綜放工作面上覆采空區自然發火防治技術

力尚全

（大同煤礦集團有限責任公司 通風處，山西 大同 037000）

礦井因內火災是指由于煤炭或其他易燃物自身氧化積熱，發生燃燒引起的火災，是礦井火災防治的重點。因為自燃火災不僅發生次數居多，而且它的火源較隱蔽，常發生在人們難以進入或不能進入的采空區或煤柱內，致使滅火難度加大，很難在短時間內撲滅，以致有的自燃火災持續數月、數年之久，甚至更長時間，這不僅嚴重危及人身安全，而且導致大量煤炭資源損失。

防治煤炭自燃的技術措施很多，合理的開拓系統與采煤方法對于防止煤炭自燃起著決定性的作用。選擇合理的通風系統，減少采空區漏風對于預防采空區自然發火極為重要。通過預防性灌漿、阻化劑、均壓、凝膠、注惰氣均可有效防止煤炭自然發火。

1 工作面概況

小峪煤礦5#煤層402盤區8206工作面，工作面走向長度1980 m，傾向長度144.7 m，煤層平均厚度9.5 m，與上覆3#層采空區間距10 m。2016年底圈出，為綜采一隊備用工作面。

2017年7月20日夜班6點切巷內發現CO濃度達21 PPm。經瓦斯員排查，5206巷切巷低洼處補打的探放水鉆孔，有CO大量涌出，經測定濃度達3700 PPm。7月21日早班在該處向上覆采空區施工垂直探放鉆孔，鉆孔施工在3.5 m后，經檢查孔內氣體和溫度均未發生變化，鉆孔施工過6 m，遇5#煤層巖石頂板，現場用比長式測定管檢查CO濃度為2700 PPm，孔內溫度為21℃，伴有少量青煙；9.2 m后探通，探通后孔內有大量煙霧溢出，經取樣化驗分析，采空區氣體CO濃度為1559 PPm，O2濃度為8.8%，CH4濃度為1.6%，C2H4濃度為295 PPm。現場測定孔內溫度達到42℃～280℃。確定該工作面上覆采空區存在自然發火現象。

2 自然發火原因分析

對8206面地表東道溝西山坡（蘆子溝礦界）原東Ⅳ盤區2013年采后形成的舊裂縫進行了現場排查，目前距離8206面切眼50～250 m之間共有三條寬0.4 m，長150 m，平均深度2～3 m的地表裂縫。該區域均為山體巖石層無充填黃土，原充填的零星碎石及草坪效果不佳，存在進風現象。8206工作面地表存在裂隙，因工作面切眼附近位于山脊和山坡，地表為裸露的粗砂巖，無黃土覆蓋層。裂縫充填施工困難，前期只是進行了簡單的人工填埋，經雨水沖刷后裂縫依然暴露，客觀上為采空區漏風提供了進風通道。8206工作面于2016年1月30日圈出，工作面閑置時間已有一年零六個月，時間較長，煤體出現離層裂隙，形成了地表→地表裂隙→3#煤層采空區→5#煤層裂隙→8206工作面開切眼風流的漏風通道，在長達1年多的緩慢氧化中，使開切眼上部3號煤層采空區浮煤氧化自然發火。

8206工作面開切眼上覆3#煤層采空區高溫火點面積較大，工作面推進后，開切眼垮落，開切眼上部3#煤層采空區將大量漏風，使采空區高溫煤炭很快復燃，由于3#煤層采空區瓦斯濃度較大，火與瓦斯并存，因此工作面推進后存在較大的隱患。通過鉆孔數據可知，3#煤層采空區氧濃度較高，很多鉆孔的氧濃度均在18%左右，因此在8206工作面開采過程中，3#煤層采空區高溫火點很可能向前發展，對3#煤層采空區必須堅持長期防滅火，以確保工作面安全開采。

3 自然發火治理技術

由于工作面開切眼上部3#煤層采空區火源點不祥，加上采空區已被壓實，因此盡管目前從開切眼向上覆3#煤層采空區打了60多個鉆孔注粉煤灰，但還是有部份高溫煤炭無法覆蓋到漿水，通過打鉆注粉煤灰要想將全部高溫火點撲滅難度太大。因此，采取惰化3#煤層采空區高溫區域的方法，使高溫火點長期缺氧窒息，從而保障工作面的安全推進。在工作面未推進時保持高溫火點的惰化比較容易，工作面推進后，當上部采空區大量漏風后，須保持上部3#煤層采空區的繼續惰化。

準確判斷自然發火原因及范圍，針對自然發火的根本原因及時封堵漏風通道，通過地面充填與井下封堵同步進行，最大程度將采空區供風條件消除，確保采空區內以最快速度達到惰化效果，同時結合注氮系統。主動治理手段以地面打鉆孔注液態CO2對采空區進行惰化為根本性治理措施，同時優化采煤工藝，減少工作面與上部采空區的頂板裂隙，減少治理過程中工作面生產出的新發育裂縫，為治理工程和推進工作提供了安全條件，為工作面實施下一步的開采工作打下了堅實的基礎。

總體方案為：調整采煤工藝、地面封漏風、優化工作面通風、加大注氮流量、地面打鉆注CO2、工作面端頭封堵漏風。具體措施如下：

3.1 調整采煤工藝

（1）延緩開切眼頂板垮落距離。由于工作面推進35 m后，支架后部形成采空區注氮氣才有效，因此如果開切眼上隅角頂板在工作面剛開始推進時就垮落，在此處向上覆采空區打的鉆孔也很多要垮落，這樣開切眼將無有效的注氮地點，為此，必須延長開切眼垮落的距離，其方法為：用木垛支護開切眼上隅角頂板。在開切眼上隅角構筑2～3個木垛，支護上處頂板，盡量將開切眼上隅角頂板支護到工作面推進35 m后才垮落。如果時間允許，還可將開切眼上隅角進行噴漿，加固此處頂板，并減少工作面開切眼風流漏入上部3#煤層采空區。

（2）工作面推進100 m不放煤。工作面推進的100 m不放煤，不僅可以延長開切眼上隅角頂板垮落的距離，還可以在支架后部形成一道煤墻，減少采空區的漏風，從而減少上部3#煤層采空區的漏風。

3.2 地面堵漏風

8206工作面地表存在裂隙，因工作面切眼附近位于山脊和山坡，地表為裸露的粗砂巖，無黃土覆蓋層。裂縫充填施工困難，前期只是進行了簡單的人工填埋，經雨水沖刷后裂縫依然暴露，客觀上為采空區漏風提供了進風通道。為了減少地表向井下3#煤層采空區漏風，在工作面推進期間，必須繼續對地面裂隙進行充填堵漏，其方法為：對于小的裂隙，人工用黃土充填，大的塌陷坑，使用挖掘機進行充填。用煙霧管檢查充填的效果，如果煙霧向裂隙里面擴散，則證明此裂隙還繼續向采空區漏風，如果煙霧不向裂隙里面擴散，證明此裂隙已經充填好。裂隙充填好后，用黃土覆蓋裂隙，其厚度為1～2 m。

3.3 合理工作面配風

8206工作面在安裝支架期間的風量為1300m3/min，工作面推進后將增加到2300 m3/min，這樣大的風量，將增加采空區的漏風，使開切眼上部采空區高溫點易復燃，為了減少采空區的漏風，在工作面推進的前100 m，工作面風量減少為1500 m3/min。工作面風量減少后，為了防止工作面瓦斯超限，應加強工作面頂板瓦斯巷的瓦斯抽放，并在上隅角前的支架掛風簾，將風流導入回風隅角，同時進行工作面上下端頭封堵。

3.4 優化采空區注氮技術

根據經驗，火區中明火在O2含量為3%時仍能陰燃，故注入火區中的氮氣純度應高，根據變壓吸附制氮機不能制取高純度氮氣的特點，將滅火氮氣純度定為≥98.5%。

工作面防火所需注氮流量取為2800 m3/h，局部阻力損失取為管內阻力損失的20%，為28841 Pa，氮氣注入采空區所需壓力200000 Pa，因此制氮機所需壓力為373048 Pa，所選制氮機的壓力為0.6MPa，能滿足輸送氮氣的要求。礦井輸氮管路主管直徑為Φ150 mm，順槽支管為進、回風順槽各一趟Φ108mm的無鏠鋼管，兩趟管路同時聯接鉆孔向3#煤層采空區注氮。

工作面推進35 m前向上覆采空區打孔注氮，工作面推進前采用開切眼鉆孔注氮，同時注氮鉆孔為5個， 即4-1#鉆孔、5-4#鉆孔、1-3#鉆孔、1-2#鉆孔和3-1#鉆孔。根據鉆孔氣樣進行調整。

工作面推進35 m后，工作面的采空區基本形成，其注氮方法為：

（1）鉆孔注氮。在工作面推進前、推進時和推進35 m后，5個鉆孔一直連續注氮，一直注到工作面推進100 m后才停止鉆孔注氮。在工作面推進過程中，鉆孔可能垮塌，但垮塌后管路注入的氮氣仍在開切眼一帶，由于氮氣比空氣輕，向上擴散，仍對惰化3#煤層采空區高溫點起作用。

（2）埋管注氮。工作面采空區形成后，采空區的漏風均可能擴散到上覆3#煤層采空區，因此必須在采空區埋管注氮，降低氧化帶的氧濃度，使擴散到上覆采空區的氣體為低濃度的混合氣體，保持3#煤層采空區的繼續惰化，其方法為：在工作面進風順槽埋設Φ104mm的無縫鋼管兩趟，隨著工作面的推進，鋼管被埋入采空區進風側，兩趟管路交替注氮，每隔一定距離卡斷一趟管路，讓采空區氧化帶永遠有一趟管路埋入。這種方式雖然浪費大量的管材，但能將氮氣注入采空區的深部，適合于工作面風量大、采空區冷卻帶寬或采空區涌水較大的工作面，本工作面風量較大，故將注氮防火方法選為采空區埋管注氮。為了防止采空區的積水涌入埋管，將埋管出口端做成45°的彎頭，氮氣出口端高于采空區底板0.5 m（見圖1）。

埋管注氮時，必須保證采空區內35～90 m范圍一直有注氮埋管，保證將氮氣注入采空區氧化帶，埋管步距為35 m，當第一根埋管進入采空區35 m時，應即時埋入另一趟注氮管。埋管進入采空區90 m后應斷掉這趟管路，換成剛進入采空區35 m的埋管注氮，這樣在采空區的70～90 m實際上有兩趟埋管共同注氮。

3.5 地面鉆孔注液態CO2

圖1 采空區注氮

CO2氣體具有較高的密度，在常壓下，液態的CO2會立即汽化，一般1 kg的液態CO2可產生約0.5m3的氣體。滅火時，CO2氣體可以排除包圍在燃燒物體的表面空氣，降低可燃物周圍或防護空間內的氧濃度，產生窒息作用而滅火。CO2滅火作用主要是增加空氣中不燃燒、不助燃的惰性氣體成分，使空氣中的氧氣含量減少。實驗表明：燃燒區域空氣中氧氣的濃度小于等于7%，CO2的濃度為40%～45%時，絕大多數的燃燒都會熄滅。

在單一使用井下注氮系統不能達到有效的惰化效果，且氮氣流量受限，注氮位置不能達到自然發火點時，結合地面注液態CO2氣體進行目標惰化。

地面鉆孔準確打入8206工作面開切眼回風隅角冒煙地點的上覆3#煤層采空區內，并下Φ108 mm套管到孔底，鉆孔聯接管路設置Φ108 mm閥門。

注液態CO2的時間為2017年9月15日10時～9月19日10時。為了防止大量CO2氣體涌入工作面，因此將注CO2的流量定為1.5 t/h，可汽化為流量為900 m3/h的氣體CO2。每天注液體CO2一車，注CO2的時間定為4天。注液態CO2工藝見圖2。

4 治理效果分析

圖2 地面向井下火區注液態CO2工藝

經過綜合治理后，通過觀測通上采空區1-1#觀察孔、1-2#等8個觀察孔及工作面巷道中CO氣體濃度大幅下降，上覆采空區內氧氣濃度均低于3%，高溫點區域溫度也逐漸下降。說明上覆火區已經得到有效治理。氣體情況見表1。

表1 各觀測點相關氣體情況

5 結語

1）通過合理開采工藝，控制頂板狀態，同時結合目標注氮，最后利用地面注液態CO2根本性的消除發火點，最后消除自然發火隱患，確保開采工作面安全，是一次成功的綜采工作面采空區自然發火的綜合性治理案例。

2）由于CO2氣體比重相對空氣大，通過向火區注入CO2氣體，可以排除包圍在燃燒物體的表面空氣，降低可燃物周圍或防護空間內的氧濃度，惰化火區，加速自燃煤炭的熄滅。