采空区高硫煤自燃阻化技术试验分析

常绪华，王德明，时国庆

(中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，

煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室，安全工程学院，江苏 徐州，221116)

摘要：针对常用矿用阻化剂进行阻化实验，根据阻化效率、成本、溶解度等因素选出Na₂CO₃作为试验工作面的阻化剂，从隔绝氧气、吸热降温和负催化作用3个方面对Na₂CO₃阻化液的阻化机理进行分析。设计阻化液在试验工作面的制备工艺、钻孔布置和注液系统，使得每个注液孔有40 min的注液时间，从而避免了采煤与阻化作业相互影响；对预注阻化液前后试验工作面采空区内的气体体积分数和温度分布进行分析。研究结果表明：氧化区域位于采空区进风侧，在预注阻化液后，气体体积分数和温度分布明显降低；在预注阻化液后，煤的氧化进程推后11 d左右，从而降低了自燃危险性，有利于试验工作面采空区防灭火。

关键词：阻化剂；阻化机理；采空区；自燃；工作面

中图分类号：TD75          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)05-2118-06

Experiment analysis of high sulfur coal spontaneous combustion inhibition technology in goaf

CHANG Xuhua, WANG Deming, SHI Guoqing

(Key Laboratory of Gas and Fire Control for Coal Mines of Ministry of Education, State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, Faculty of Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

Abstract: Na₂CO₃ was selected as the most suitable inhibitor of the test face from commonly used inhibitors in mining according to the inhibition efficiency of experiments, cost and solubility etc. Inhibition mechanism of Na₂CO₃ inhibition liquid was analyzed from three aspects, i.e. secluding oxygen, decalescence cooling and negative catalysis. Inhibition liquid preparation technology, drilling layout and liquid injection system of test face were designed. The gas volume fraction and temperature distribution in goaf before and after inhibition liquid pre-injection were analyzed. The results show that every liquid injection drilling has 40 min for liquid injection and the design so as to avoid the mutual influence between mining and inhibition operation. Oxidation zone is located in inlet side of goaf. Gas volume fraction and temperature distribution decrease significantly after inhibition liquid pre-injection. Oxidation process is delayed about 11 d after inhibition liquid pre-injection and the risk of spontaneous combustion is decreased. This is beneficial for fire prevention and extinguishment of test face in goaf.

Key words: inhibitor; inhibition mechanism; goaf; spontaneous combustion; face

综放采煤是一种高产高效的采煤工艺，但综放采煤增加了采空区的丢煤量，尤其是采空区“两道”和“两线”丢煤较多，因此，综放面采空区容易发生自燃^[1-2]。目前，我国煤矿采用的防灭火措施主要有惰化、阻燃、堵漏、降温以及几种方法的综合等^[3-6]，在特定条件下，以上方法都起到了一定的效果，但由于采空区浮煤自燃在空间和时间上的不确定性，且综放采煤工艺浮煤较厚和分布不均匀，以上方法都存在一定的不足，如：惰化气体易随漏风扩散，不易滞留在采空区，且降温效果差，成本高；浆体不能向高处堆积，对中、高煤体起不到防治作用，且浆体不能均匀覆盖浮煤，容易形成“拉沟”现象等。为了克服以上方法的不足，本文作者提出向煤体预注阻化液的方法来防治采空区浮煤自燃。该方法利用煤层注水工艺将阻化液注入煤体，使其浸入煤的层理、节理、裂隙和孔隙中，当煤体被开采破坏散落后，其破碎煤体与外界空气的接触面上也会存在一层阻化液膜，从而在物理作用和化学作用下阻止煤与氧接触，达到防止氧化自燃的目的。另外，这种方法采用高压将阻化液注入煤体，阻化液侵入煤的层理、节理、裂隙和孔隙中，煤破碎后水分不容易散失和风干，与向空区内的浮煤喷洒或灌注阻化物相比较，阻化效率大大提高，阻化时间大大延长，从而更好地防治采空区浮煤自燃。

1  阻化技术分析

1.1  阻化剂的选择

不同矿区的煤具有不同的组分、结构和变质程度，因此，不同的阻化剂对不同矿区的煤阻化效果不同，在选用阻化剂时应综合考虑以下4个方面：(1) 在水中有较高的溶解度；(2) 能与煤内促进煤自燃的组分发生化学反应；(3) 在对煤体阻化的同时能消除H₂S和SO₂气体等；(4) 对煤质无不利影响或影响极小。

在现场应用中，矿用阻化剂主要有卤盐吸水液、铵盐水溶液阻化剂、粉末状阻化剂、氢氧化钙阻化剂、防老剂A、硅凝胶、石膏浆、高聚物乳液、灌浆阻化、复合阻化剂、水溶性阻化剂等^[7]。通过对10余种阻化剂的研究和筛选，得出水玻璃，Ca(OH)₂，Na₂CO₃，NaHCO₃，CaCl₂和MgCl₂等阻化剂对新峪矿高硫煤的氧化有明显的抑制作用。不同阻化剂对新峪矿高硫煤阻化效率的实验结果见表1。

由表1可知：水玻璃和Ca(OH)₂的阻化率都很高，但水玻璃模数不易控制且水玻璃成本较高，同时，Ca(OH)₂溶解度较小，且碱性强，有很强的腐蚀性，因此，不采用其作为现场应用的阻化剂。根据实验分析得出Na₂CO₃作为阻化剂用于新峪矿高硫煤不仅有较高的阻化率，而且可以较好地消除H₂S和SO₂气体，其反应方程式为^[8-10]：

2Na₂CO₃+H₂S=Na₂S+2NaHCO₃         (1)

Na₂CO₃+SO₂=Na₂SO₃+CO₂           (2)

阻化剂Na₂CO₃在水中有较高的溶解度，来源广泛，成本低，所以，本试验选择Na₂CO₃作为新峪矿高硫煤预注阻化液的阻化剂。

1.2  阻化液制备工艺

阻化液制备工艺如图1所示。首先，向水箱1中加入一定量的阻化剂；然后，打开供水管截止阀放入适量的水，将水箱中的溶液配制成所需的体积分数，当配制完水箱1中溶液后，将注液端的截止阀打开开始注液；在水箱1注阻化液的同时配制水箱2中的溶液，当水箱1中阻化液注完时即打开水箱2的截止阀注液，并配制水箱1中溶液。如此循环作业，以保证注液系统能正常不间断进行。

1.3  预注阻化液抑制煤自燃机理分析

由燃烧学和热力学理论分析可得，预注阻化液抑制煤自燃机理主要表现在以下3个方面^[11]。

(1) 隔绝氧气。根据化学反应中质量作用定律，在一定温度下，化学反应速率与反应物体积分数成正比。当阻化液进入煤层后，初期阻化液会包裹、充填煤体，减少了煤层及采空区浮煤中的空隙；当水汽化后，在煤的空隙表面也能留下一层阻化液膜，从而隔绝氧气，阻止煤的氧化。

表1  阻化效率实验结果

Table 1  Inhibition efficiency experiment results

图1  阻化液制备工艺图

Fig.1  Technology of inhibition liquid preparation

(2) 吸热降温。阻化液中水汽化时会吸收大量的热，从而抑制煤的自燃。水的耗热量为

Q=c₁m₁(t₂-t₁)+m₂c₂             (3)

其中：Q为总耗热量，kJ；c₁为水的定压比热容，kJ/(kg·K)；m₁为水升温的质量，kg；t₁和t₂分别为水升温前、后的温度，K；m₂为水汽化的质量，kg；c₂为水的汽化热，J/g。

(3) 负催化作用。Arrhenius提出了I型反应速率k与反应温度T之间的关系式^[12]：

k=Aexp[-E/(RT)]              (4)

式中：A为频率因子，其单位与k的相同；E为反应活化能，J/mol；R为摩尔气体常数，为8.314 5 J/(mol·K)；T为反应热力学温度，K。

由于阻化液中水分在升温和汽化时会吸收大量的热量，从式(4)可知水分吸热时反应速率以指数关系降低；另外，Na₂CO₃与煤体表面及内部的活性物质相互吸引，使活化的基团恢复到稳定状态，阻止反应活化能降低，即阻化液对煤自燃过程起负催化作用。

2  现场试验

2.1  工作面概况

选取山西焦煤汾西矿业集团公司新峪矿5112综放工作面进行试验。该工作面倾向长为160 m，走向长为966 m。煤层埋深为170 m，平均厚度为7.18 m，采高为2.5 m，平均采放比为1:1.71。煤层具有自然发火倾向性，有过多次发火的经历。煤质为富硫主焦煤，硫质量分数为2.8%。煤尘具有爆炸性，爆炸指数为21%。该矿为低瓦斯矿井，煤层瓦斯相对涌出量为0.28 m³/t，瓦斯的主要成分为CH₄，CO₂和H₂S。

2.2  阻化液短孔注入技术

阻化液短孔注入技术即利用注液泵提供的动压力在采煤工作面垂直煤壁或与煤壁斜交打钻孔将阻化液以注水方式注入煤层中，试验钻孔分布如图2所示。采用煤电钻机打眼，钻孔距底板1.7 m，孔径为42 mm，孔间距为4 m，斜孔长度为6 m，倾角为30°，工作面注液孔总数为35个。为防止工作面两端煤壁片帮，工作面2个端头各留10 m不打孔注阻化液。

封孔采用橡胶快速封孔器封孔，如图2所示。封孔器长为1 m，封孔器深为1 m，即封孔器外端距煤壁1 m。为了不影响工作面正常回采，采用图3所示的注浆系统，把工作面的钻孔分成3个组，每个BRW- 200/31.5乳化液泵担负3个组的注液：第1组从1~12号；第2组从13~23号；第3组从24~35号。用3部煤电钻机打注液孔，1部煤电钻机1个组，这样，就能保证每个注液孔有40 min的注液时间(其中含3~5 min的准备时间)，净注液时间能保证在35 min以上。

图2  试验工作面注液孔分布图

Fig.2  Injection liquid drilling distribution in test face

图3  注液系统示意图

Fig.3  Diagram of injection liquid system

2.3  试验观测结果

当工作面移架后，在综放支架后部埋5个测点，5个点距进风侧煤壁的距离(图中倾向距离)分别为0，40，80，120和160 m。抽气束管用直径为5.08 cm钢管保护，抽气口预留在工作面前方180 m处，对预注阻化液前后采空区中CO，CO₂和CH₄进行观测。通过气体估计温度，基于MATLAB对观测数据进行处理，得出预注阻化液前后采空区中CO，CO₂，CH₄和估计温度的等值线分布^[13]如图4~7所示(其中：倾向距离为距进风侧煤壁的距离；走向距离为测点到工作面的距离；等值线中，气体体积分数单位为10^-6；温度单位为℃)。

3  试验结果分析

3.1  预注阻化液前后CO体积分数变化规律分析

CO体积分数等值线分布如图4所示。由图4(a)可知：采空区进风侧的CO体积分数高于回风侧的体积分数，这说明采空区氧化区域位于采空区进风侧，并且在进风侧，从距离工作面36 m处的采空区开始，CO的体积分数开始快速增加；当距离为80~120 m时，CO的体积分数达到了较大值，这说明在进风侧，从距离工作面36 m的采空区开始，采空区开始具备氧化蓄热环境，煤的氧化开始加速；但回风侧CO体积分数很低，煤的氧化升温很慢。由图4(b)可以看出：当对煤层预注阻化液后，在距离工作面同样距离的采空区，CO体积分数大幅度降低，且在距离工作面0~54 m范围内，体积分数明显降低，但整体变化趋势和预注阻化液前一致。由图4可见：预注阻化液前后，CO高体积分数区域推后了40 m左右。

图4  CO体积分数等值线分布

Fig.4  Contour distribution of volume fraction of CO

3.2  预注阻化液前后CO₂体积分数变化规律

在煤氧化的过程中，CO₂体积分数随着CO体积分数的增大而增大。从图5(a)可见：预注阻化液前，在进风侧0~34 m的采空区内，CO₂体积分数的变化不大，80~120 m的范围内为高CO₂体积分数区域，并且进风侧CO₂体积分数高于回风侧体积分数。从图5(b)可以看出：预注阻化液后，距离工作面同样距离的采空区，CO₂体积分数有大幅度降低，并且在0~62 m范围内，CO₂体积分数较低，但等值线较密集。这是因为煤层预注阻化液使煤开采时更容易破碎，对于破碎的煤，距离工作面不同，其压实程度也不同，则其CO₂的体积分数也不一样。对比图4和图5可以得出：在此工作面的采空区，CO体积分数较低，而CO₂的体积分数较高。这是因为此阶段的采空区浮煤氧化还处在富氧氧化阶段，其氧化中心的温度还不是太高，氧化过程中生成的CO₂体积分数高于CO的体积分数。

图5  CO₂体积分数等值线分布

Fig.5  Contour distribution of volume fraction of CO₂

3.3  预注阻化液前后CH₄体积分数变化规律分析

CH₄体积分数等值线分布见图6。从图6可以看出：在预注阻化液前后，CH₄体积分数变化较小，但整体来看，预注阻化液后，在距离工作面0~40 m以内的采空区，CH₄体积分数有所降低。这是因为预注阻化液对煤起到了湿润作用，阻化液附着在煤表面和充填在裂隙内，从而阻止了煤中瓦斯的解析。但在距离工作面40~120 m之间的采空区，CH₄体积分数却比预注阻化液前要大。这是因为此区域阻化液中的水分多数已被蒸发，煤中的瓦斯开始解析，但此区域采空区压实程度较好，解析的瓦斯难以被漏风带出。

图6  CH₄体积分数等值线分布

Fig.6  Contour distribution of volume fraction of CH₄

3.4  预注阻化液前后温度变化规律分析

温度等值线如图7所示。从图7可以看出：在预注阻化液前后，高温区域都在进风侧，在预注阻化液前，距离工作面70 m处的采空区，温度达35 ℃；当预注阻化液后，距离工作面112 m的采空区，其温度才达35 ℃，因此，预注阻化液对抑制采空区浮煤氧化自燃效果很好。从图7(b)可以看出：在0~40 m内的采空区内，其温度都低于27 ℃，这是预注阻化液中水分蒸发的结果。水汽化吸热，将煤氧化产生的部分热量及时地传导出去，从而使此区域的温度较低。预注阻化液后，其温度等值线比较密集。这是因为预注阻化液后煤体更容易破碎，这使得采空区更容易被压实，从而使得等值线变化较密集。

图7  温度等值线分布

Fig.7  Contour distribution of temperature

3.5  讨论与分析

当采空区煤自燃时，一般表现是CO体积分数和温度增高。从以上分析可知：高CO体积分数区和高温区均在进风侧的采空区，说明该采空区进风侧浮煤氧化比回风侧要快；预注阻化液前，进风侧CO在距离工作面68 m处达到较高体积分数11×10^-6；预注阻化液后，此距离为108 m。这说明预注阻化液前后，CO较高体积分数区域向采空区深部推后了40 m；同样，在预注阻化液前，进风侧采空区在距离工作面70 m处，其温度就达35 ℃，而当预注阻化液后，该距离为112 m，推后了42 m，从而判断出：当预注阻化液后，自燃氧化区域向采空区深部推进了41 m左右，按照正常采煤进度3.6 m/d，预注阻化液后，使得煤的氧化进程推后了11 d左右，从而大大降低了该工作面采空区自然发火的危险性。

4  结论

(1) Na₂CO₃阻化液可以从隔绝氧气、吸热降温和负催化作用3个方面抑制煤的自燃。

(2) 结合试验工作面，对阻化液的制备工艺、预注阻化液钻孔布置、注液系统进行分析，选择合适的注液工艺，保证了每个注液孔有40 min的注液时间，净注液时间能在35 min以上，从而保证了预注阻化液工艺在试验工作面顺利进行。

(3) 工作面的氧化区域位于采空区的进风侧，当预注阻化液后，对应距离的采空区气体体积分数和温度分布明显降低；在预注阻化液后，氧化区域向采空区深部推进了41 m左右，按照正常采煤进度3.6 m/d，预注阻化液后，使得煤的氧化进程推后了11 d左右，大大降低了自然发火危险性，从而有利于试验工作面采空区防灭火。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2012-06-25；修回日期：2012-08-22

基金项目：国家自然科学基金委员会与神华集团有限公司联合资助项目(51134020)；国家自然科学基金资助项目(50927403，51104154)；煤炭资源与安全开采国家重点实验室自主课题(SKLCRSM08X06)

通信作者：王德明(1956-)，男，贵州遵义人，博士，教授，博士生导师，从事矿井通风与防灭火的研究；电话：0516-83590592；E-mail: wdmcumt@163.com