或治理煤炭自然發火,必須協同治理。

   例如,針對相鄰采空區積水排放和防火工作,可以考慮鉆孔綜合利用,放水鉆孔在排放積水完成后與注氮系統連接,對相鄰采空區實施注氮。一方面,可以增加采空區氣壓,消除采空區“呼吸”現象,遏制漏風;另一方面,能有效降低采空區氧氣濃度,消除自然發火隱患。塔山煤礦已成功在多個采空區實施“井下注氮結合地面鉆孔抽放置換采空區高濃度瓦斯”技術,利用放水孔實現了水患、瓦斯及自然發火隱患協同治理。

 

注重細節 科學嚴謹

 

   統計近年來發生的安全事故,不難發現即便是在強化安全管理的前提下,煤礦自然發火事故仍時有發生,具體呈現如下特點。

   一是事故常發生在大家容易忽視的地方,二是低級錯誤致災比例越來越小、高級錯誤比例越來越大,三是重特大事故顯現火災、突出、爆炸及頂板災害轉化特征。血的教訓告誡我們,任何時候均不能心存僥幸,必須堅決做到以下幾點:

   要堅決摒棄習以為常的慣性思維,從思想上破除束縛,提高政治站位,系統考慮問題,整體把握,著眼于大局。

   要堅決摒棄“如果”的想法。安全工作沒有小事,更沒有假設。要想真正做好煤層自然發火防治工作,就必須要從點滴小事做起,堅決摒棄僥幸心理,這樣才能夠確保安全。

   要防止“百密一疏”,認真對待每一個細節,避免低級失誤釀成大錯。善于發現煤層自然發火防治中最薄弱的環節,深刻理解反映安全生產狀況的“木桶”理論:一個礦井的安全狀況不僅是由安全管理最好的區域或環節來決定的,往往是由安全管理最差的區域或環節來決定的。

   禍兮福所倚,福兮禍所伏。煤礦安全生產不是在絕對的安全環境下生產,是在對各類風險進行管控之后,最大限度地保障安全生產環境的條件下組織的安全生產。低瓦斯礦井發生突出事故,正是“禍兮福所倚” 的真實寫照,而突出礦井在防突措施到位后,則會最大限度的遏制突出事故發生,避免安全事故發生。任何事物都有兩面性,我們不能沉浸在昨天礦井無“火區”的安全成就上,應該直面當前的安全形勢,分析礦井自然發火風險:以“禍”角度出發,認真對待煤層自然發火防治工作,達到“福”的目的,實現安全高效生產。

 

勇于創新 多措并舉

 

   隨著當前智能化技術的不斷發展,安全形勢的不斷嚴峻,作為高危行業的煤礦企業必須緊跟時代步伐,完善礦井智能化建設,向智能化辦公轉變,實現“無人”則安。

   要做到與時俱進和創新,必須善于創新,拓寬思路,改變傳統模式,將國際領先水平的裝備、技術引進來,加以優化和改造,學以致用,不斷創新。在煤炭自然發火防治方面,在保障當前防滅火技術體系的基礎上,我們應該從以下幾個方面著手,多措并舉,實現“零自燃”。

   完善工作面氣體監測系統,建立立體式模型,量化工作面配風量、注氮量、抽放瓦斯量對采空區氣壓、流場運移的影響規律,實現精確控制采空區流場,同時治理瓦斯、自然發火等隱患。

   開展煤層自燃前兆信息演化特征與預警理論研究,確定煤自然發火期快速測試分析方法,建立一氧化碳氣體異常等特殊生產技術條件下的預測預報指標。

   開展防滅火新材料及專用裝備、隱蔽火源精確探測技術與裝備等方面的研究。

   研究智能遠程控制的采區及工作面快速封閉巷道防爆門技術及裝備。研究智能巡回檢查機器人對工作面各監測點氣體進行智能巡回檢查!

(作者系晉能控股煤業集團塔山煤礦通風副總工程師)

 

 

《科學新聞》 (科學新聞2021年4月刊 綠色)
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