王少東

（中煤資源發(fā)展集團有限公司 河南鄭州 450000）

0 引言

礦井火災(zāi)一直是煤礦重大災(zāi)害類型之一［1］。對于存在自然發(fā)火傾向性的煤層，煤層自然火災(zāi)影響最為嚴重，因其防治周期長、成效慢、危害大、成本高等因素，成為礦井防災(zāi)減災(zāi)面臨的主要問題［2］。煤層自燃除了和煤層自燃傾向性有關(guān)，還和開拓開采布置、采煤工藝、通風(fēng)方式等技術(shù)條件有關(guān)［3］。

綜合機械化放頂煤開采方法具有機械化程度高、產(chǎn)量高、綜合效益好等諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。但由于綜放工作面推進速度快、放頂煤不充分、采空區(qū)管理難度大、煤層賦存不穩(wěn)定等因素存在，給煤層自然發(fā)火提供空間條件［4］。鄭州礦區(qū)主采二1 煤層為不穩(wěn)定煤層，煤層賦存厚度及煤層夾矸等情況復(fù)雜多變，在綜放條件下往往造成放煤不充分，采空區(qū)留煤量不均衡且難以估算，給工作面防自然發(fā)火帶來較大困難。據(jù)統(tǒng)計，鄭州礦區(qū)自綜放開采以來，已經(jīng)發(fā)生數(shù)百起不同程度的自然火災(zāi)事故，嚴重制約著礦井的安全生產(chǎn)。基于煤層賦存條件的復(fù)雜性和綜放工作面生產(chǎn)工藝的特殊性以及煤層自然發(fā)火防治的艱難程度，有必要對其采取綜合的防治措施，提高綜放開采工作面的安全性［5］。

本文以鄭州礦區(qū)某礦井綜放工作面綜合防治煤層自然發(fā)火技術(shù)措施為例，介紹了不同發(fā)火因素下最經(jīng)濟、最有效的技術(shù)對策，為類似礦井提供措施參考。

1 綜放工作面煤層自然發(fā)火隱患分析

1.1 工作面概況

鄭州礦區(qū)主采的二1 煤層為典型的三軟煤層，且受滑動構(gòu)造影響，煤層賦存不穩(wěn)定，煤層傾角變化大，煤層加矸較多且不穩(wěn)定，煤層回采率較低，采空區(qū)丟煤是造成煤層自然發(fā)火的主要因素。礦井主采二1 煤層屬Ⅱ類自然煤層，發(fā)火期為2～4個月。23052 工作面采用綜合機械化采煤放頂煤工藝，煤層平均厚度2.6 m～8.5 m，煤層夾矸呈不均勻分布，夾矸厚度0 m～1.8 m，煤層傾角12°～16°，工作面最大割煤高度3.0 m，最大放煤高度5.5 m，采放比為1∶1.8。工作面西部為采空區(qū)，東部為采區(qū)3 條下山巷道，北部為工作面采空區(qū)，南部為采區(qū)聯(lián)絡(luò)大巷及斷層停采線，斷層最大落差40 m，長度352 m，工作面內(nèi)賦存4 條落差小于5 m 正斷層。采煤過程中丟煤多且封閉性差，存在煤層自然發(fā)火隱患，如圖1 所示。

圖1 工作面位置及構(gòu)造

1.2 工作面煤層自燃隱患分析

工作面回采推進后，在采空區(qū)殘留下的煤炭會發(fā)生氧化反應(yīng)，由于采空區(qū)瓦斯和其他氣體的不斷涌出會降低氧氣濃度，進而影響煤的氧化速率。但由于工作面的開放性，工作面通風(fēng)或者漏風(fēng)會補給采空區(qū)氧氣。受工作面推進速度、采空區(qū)丟煤率、工作面漏風(fēng)情況以及煤層頂?shù)装鍘r性等因素影響，在采空區(qū)空間位置上存在煤層自然發(fā)火的“三帶”。對于U 型通風(fēng)系統(tǒng)，靠近工作面的采空區(qū)由于冒落的巖層處于自由堆積狀態(tài)，其空隙大，漏風(fēng)大，散熱快，此區(qū)域煤炭很難自燃，故叫作散熱帶；隨著采空區(qū)與工作面的距離增加，冒落巖石經(jīng)過巖層壓力后，空隙變小，漏風(fēng)減少，儲熱條件較好，如果此條帶存在的時間超過煤層自然發(fā)火期，就可能自燃，故此條帶稱為自燃帶。自燃帶以內(nèi)冒落的巖層處于重新壓實區(qū)域，漏風(fēng)小、甚至消失，氧氣濃度低，煤層不具備自燃條件，故此區(qū)域稱為窒息帶。

23052 工作面采用綜放工藝，由于煤層賦存不穩(wěn)定、夾矸厚度大等因素造成回采率低；工作面過斷層丟煤較多；工作面受瓦斯賦存、地質(zhì)構(gòu)造和煤層賦存條件影響，推進速度慢，月平均推進34 m，容易造成采空區(qū)發(fā)火［6］。經(jīng)埋管測試，在現(xiàn)有采煤工藝以及瓦斯地質(zhì)條件下23052 工作面采空區(qū)內(nèi)散熱帶、自燃氧化帶和窒息帶寬度分別為8 m～12 m、12 m～45 m 和0 m～45 m。

2 工作面綜合防火技術(shù)措施

2.1 工作面采空區(qū)防漏風(fēng)措施

為了改變工作面區(qū)域風(fēng)壓分布，降低漏風(fēng)壓差，工作面生產(chǎn)期間在上下隅角每隔15 m 砌筑一道隔離墻，墻體厚度800 mm，采用雙層沙袋堆放而成，墻面噴漿處理。采空區(qū)周圍巷道采用加強支護和噴漿處理，如圖2 所示。

圖2 工作面隅角隔離墻及注漿管示意圖

2.2 采空區(qū)注漿填堵措施

采空區(qū)注漿、灌漿措施是常用的防止煤層自然發(fā)火的技術(shù)措施，利用固體材料與水混合后增加其流動性，用泵送技術(shù)將漿液灌注采空區(qū)內(nèi)，填實采空區(qū)空間，減少漏風(fēng)并降低采空區(qū)溫度的一種有效的防火技術(shù)措施。

一般情況下，煤礦周邊的黃土資源較為豐富，且物理性質(zhì)滿足注漿材料的要求，是制備漿液的有利原材料，經(jīng)鏟車取土過篩后與礦區(qū)水資源配比可直接使用。除黃土以外，礦渣、煤灰、尾礦、矸石等材料也是制備漿液的可選材料。由于黃土取材方便、成本低廉，黃泥灌漿是礦井常用的一種防滅火措施。漿液為黃土與水按一定比例調(diào)配而成，再利用高壓注漿泵或落差靜壓由管道壓入采空區(qū)，對浮煤和留設(shè)煤柱縫隙進行包裹覆蓋。黃泥漿液具有濕潤煤體、吸收熱量和阻止煤炭氧化3大特點，可以在根本上對采空區(qū)煤體自然發(fā)火進行有效防治。但在選取材料時必須遵循以下要求：①所選材料為不可燃且不含助燃成分；②材料顆粒直徑小于2 mm；③易脫水，且要有一定的穩(wěn)定性；④易與水混合，在運輸中不易對管路造成堵塞；⑤便于開采、運輸和制備，易獲取且成本低廉。

23052 工作面采空區(qū)注漿固體材料為黃土和細顆粒礦渣混合料，水料比為4∶1，阻燃劑為MgCl2，濃度2.4 kg/m3。漿液地面配制，利用靜壓方式向工作面送漿。注漿管沿工作面上付巷敷設(shè)，管規(guī)格為Ф133 mm×5 mm 無縫專用注漿鋼管，每隔100 m設(shè)置一個花蘭并配制三通，注漿管經(jīng)隅角防漏墻埋入采空區(qū)13 m，注入采空區(qū)后經(jīng)自流填充至工作面下隅角處，隨工作面邊采邊注，如圖2 所示。

根據(jù)工作面采高和推進速度，適當調(diào)整工作面注漿倍線和材料用量等參數(shù)。注漿倍線按式（1）計算，注漿填充材料用量按式（2）計算。

式中：N 為注漿倍線；L1為進漿管口至注漿點的距離，m；H1為進漿管口至注漿點的高差，m；Q 為每天注漿用料量，m3/d；K 為注漿系數(shù)，鄭州礦區(qū)取0.011～0.032；L 為工作面日推進長度，m；H 為注漿區(qū)傾斜長度，m；M 為采高，m。

2.3 沿空巷道強支護措施

23052 工作面下付巷為沿空送巷。受工作面采動影響，下付巷區(qū)域應(yīng)力較大，頂?shù)装逦灰谱冃瘟看螅锏琅c采空區(qū)直接連通。為了減少向采空區(qū)漏風(fēng)，加強了巷道支護方式，支護類型為“U 型鋼+錨網(wǎng)噴漿”支護。其中噴漿液中添加了含量為1.5 kg/m3的聚丙烯纖維，增強了噴漿層的強度和韌性，減少裂隙，降低漏風(fēng)率。

2.4 下隅角噴射阻化劑

礦用阻化劑是一種阻止煤炭氧化的化學(xué)材料，將阻化劑噴灑在煤炭表面后，在煤顆粒表面形成一層保護膜，隔絕煤炭和氧氣，起到阻止氧化的作用。采用阻化劑防止煤層自燃技術(shù)是當前礦井防滅火技術(shù)中較為常用的一種技術(shù)方法。常用礦用阻化劑有以下4 類：①氯鹽類阻化劑，吸水能力強，通過吸收空氣中的水分，使煤表面形成水膜層隔絕氧氣，同時降低煤溫度，減小煤氧化過程中的升溫速率，阻止煤氧化進程；②銨鹽類阻化劑，遇到煤自燃發(fā)熱后進行分解，吸收熱量并生成氨氣和二氧化碳，降低煤體周圍的氧氣濃度，并降低煤的氧化速率，抑制煤的氧化過程；③堿類阻化劑，目前在煤礦中經(jīng)常使用氫氧化鈣作為阻化劑；④粉末惰化阻化劑，此類阻化劑能夠受熱分解生成惰性氣體，對煤氧化過程中的自由基鏈鎖反應(yīng)能夠起到阻化作用，生成的水吸熱汽化。同時阻化劑分解過程會吸熱，能快速降低煤體溫度。阻化劑分解后的殘留物附在煤表面形成一層薄膜，當溫度下降到一定值時會變成脆性覆蓋物，能夠隔離煤氧接觸，防止煤體再次發(fā)生自燃。

阻化劑防滅火技術(shù)并是萬能的。要根據(jù)礦井實際情況，采用合適的防滅火技術(shù)措施。23052 工作面采用濃度為20%的MgCl2溶液作為阻化劑。噴射地點位于工作面下隅角采煤機架后側(cè)，噴射霧狀阻化劑并隨風(fēng)進入采空區(qū)內(nèi)部，濕潤采空區(qū)留煤。設(shè)備由注射泵和噴射水槍組成，注射壓力0.5 MPa～1.0 MPa，噴射霧劑直徑為3.0 m～3.5 m。工作面拉架時加大噴霧劑量。

2.5 沿空鉆孔注膠措施

23052 工作面下付巷雖然加強了支護封閉措施，但受采動影響以及工作面生產(chǎn)期間下隅角循環(huán)管控作業(yè)影響，不能保證對采空區(qū)的全部封閉。為了確保工作面沿空區(qū)域封閉效果和減少發(fā)火危害，沿工作面下付巷進行束管取樣分析沿空區(qū)CO 濃度，對于超標地點，進行鉆孔注膠封堵措施施工。鉆孔直徑74 mm，孔深15 m，鉆孔間距10 m，控制超標點上下側(cè)各15 m范圍。注膠材料為水、泡花堿和碳酸氫鈉混凝溶液，比例為80∶14∶6。

2.6 工作面綜合監(jiān)控措施

監(jiān)測監(jiān)控時工作面是安全生產(chǎn)過程中的重要安全保障措施之一。通過在施工過程中進行施工環(huán)境的監(jiān)測并及時反饋與預(yù)報信息，能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)，確保工作面施工安全。同時利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合綜合地質(zhì)條件和開采工藝等因素，對工作面煤層自然發(fā)火進行動態(tài)分析和研判，為工作面及采空區(qū)煤層自然發(fā)火防治提供重要指導(dǎo)。

根據(jù)23052 工作面采掘布置、采掘工藝和地質(zhì)構(gòu)造等情況，對工作面采空區(qū)留煤多和漏風(fēng)嚴重地段進行重點監(jiān)測監(jiān)控。根據(jù)設(shè)計，在工作面回風(fēng)隅角、工作面上切口外側(cè)和上付巷回風(fēng)口里側(cè)安設(shè)CO 傳感器和溫度傳感器，并連接礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，進行不間斷監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果采取預(yù)警報告和日常分析相結(jié)合的方式；對于出現(xiàn)CO 和溫度超標數(shù)據(jù)及時采取措施；日常分析包含對CO、CO2、O2、N2、CH4和溫度等監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，結(jié)合采掘活動及通風(fēng)數(shù)據(jù)進行綜合分析，針對分析結(jié)果采取措施。

2.7 工作面特殊期防火措施

工作面特殊時期主要是指工作面在遇到特殊地質(zhì)條件或特殊老巷、采空區(qū)或停采線期間甚至是外因引起的工作面停止生產(chǎn)或生產(chǎn)推進速度較慢的時期。因前述因素影響工作面采空區(qū)暴露時間長，容易引起煤層自然發(fā)火。23052 工作面的特殊時期主要有工作面過斷層、停采和采煤末期3 個方面的因素。

（1）過斷層期間。加強斷層附近巷道支護管理，采取監(jiān)測監(jiān)控措施，及時封堵采空區(qū)漏風(fēng)；工作面過斷層期間，提前斷層20 m、延后斷層后30 m 范圍內(nèi)，隅角防漏墻加密至每10 m一組；工作面過斷層前20 m 在上下隅角提前埋管注漿，直至過斷層后30 m 范圍均應(yīng)加強注漿；加強回采管理，降低過斷層期間的丟煤率，保持正常推進速度。

（2）工作面停采期間。工作面停采期間連續(xù)斷監(jiān)測監(jiān)控，停采后立刻對工作面切眼和銅室噴灑阻化劑，砌筑隅角防漏墻并噴漿密閉；上隅角埋管注漿量充分，并根據(jù)隅角氣體監(jiān)測情況實施反復(fù)注漿措施；根據(jù)工作面氣體監(jiān)測情況適當調(diào)整工作面供風(fēng)量；工作面回撤期間，應(yīng)加強管理，提高回撤效率，保證45 d 內(nèi)回撤完畢。

（3）工作面采煤末期。在停采線以里50 m 范圍加強防火管控。進行反復(fù)注漿保證充足注漿量，注漿量為正?；夭善陂g注漿量的1.2 倍～1.5 倍；加大下隅角阻化劑噴射量至1.5 倍；隅角防漏墻間距改為10 m；下付巷加強支護管理，針對裂隙發(fā)育地段進行二次噴漿等措施；加大臨空區(qū)注膠量1.5 倍；工作面回撤后5 d 內(nèi)對工作面進行永久密閉，并加強管理。

3 綜合防火措施效果

統(tǒng)計工作面生產(chǎn)前期未采取防火措施、采取綜合防火措施后隅角和工作面CO 涌出量，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，采取綜合防火技術(shù)措施后，隅角CO 涌出量下降了77%，如圖3 所示；工作面CO 涌出量下降了75%，如圖4 所示。

圖3 工作面上隅角CO 濃度變化情況

圖4 工作面回風(fēng)流CO 濃度變化情況

4 結(jié)語

（1）對于存在自然發(fā)火危險的中厚不穩(wěn)定煤層，應(yīng)采取積極的防煤層自然發(fā)火措施，措施類型包含局部措施和綜合措施2 種。應(yīng)對工作面影響煤層自然發(fā)火的因素進行分析，在此基礎(chǔ)上合理選擇防火措施。特別是地質(zhì)條件復(fù)雜造成回采率低的工作面，采空區(qū)防火是關(guān)鍵。

（2）對工作面過斷層、老巷、采空區(qū)、密閉等特殊時期，采取“少丟煤、強支護、嚴密閉、重監(jiān)測監(jiān)控”等綜合的技術(shù)管理手段。