千米深井防滅火技術(shù)研究與應用

李星坤

（山東能源臨礦集團古城煤礦，山東 濟寧 272100）

古城煤礦井田面積16.66km2。3#煤為主采煤層，平均厚度8.49m。由于煤層埋藏較深現(xiàn)開采深度已達-1200m，煤層具有自然發(fā)火傾向，礦井的自燃最短發(fā)火期52d，實際揭露最短發(fā)火期為48d。沖擊地壓、地溫、自然發(fā)火等影響因素給煤炭生產(chǎn)帶來一定困難。

1 煤層自然發(fā)火標志氣體

在正常氧濃度(21%)下，CO首次出現(xiàn)的溫度為56.4℃，濃度為1.21ppm，76.5℃以前，CO濃度增加比較緩慢，76.5～108.8℃溫度時，CO濃度表現(xiàn)出加速之勢頭，134.5℃后CO濃度的增加表現(xiàn)出急劇上升的趨勢。C2H4首次出現(xiàn)的溫度為108.8℃，163.3℃以前，C2H4濃度增加比較緩慢，278.5℃增至最大，其濃度為43.6ppm。C2H2首次出現(xiàn)的溫度為 278.5℃。因此，煤層自然發(fā)火應以CO、C2H4作為主要指標。

2 古城煤礦發(fā)火特點

（1）突發(fā)性：緩慢氧化階段顯現(xiàn)不明顯，進入加速氧化階段時才檢測到發(fā)火征兆。監(jiān)測過程中沒有顯現(xiàn)高溫發(fā)熱征兆（煤體導熱性差），無明顯風流通道難以監(jiān)測到CO（內(nèi)部發(fā)火區(qū)域的CO需靠風流通道帶出），直接出現(xiàn)煙霧的發(fā)火現(xiàn)象。

對2107上軌道聯(lián)絡巷（斷層附近）頂板冒煙原因分析，因斷層裂隙出現(xiàn)通道，巷道左幫出現(xiàn)高溫氧化現(xiàn)象，雖然氣體檢測工發(fā)現(xiàn)了煤體表面溫度有所上升，但無CO溢出，還未采取處理措施，在短時間內(nèi)出現(xiàn)了冒煙現(xiàn)象。

（2）隱蔽性：綜采放頂煤工作面上下端頭、切眼、停采線附近遺留碎煤，以及受斷層和采動影響，采空區(qū)內(nèi)煤巖渾沌、結(jié)構(gòu)復雜，發(fā)火區(qū)域難以定位。2103面推進30m左右時，切眼附近出現(xiàn)高溫發(fā)火，在治理過程中只能判斷大體區(qū)域，鎖定不到發(fā)火點，隱蔽性強。

（3）治理難度大：采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)發(fā)火點后，現(xiàn)有鉆孔工藝在采空區(qū)破碎煤巖體難以達到有效防治目的，無法點對點處理，只能針對發(fā)火區(qū)域治理，擴大了治理范圍，治理效果不明顯。

（4）CO涌出持續(xù)時間長：采空區(qū)內(nèi)一旦出現(xiàn)高溫氧化，生成大量的CO等氣體，由于采空區(qū)CO氣體消除慢，沿漏風通道（架間、回風隅角）向外擴散的持續(xù)時間長，造成回風巷CO超標。

3 不同時期不同地點的發(fā)火原因分析

（1）回采工作面開采前

回采工作面開切眼跨度較大，一般在6m以上，且施工結(jié)束后煤體暴露時間較長，頂部煤體受壓易產(chǎn)生松動離層，離層區(qū)容易發(fā)生煤炭自燃，開采前必須進行防火處理，例如，2202工作面安裝完后約6個月未回采，60#架至74#架頂出現(xiàn)高溫點。

（2）回采工作面正常開采期間

因沖擊地壓影響，加強了工作面順槽支護，采用錨桿加錨網(wǎng)索支護，兩順槽很難及時冒落，易形成漏風通道，造成采空區(qū)遺煤氧化。

（3）回采工作面特殊開采期間（過斷層）

當工作面過斷層等特殊開采期間直接影響工作面的推進速度，此階段是回采工作面采空區(qū)防滅火的關(guān)鍵，如3201面過斷層期間采空區(qū)回風隅角出現(xiàn)CO，并伴有煤油味等發(fā)火征兆。

（4）回采工作面停采撤面期間

根據(jù)多年撤面時間統(tǒng)計，回采工作面自造條件開始到回撤完畢具備永久封面條件，其時間一般為35～40d，最多 60d。

在這期間工作面停止推進，若不采取相應的防火治理措施或治理不當，采空區(qū)浮煤、支架附近碎煤氧化，可能發(fā)生煤炭自燃事故。如1315面、2108面等，在撤面過程中均出現(xiàn)高溫氧化現(xiàn)象。

（5）工作面過聯(lián)絡巷防火

因生產(chǎn)通風需要，在工作面進回風巷之間開一條或多條聯(lián)絡巷，待回采經(jīng)過聯(lián)絡巷時，由于聯(lián)絡巷停放時間長，受高地溫，高地壓影響，以及防沖措施的限制，人員不能進入進行監(jiān)測，對聯(lián)絡巷的防火提出更高要求，例如2102工作面過聯(lián)絡巷時出現(xiàn)煤炭高溫氧化。

（6）沿空送巷防火

古城煤礦部分地點采用沿空送巷布置工作面，對原采空區(qū)以及正在回采的采空區(qū)防火治理尤為重要。

（7）高冒區(qū)、離層區(qū)防火

由于受地壓影響巷道頂板煤炭破碎，產(chǎn)生裂隙形成供氧通道，如果散熱不及時，很可能造成發(fā)火現(xiàn)象。11021面掘進期間巷道頂部出現(xiàn)高溫氧化。

4 綜合治理措施

4.1 工作面回采前治理

在工作面切眼每隔20～30m打眼（眼深不小于6m）下套管敷設束管，定期（每隔7d）通過束管取樣色譜分析束管內(nèi)的氣體成分，當發(fā)現(xiàn)CO異常時立即對煤體實施打眼注水。

具體是根據(jù)現(xiàn)場情況，利用手持式氣動風鉆打眼至煤層頂板插入注水管，封孔器封孔，封孔深度不小于3m，注水孔間距控制在2～3m，利用靜壓水（壓力不小于4MPa），注水量根據(jù)現(xiàn)場情況充分濕潤煤體即可。對于切眼高冒破碎區(qū)采取先注水后壓注泡沫材料充填相結(jié)合的防火措施。

4.2 回采工作面正常開采期間治理

回采工作面正常開采期間要保持均勻連續(xù)推進，月推進度不得少于50m，同時隨著工作面的正常推進，在工作面的進回風隅角每隔10～15m分別構(gòu)筑擋風墻。

采用塑料編織袋裝滿碎煤、報廢的風筒、購進阻燃泡沫等材料，在兩隅角靠近關(guān)門柱處自下而上構(gòu)筑。要求寬度不小于0.5m，垛密垛實從而起到減少漏風，控制采空區(qū)浮煤氧化的目的。

4.3 過斷層期間治理措施

當工作面過斷層等特殊開采期間直接影響工作面的推進速度，此階段是回采工作面采空區(qū)防滅火的關(guān)鍵。具體防火措施如下：

（1）在進風隅角向采空區(qū)預埋注氮管路，埋設深度20～30m最佳。

（2）在上下隅角每隔5m垛袋，掛金屬網(wǎng)噴賽德3號高分子防火材料構(gòu)筑擋風墻。

（3）保持通風系統(tǒng)穩(wěn)定，在保證安全情況下，適當減少工作面配風量。

（4）保證月推進度不低于40m，將采空區(qū)浮煤氧化帶甩入窒息帶。

4.4 回采工作面停采撤面期間治理

根據(jù)多次撤面發(fā)火經(jīng)驗得知，歷次發(fā)火隱患位置都是架頂碎煤和尾梁后6m左右碎煤氧化，如防火治理不及時可能導致煤炭自燃。

（1）工作面造條件上網(wǎng)階段前(接近停采線約10m)，停止放頂煤。其作用主要是保證頂板、頂煤的完整性，不存在破碎狀態(tài)。

（2）調(diào)整回撤面通風系統(tǒng)，適當減少工作面供風量。工作面配風量按正常生產(chǎn)時的50%風量進行配風，降低進回風之間的壓差，減少采空區(qū)漏風，減少采空區(qū)氧化帶范圍，從而起到抑制采空區(qū)浮煤氧化作用。

（3）保持回撤期間通風系統(tǒng)穩(wěn)定，避免風量忽大忽小（拉風箱現(xiàn)象）。其典型案例是1122面在回撤期間在回風側(cè)設置單道行人風門，因頻繁開啟造成工作面風量忽大忽小，出現(xiàn)拉風箱現(xiàn)象，導致采空區(qū)內(nèi)煤炭氧化，CO升高，經(jīng)封堵、注氮等治理措施后，將發(fā)火隱患解除。

（4）提前在進風隅角向采空區(qū)埋設注氮管路（20～30m最佳），工作面一旦停止推進，立即向采空區(qū)注氮，惰化氧化帶氣體成分，抑制采空區(qū)浮煤氧化。

（5）端頭堵漏。工作面進入造條件開始，縮小兩端頭擋風墻距離，支架停止推進后，及時在采面兩端頭按標準要求垛袋子掛金屬網(wǎng)噴涂艾格勞尼或SPA-4高分子防火材料構(gòu)筑擋風墻，進行封堵采空區(qū)，減小采空區(qū)漏風。

（6）架間及架后循環(huán)壓注MAB防火劑。這是回撤期間最根本的防滅火治理措施。工作面造條件一旦結(jié)束，立即組織每隔2架在架間及尾梁上打眼，打眼方向控制在20°～35°之間,打眼深度不少于6m，封孔深度不小于3m。利用高壓移動注漿泵和Φ25mm高壓膠管通過插入煤體中的注水花槍或注水封孔器向架間及尾梁上循環(huán)壓注MAB防火劑，使架間及尾梁上向采空區(qū)方向6m范圍內(nèi)煤體始終處于充分濕潤狀態(tài)，起到防火降溫作用。

（7）加強回撤期間防火監(jiān)測監(jiān)控。工作面停止推進后，自端頭開始，每隔15～20m在架間向頂部煤體打眼（深度不少于6m）并套入檢測束管，孔口用黃矸封嚴封實不漏風，利用束管檢測系統(tǒng)進行分析，動態(tài)掌握工作面氣體變化情況，發(fā)現(xiàn)異常立即采取相應措施進行治理。

（8）利用熱成像儀對工作面溫度變化情況進行監(jiān)測，對溫度升高地點進行防火治理。

（9）每天將各地點氣體溫度繪制曲線圖，隨時掌握各地點氣體、溫度變化情況及時采取針對措施。

（10）若架頂煤體比較破碎，通過循環(huán)壓注MAB防火劑后CO濃度沒有明顯減小時，必須采用封堵和壓注MAB防火劑相結(jié)合的治理方法。具體是在架頂架后打眼利用多功能泵壓注充填泡沫材料（羅克休、賽德等）形成臨時擋風墻，然后再輔以壓注MAB防火劑進行綜合治理。

（11）采煤工作面回采結(jié)束后，必須在最短的時間內(nèi)進行永久封閉。

4.5 工作面過聯(lián)絡巷防火治理

（1）過聯(lián)絡巷期間必須提前對煤體實施打眼靜壓或高壓注水處理。

（2）必要時對聯(lián)絡巷封閉，埋設注氮管路進行注氮處理。

（3）對聯(lián)絡巷提前布設束管，氣體檢測到位。

4.6 沿空送巷防火治理

（1）加強監(jiān)測：在巷道內(nèi)每隔50m向采空區(qū)打眼埋設束管，利用黃矸將孔口封嚴密實，通過束管取樣色譜分析采空區(qū)氣體成分，隨時掌握采空區(qū)氣體變化情況。

（2）沿原采空區(qū)采用噴涂SPA-4防火新型材料進行封堵，具有高膨脹率、用量小、反應速度快、很好的抗壓能力、不受煤炭變形影響等，且現(xiàn)場易操作，具有良好的堵漏風效果。

（3）注漿注氮治理：利用原采空區(qū)密閉措施管路或沿原采空區(qū)每隔100m施工措施孔，向采空區(qū)注氮或注漿治理等措施。

4.7 高冒區(qū)、離層區(qū)防火治理

利用熱成像儀每周對全煤巷道進行溫度檢查，對檢查出的高溫點進行防火處理。一是打眼注水降溫；二是壓注凝膠、MAB防火材料，包括碎煤隔絕氧氣，延長氧化時間；三是利用賽德、羅克休等高分子材料封堵供氧渠道，使高冒區(qū)的氧含量減少。

5 結(jié)束語

古城煤礦通過分析不同地點不同條件的發(fā)火特點，采用針對性的綜合防滅火技術(shù)，取得了預期效果，為同類條件下礦井防滅火工作積累了經(jīng)驗，有一定的借鑒指導意義。