綜放工作面自燃發(fā)火防治技術現場應用研究

徐 宏，魏國山，路 鵬，高 坤

我國煤礦火災十分嚴重，每年都會造成重大的財產損失和人員傷亡，而煤礦火災中90%以上又是煤層自燃火災［1］。鐵法礦區(qū)煤層主要以長焰煤、氣煤為主，煤層自燃發(fā)火期一般為1～3個月，最短20 d，煤層自燃發(fā)火現象比較嚴重，礦區(qū)現有8個生產礦井，所開采煤層均有煤層自燃發(fā)火危險。近年來，隨著厚煤層綜采放頂煤技術的推廣，煤炭的產量大幅度提高。同時由于放頂煤工作面的開采強度大、采空區(qū)遺留殘煤多、采空區(qū)冒落高度大、采空區(qū)漏風嚴重，給礦井防治自燃發(fā)火工作帶來了新的問題。多年來，鐵煤集團在放頂煤工作面防滅火技術研究與實踐方面做了大量卓有成效的工作，積累了豐富的實踐經驗，為礦區(qū)安全生產及和諧發(fā)展做出了積極貢獻。

1 綜采放頂煤工作面自燃發(fā)火情況

鐵法礦區(qū)現有大興礦、大隆礦、大平礦、小康礦采用綜采放頂煤開采技術，在開采過程中各工作面上隅角及采空區(qū)不同程度出現過一氧化碳濃度超限現象，大興礦曾因一氧化碳濃度超限現象封閉過兩個綜放工作面。

1．1 綜采放頂煤工作面自燃分析

任何一種煤都存在煤氧復合放出熱量的屬性，只是不同的煤其煤氧復合能力和產生熱量能力差別較大。煤氧復合過程中能否引起自燃取決于煤體的放熱和散熱，當熱量產生速率大于散熱速率時，煤溫上升就會自燃［2，3］。鐵煤集團綜采放頂煤工作面由于回采巷道沿煤層底板布置，巷道頂部留有一定厚度的煤炭，受采動壓力影響易產生破碎;在開采過程中采空區(qū)殘留有一定數量的煤炭，因此，回采巷道及采空區(qū)均存在一定的自燃發(fā)火危險。

1．2 綜采放頂煤工作面易自燃發(fā)火部位分析

1)煤層巷道頂部及兩幫。

綜采放頂煤工作面順槽巷道沿底板布置，巷道頂部煤層受礦壓和采動影響，易破碎離層;有些巷道煤層在掘進過程中出現冒頂形成空洞區(qū);因此，巷道頂煤自燃發(fā)火危險較大且高溫點比較高［4］。

2)工作面前后端頭。

綜采放頂煤工作面運回順巷道頂煤在回采前破碎區(qū)已受到長時間的氧化，煤體溫度升高，由于前后端頭頂煤放出率低，該頂煤垮落采空區(qū)后，會產生4～6 m寬的丟煤帶，采空區(qū)這2條遺煤帶相對其他地點溫度更高，自燃發(fā)火隱患較大。

3)開切眼。

從工作面貫通到工作面安裝、初采需經歷一段時間，開切眼頂部及兩幫煤體氧化時間長，易產生自燃發(fā)火。

4)采空區(qū)。

綜放工作面在開采過程中，采空區(qū)留有一定量的浮煤，易產生自燃發(fā)火。

5)停采線附近。

當接近停采線時，有時為了撤架而不放頂煤，使得采空區(qū)留有大量浮煤，而撤架時間又較長，使采空區(qū)浮煤自燃性增強。而且臨近停采線時開采速度慢，也增加了自燃發(fā)火的危險性。

2 防治自燃發(fā)火思路及相應技術

綜采放頂煤工作面防治自燃發(fā)火是一個系統(tǒng)工程，根據以往專家學者的經驗，防火措施主要從設計、工作面配風量、煤氧接觸、降低空氣中含氧量、控制煤體溫度等方面入手［5］。鐵煤集團在多年防滅火實踐的基礎上形成了一整套自己的預防自燃發(fā)火的技術措施。

1)抓好工作面設計環(huán)節(jié)。

綜放工作面進行設計時，根據地質條件綜合考慮防治瓦斯、防火兩個方面因素，合理選擇工作面巷道參數。合理地布置巷道，有條件的要設計施工瓦斯抽采巷道、消火道。

通過對大興礦N2701工作面和N2705工作面開采過程中的瓦斯涌出量、推進速度、風量、抽放量、一氧化碳濃度等情況進行分析比較，見表1，可以看出工作面長度對工作面安全回采，尤其是防火管理有很重要的作用。在工作面設計時，應充分考慮工作面參數對瓦斯涌出量、配風量、抽放量、工作面回采速度等影響因素。

表1 N2 701工作面和N2 703工作面參數對比

2)合理配風，提高工作面瓦斯抽采率。

鐵煤集團綜放工作面均采用“U”型通風方式，要加強工作面瓦斯抽采力度，最大限度抽采瓦斯，工作面配風要在滿足瓦斯治理的前提下盡量減少風量，降低工作面兩端壓差，減少采空區(qū)漏風，這是綜放工作面防火技術的首要前提條件。

3)運輸、回風順槽兩巷噴、注水泥砂漿封閉處理。

小康礦、大平礦屬軟巖礦井，煤層自燃發(fā)火期短，暴露的煤炭和空氣接觸極易產生自燃發(fā)火，小康礦在投產初期煤層巷道發(fā)生過多起自燃發(fā)火事故，經多年開采實踐，形成了一整套軟巖支護技術及防滅火技術，即在掘進施工過程中對工作面運輸順槽、回風順槽兩條煤巷中對所暴露煤壁進行噴、注水泥砂漿處理，使煤壁和空氣隔離，同時對噴漿層內部注白泥、羅克修等防滅火材料，解決了煤層巷道自燃發(fā)火問題。此項技術已經推廣到集團公司其他礦井。

4)工作面上下隅角用不燃性材料進行封堵，減少向采空區(qū)漏風。

工作面每完成一次作業(yè)循環(huán)對上下隅角進行一次封堵，封堵材料為珍珠巖粉或矸石。另外要求在保證安全的條件下及時卸下上下隅角頂部錨桿、錨索托盤，保證上下隅角冒落充分。

5)對工作面上下隅角及采空區(qū)進行充填河沙。

根據工作面具體情況決定充填步距，在運輸順槽及回風順槽及架間預埋管路，通過預埋管路向采空區(qū)充填注沙。工作面正常回采時充填步距為30～50 m且只對上下隅角進行充填注沙。因放長假工作面停產時需對上下隅角及架后采空區(qū)進行充填。充填河沙時可以添加適量的三相泡沫。

6)兩巷煤層頂部及兩幫注凝膠、封堵劑及白泥防火。

加強兩巷煤層頂部及兩幫煤體溫度的檢查，預埋溫度傳感器，發(fā)現問題及時采取措施進行處理，采用注凝膠、封堵劑及白泥的防火措施，以減少與氧接觸的破碎煤體。

7)采空區(qū)注氮。

氮氣的氣體性質不活躍，屬于隋性氣體，是空氣中的主要成分，具有不可燃的特性，采空區(qū)注氮可以降低采空區(qū)內氧氣的濃度，同時氮還具有冷卻降溫的作用，可以有效地防止采空區(qū)留煤自燃。目前，鐵煤集團大興礦、大隆礦均建有地面固定式制氮機廠房，制氮能力為2 000～3 000 m3/h，工作面注氮方式采用埋管、托管連續(xù)注氮方式，注氮量為1 000～3 000 m3/h，工作面埋管間距一般為30 m。

注氮口位置的選擇：基于煤氧復合學說，采取向工作面采空區(qū)氧化帶內注入一定流量的氮氣，降低該帶內的氧氣含量，達到破壞煤炭自燃的一個要素，使其氧含量降到煤自燃臨界值以下，達到了防止煤自燃的目的，因此，將注氮口位于采空區(qū)氧化帶內。根據每個工作面采空區(qū)“三帶”測試結果來決定注氮口具體位置，見表2。

表2 大興礦N2 705、小康礦S2 S2工作面三帶測試結果表

8)煤體兩巷注水降溫。

在運輸順槽及回風順槽兩巷中用風煤鉆向兩巷頂板、兩幫煤層打鉆注水，既可以實現軟化煤體、降低煤塵，也可以使煤體降溫，控制煤體溫度在著火點以下，避免氧化升溫的煤炭進入采空區(qū)，從而減少自燃發(fā)火隱患。

9)放頂線噴霧降溫或噴灑阻化劑，后部運輸機尾安設噴霧裝置。

在低位放頂煤支架后部的天窗上裝設噴霧裝置，通過該噴霧裝置可以對冒落的頂煤和采空區(qū)留煤進行除塵和濕潤處理;或者在工作面支架的架間噴灑阻化劑(主要成分為MgCl2)，當工作面采過該位置后，阻化劑可以有效地抑制采空區(qū)留煤的升溫自燃。

10)采空區(qū)注漿。

在工作面兩順向采空區(qū)預埋注漿管路，通過管路向采空區(qū)注黃泥或白泥漿，達到包裹浮煤及降低采空區(qū)浮煤溫度的目的。也可以在工作面附近相鄰巷道向采空區(qū)施工鉆孔，利用鉆孔進行注漿。

3 綜放工作面綜合防滅火的幾個環(huán)節(jié)及建議

1)合理選用綜放支架，應采用頂煤冒放性好的支架。這樣既可提高煤炭回收率，減少煤炭資源的浪費，又可避免采空區(qū)遺煤多，從而降低采空區(qū)遺煤自燃的危險，切實保障安全生產。

2)應抓好綜合防滅火技術措施的執(zhí)行和管理。在正常生產過程中，應該按照作業(yè)規(guī)程和措施嚴格執(zhí)行。

3)應抓好工作面基礎參數的測試工作。加強基礎參數的測定工作，工作面在開采過程中要進行工作面兩端壓差、采空區(qū)“三帶”測試，掌握“三帶”寬度，為采取注氮防火做好基礎工作。

4)學習推廣防火新技術。通過學習、引進國內外在防火方面的新技術，豐富礦區(qū)防火手段。

4 結論

通過分析煤炭自燃的原因，指出了綜合機械化開采放頂煤工作面自燃的原因及位置，同時在防滅火經驗的基礎上對防滅火的技術措施進行了重點說明，指出了防滅火的關鍵環(huán)節(jié)，對今后綜采放頂煤工作面綜合防滅火提出了建設性意見，對其他具有相似狀況的礦區(qū)在防滅火方面具有一定的參考價值。

［1］ 王德明．礦井火災學［M］．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008：86－87．

［2］ 徐精彩．煤自燃危險區(qū)域判定理論［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2001：8－9．

［3］ 王省身，張國樞．礦井火災防治［M］．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1990：25－27．

［4］ 付永水，李建新．義馬礦區(qū)煤層自燃發(fā)火防治技》［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1990：88－89．

［5］ 梁云濤，羅海珠．中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢［J］．煤炭學報，2008，33(02)：126－130．