煤層自燃預測預防與綜合治理技術

王興華 任維民

（山東萬祥礦業有限公司，山東 濟南 271107）

1 煤層自燃特性概況

潘西煤礦委托山東鼎安技術檢測公司對主采19層煤進行了自燃傾向性鑒定，鑒定結果：吸氧量0.58cm3/g，火焰長度360mm，屬Ⅱ類自燃煤層，最短發火期80d。煤層自然發火標志氣體檢測結果：一氧化碳出現，表明煤已經開始氧化，其出現的臨界溫度28.1℃～41.0℃；乙烯出現且變化速率明顯加快是煤進入加速氧化階段的標志，其出現的臨界溫度190.0℃～205.0℃；乙烯/乙烷比值峰值的出現是煤進入劇烈氧化階段的標志，其峰值出現的溫度280.2℃ ～282.5℃。

2 煤層自燃特性的影響因素

（1）煤層埋深大、地溫高，地質環境因素導致煤層自然發火期縮短。

（2）開采煤層厚度大，機械開采強度大，采空區漏風增加，開采環境因素導致自然發火點位置隱蔽，不易及時發現遺煤自燃。

（3）推采過程中經過斷層，斷層造成工作面煤層變薄，降低了工作面推采速度，不能及時將采空區甩入“窒息帶”；頂底板破碎造成丟煤多，漏風為氧化蓄熱提供了適宜條件，氣象環境因素導致采空區氧化升溫帶前移，提高了采空區遺煤自燃概率。

（4）特別是臨近于采空區的工作面，煤柱反復受壓變形，出現多條裂隙形成漏風通道，造成正在回采工作面的采空區與相臨已采區的采空區連成一片，形成了復雜的多源多匯漏風通道，采空區遺煤自燃范圍擴大，增加了自燃危險性。

3 建立自然發火預測預警技術體系

（1）光纖測溫系統

光纖測溫系統是以光波為載體、光纖為媒質、感知并傳遞被測量信號的防火系統，具有發火點精準定位和不間斷監測的優點。礦井安設光纖測溫系統，在各采區安設分站，在采煤工作面上巷、下巷頂板各布置3條光纖，隨著工作面推采，光纖逐漸埋入采空區，對采空區內氣溫不間斷監測，測溫數據傳遞給井上監控終端，當溫度異常升高表明采空區遺煤發生自燃，起到預測預警的作用。

（2）監測監控系統異常預報

利用監測監控系統實時監測，對工作面、上下隅角、回風流中的CO、CO2、O2、CH4重點監測。工作面安設溫度傳感器，報警溫度設置為≥30℃；采煤工作面回風巷道安設一氧化碳傳感器，報警濃度設置為≥0.0024%；皮帶機滾筒下風側10～15m處、采區及一翼回風巷、總回風巷安設一氧化碳傳感器，報警濃度設置為≥0.0024%；皮帶機滾筒下風側10～15m處安設煙霧傳感器，捕捉火災信號，達到報警值時，發出聲光報警信號。

（3）現場人工取樣分析

在采煤工作面回風側采空區以里，以30m間距交替邁步埋設多芯束管，監測采空區氣體的變化情況。采空區氧氣濃度低于5%或已進入采空區150m后，方可甩掉束管，不再監測。每天人工利用抽氣泵和球膽采集采空區內氣體，利用GC6890A煤礦專用氣相色譜儀分析氣體中含有的CH4、CO、H2、CO2、O2、C2H6、C2H4、C2H2、N2九種 氣體成分，形成循環檢測報告，發現氣體異常變化及時處理。

（4）人工日常現場檢測

配備專職防火檢查員，負責見煤線、采空區、回風隅角、冒頂處等發火隱患點的CO、CO2、O2、CH4及溫度檢測，編制“防滅火周報表”，繪制“火災氣體趨勢圖”，并分析比較數據變化規律。

4 建立自然發火預防技術體系

（1）合理布置巷道

從生產設計入手，合理布置巷道。大巷布置在煤層頂底板巖石中，采區上下山盡量布置在巖石中，回采巷道沿煤層布置巷道時不托頂煤施工，遇斷層等構造帶或其他情況必須留頂煤時，編制專門防冒頂和防自燃技術措施，如發生冒頂，冒頂處用防火充填材料密實，并設措施管、觀測管，對頂煤情況進行監測。

（2）惰化采空區

當采空區內氧氣濃度小于5%時，煤的氧化就能得到阻止。利用惰性氣體的自然性質預防和治理煤自燃，將惰性氣體注入到采空區，抑制采空區的煤氧復合作用，對采空區氧化帶進行惰化，控制氧氣濃度降到自燃臨界值以下，使煤處于減緩氧化甚至不氧化的狀態，防止采空區遺煤自燃。

（3）矸石隔離墻封堵減少漏風

采煤工作面每推采10m，在上、下隅角采用阻燃袋裝碎小矸石構建隔離墻。墻體接頂接幫，墻面用阻燃風筒布覆蓋墻體，同時對隔離墻噴涂防火充填材料，防止漏風串入采空區造成遺煤自燃。

（4）工作面合理配風

合理地為工作面配風，優化工作面風量。計算最優配風量和最優風速，進、回風兩端風壓差控制在200Pa以內，降低漏風量。在通風能夠排出瓦斯等有害氣體情況下，最大限度地減少風量對采空區遺煤氧化的影響。

（5）加快工作面推采速度

預防采空區自燃火災最有效的方式是加快采煤工作面推采速度，減少遺煤自燃氧化時間，保證采煤工作面的推采速度與采空區自燃帶的寬度相匹配。采空區頂板不斷冒落，漏風風阻相應增大，極大減少采空區漏風產生的氧化條件。

5 建立自然發火治理技術體系

（1）阻化防滅火

采煤工作面回采期間上下隅角附近的煤柱噴涂防火充填材料，將阻化劑撒在垮落松散遺煤上，防止煤柱漏風及遺煤氧化。

（2）灌漿防滅火

采煤工作面安設移動式灌漿泵和制漿桶，灌漿材料選用粘性黃土，沿上巷超前采煤工作面30m邁步壓茬敷設DN50灌漿管路，孔口深入采空區內，并采用鐵質套管加以保護。采空區出現自燃征兆時，利用灌漿系統進行灌漿防滅火。

（3）注液態二氧化碳防滅火

發現采煤工作面采空區出現自燃火災征兆時，將MKDZ-LZ-4000移動式液態二氧化碳罐運送至工作面上、下巷，通過預留的DN50注液金屬管路將液態二氧化碳注入采空區內進行窒息滅火。

（4）束管監測系統

JSG9束管監測系統由工業控制計算機、打印機、色譜工作站、氣相色譜儀、空氣發生器、氫氣發生器、氣體采樣控制柜、水環真空泵、凈化穩壓電源、煤礦用聚乙烯束管及束管分路箱、粉塵過濾器等組成。該系統可以30km長距離采取發火隱患點的氣樣，可以24小時連續監測，可以無人值守長期運行，可以自動輸出檢測報表、束管報表、檢測譜圖報表、檢測趨勢分析報表等。

（5）注氮防滅火

工作面采空區面積大，浮煤多，呈立體分布，無論是黃泥灌漿，還是注阻化劑，都不可能將采空區所有的浮煤都包裹，目前防滅火最有效的技術是采空區注氮。安設DMJ-1000/1.0型膜分離制氮機，制氮量不低于1000m3/h，氮氣濃度不低于97%，注氮壓力不低于0.8MPa。沿上巷超前工作面30m邁步壓茬敷設DN100注氮管路，惰化、置換采空區內空氣，抑制煤氧復合作用，消除發火隱患。

6 結論

通過建立自然發火預測預警技術體系、自然發火預防技術體系、自然發火綜合治理技術體系，對自燃煤層采取預防及綜合治理技術措施，實現了自燃煤層采煤工作面安全回采，保障了礦井安全。