淺析煤礦下分層開采防滅火技術

王志榮

【摘 ?要】在煤礦開采作業過程中，安全問題始終是煤礦企業關注的重點。近年來，我國發生了數起礦井火災事故，經調查發現多數煤炭火災都和煤炭自燃有關。其主要原因在于，煤層被開采和破碎之后，破碎的煤體與空氣接觸，發生了氧化反應，并放出熱量。煤發生氧化反應后使煤堆的溫度升高，煤溫度升高后又加速了煤的氧化反應速度，這樣就使煤堆的溫度越來越高，當溫度超過煤的自身燃點時就會自燃。煤炭自燃對礦井安全生產構成了嚴重威脅，所以需要對分層開采技術加以利用。基于此，本文以某煤礦為例，從造成煤礦下分層開采發生火災的原因入手，討論煤礦下分層開采防滅火技術的利用，最后分析如何加強煤礦下分層開采防滅火管理，希望對相關研究帶來幫助。

【關鍵詞】煤礦;下分層;開采;防滅火技術

通過煤礦下分層開采方式進行采用，能夠提升開采效率和安全性，不過在煤礦開采過程中存在著空采區遺留殘余煤炭較多的問題以及漏風情況，容易出現煤層以及礦井煤炭自燃的現象，需要加強管理。

一、礦井概況

某煤礦面積約124.5km2，截至2020年底，全礦井保有資源儲量7.6億噸，可采儲量4.72億噸。2021經過產能核定，確認其生產能力為1380萬噸/年，井田內地質構造條件簡單，煤層賦存穩定，瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井。該煤礦已經建立火災預測預報系統，涵蓋人工現場檢測、束管監測系統、分布式光纖測溫系統及監測監控系統。

（一）礦井火災防治現狀

1煤自燃發火基礎參數

該煤礦所有煤層均為一類易自燃煤層，其中兩層煤層的最短自燃發火期分別為38天和62天。

（二）火災預測預報系統

某礦設立了綜合預測預報體系，其中涵蓋人工現場檢測、分布式光纖測溫系統、束管監測系統。在礦井安裝了一套KSS--200礦井自燃火災束管監測系統以及兩套JSG8礦井火災束管監測系統，主要作用在于實時監測井下溫度和氣體情況[1]。

（三）防滅火系統建設

1注漿防滅火系統

該煤礦在立風井廣場設置了ZLJ-80型地面灌漿系統，下漿管路設置在回風立井，然后在回風大巷鋪設DN150注漿管路，通過三通連接DN100注漿管路進入工作面順槽。

2注氮防滅火系統

該礦井現有兩套制氮系統，分別由兩臺DM-1000型制氮機和兩臺ATM37000空氣壓縮機組成。

二、礦井煤自燃探查方案分析

1、溫度探測方法

在工作面巷道內或其頂底板埋設分布式測溫光纖，持續檢測采空區溫度變化情況，達到報警溫度時，及時報警并定位升溫區段。

2、采空區氣體探測方法

煤在氧化升溫過程中，會釋放出CO、CO2、烷烴、烯烴以及炔烴等指性氣體。這些氣體的產生率隨煤溫上升而發生規律性的變化，能預測和反映煤自然發火狀態。如CO貫穿于整個煤自然發火過程中，一般在50℃以上就可測定出來，出現時濃度較高;烷烴（乙烷、丙烷）出現的時間幾乎與CO同步，貫穿于全過程，但其濃度低于CO，而且在不同煤種中有不同的顯現規律;烯烴較CO和烷烴出現得晚，乙烯在110℃左右能被測出，是煤自然發火進程加速氧化階段的標志氣體，在開始產生時，濃度略高于炔烴氣體;炔烴出現的時間最晚，只有在較高溫度段才出現，與前兩者之間有一個明顯的溫度差和時間差，是煤自然發火步入激烈氧化階段（也即燃燒階段）的產物。因此，在這一系列氣體中，選擇一些氣體作為指標氣體，以及準確檢測，就能可靠判斷自然發火的征兆和狀態。

褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤以烯烴或烷比為首選，以CO及其派生的指標為輔;焦煤、貧煤和瘦煤則以CO及其派生的指標為首選，C2H4或烯烷比為輔;無煙煤和高硫煤唯一依據是CO及其派生指標;低變質程度煤著火征兆的靈敏指標為C2H4。

3、同位素氡探測方法

煤自燃會析出同位素氡，氡會隨氣流及地層裂隙擴散到地表，所以在煤層自燃方面常有采用測量同位素氡的方法。此方法所測得的氡值異常，與氡元素析出至測量位置的氡濃度有關，而同位素氡的運移又與運移通道有關，在存在大面積采空區的范圍內，一般裂隙較發育且不均勻，氡元素順通道和氣流運移輸出，所以淺表測得的氡異常并不一定和深部煤層自燃區范圍一一對應，采用該方法探測時，要結合采空區分布情況、氡值異常特征綜合分析。

三、造成煤礦下分層開采采空區氣體異常的原因

其一，綜放面在推進過程中遇到強礦壓導致嚴重的底鼓、漏頂問題，造成工作面近15天推進僅為20m，并且在空采區遺留較多的碎煤，由于推進速度慢，延長了采空區遺煤的氧化時間;

其二，工作面區域的煤柱強度偏低，并且松軟破碎，漏風嚴重;

其三，地表回填受氣溫偏低的影響，加之地表存在凍土層，盡管表層間隙已經回填，不過深部依然存在隱蔽裂縫，埋深最淺處只有27m，并且地表塌陷臨近工作面，下分層回采時存在地表塌陷情況，難以控制漏風問題[2]。

四、煤礦下分層開采防滅火技術的利用

（一）均壓防滅火

空采區出現漏風和密封墻的位置需要設置壓力檢測裝置，分析壓力差分布情況，在礦井通風機設備正常運轉條件下調整井下的流量，對主要巷道風壓分布進行改變，然后讓空采區的進風側和出風側風壓接近平衡，避免采空區內部空氣流通，以此斷絕氧氣，切斷自燃條件。

（二）預防性注漿

1注漿材料選擇

在當前的防滅火工作中，注漿材料主要采用漿砂以及粉煤灰，不同的材料的性質以及防火效果存在差異。具體說來，注砂漿容易就地取材，并且注入空采區后堆積效果良好，主要用于封堵式防滅火注漿，缺點在于流動性差、容易沉淀，聚積在鉆孔周邊容易出現堵塞。注粉煤灰的優勢在于原材料來源廣泛，并且封堵效果好，不容易堵塞鉆孔，材料價格低，在覆蓋式防滅火注漿施工中效果顯著。

2注漿措施

空采區滅火防控以及治理為隱蔽工程，該項工作開展的主要難題在于對火源位置以及著火程度進行判斷。預防性注漿措施成為當前礦井空采區防火的重要手段，通過地面施工，采取定向注漿鉆孔輸送漿液的方法，使其在空采區流動，進而對空采區的煤封堵和覆蓋，阻隔氧氣、降低溫度[3]。該煤礦容易出現自燃的區域集中在停采線、上下分層巷道交匯處以及聯絡巷口位置，所以要通過地表打鉆的方式對以上容易出現自燃的地點進行靶向注漿，通過該措施能夠縮短注漿工期，節約施工費用。

（三）通風系統

一方面，工作面范圍內的通風構筑物需要保證風門風橋具有密實性，有效減少漏風;另一方面，空采區和廢棄巷道需要每周進行防火檢查，在檢查過程中如果發現一氧化碳異常情況需要及時采取防滅火措施。此外，在應急滅火方面要求制定應急預案，設立以礦長為組長的總指揮部，由總工程師為總負責人，對火災應急指揮部門進行管理，確保人員分工明確，并定期開展應急演練。

（四）注氮

1制取氮氣

煤礦開采過程中防滅火工作需要對氮氣使用，主要是把空氣中的氣體成分分離獲得，所以技術人員要結合煤礦工程實際選取制氮設備。目前主要以地面移動式、地面固定式、井下移動式的設備為主。

2 注氮工藝參數選擇

一般情況下，煤礦防滅火采取埋管操作的方法，以此達到安全生產以及防滅火目標，在實際操作過程中，需要把注氮管埋設在井下巷道當中。一般采空區采用鉆孔方式，然后利用注氮管輸送氮氣，要求技術人員每間隔一定距離預設釋放口，然后設置在和煤層底板以上20-30cm的位置，這樣煤層底板以上環境的石塊可以對注氮管進行保護，避免孔口堵塞。在注氮地點的管理上需要以防火效果為主，采取拉管移動式，主要是利用回柱絞車向外牽引埋管，確保埋管移動周期和工作面同步運行，進而讓采空區注氮孔在氧化自燃環境內。與此同時，要求結合采空區養護、窒息與自燃帶寬度確定埋管以及打孔方式，確保采空區注氮連續性。在煤礦巷道火災撲滅過程中，需要在封閉后連續注入氮氣，將采空區氧氣質量分數控制在10%之內，可以有效防止瓦斯爆炸事故。在氧氣質量分數達到1%-2%能夠實現快速滅火[4]。

（五）采空區地表塌陷裂縫回填

由于地表受到二次或多次采動影響，分層開采的采空區地表塌陷裂縫更為發育，采空區漏風更為嚴重，所以地表回填的作用就尤為突出。對于淺埋深分層開采的礦井應在采空區老頂初次來壓后安排專人每天進行地表巡查，發現裂縫及時安排人員進行回填，滯后工作面的距離不宜大于50米。對于回填后再次出現的裂縫要進行二次或多次回填，直至地表裂縫充分填實，無漏風現象。對于地表基巖裸露或地形復雜的裂隙，應采用機械回填，并使用黃土進行覆蓋，雨后要重點進行復查整改。對于較大裂縫多次回填后仍無明顯效果的，可對裂縫采取高土水比注漿措施。

五、如何加強煤礦下分層開采防滅火管理

其一，為了有效、快速、有序的對問題整改需要成立指揮部，一旦發現空采區存在氣體異常情況要求煤礦企業立即成立防火領導小組，分析采空區氣體異常的原因，及時采取防滅火措施，對設備，材料、技術利用加強指導。

其二，對各級管理人員和作業人員進行培訓，進行一通三防知識宣傳，讓全體人員具有一通三防的紅線意識。

其三，需要堅持快速掘進、快速開采、快速回撤、快速封閉的管理措施。對地面注漿地表堵漏以及井下注氮采取預防性措施。

其四，對現有的管束監測系統加以維護，做好氣體采樣監控工作，以此延長氣體采樣抽氣時間，確保采集的氣體樣品具有真實性，然后比對自燃發火指標性氣體開展化驗工作，發現異常要立即采取措施。

其五，在新形成的工作面巷道內或其頂底板埋設分布式測溫光纖，工作面回采結束，光纖設備留在內部，持續檢測溫度變化情況，達到可報警溫度時，及時報警并定位升溫區段。

其六，在實際工作中需要加強培訓，全面提升一通三防人員的專業水平，具有敏銳的觀察能力和提前預判能力，并且需要配備齊全具有一通三防專業知識的技術管理人才，以此滿足礦井一通三防工作開展需要。

其七，方案在實際工作中需要完善防火應急處理機制，能夠及時處置要求對注漿設備、注氮儀器等方面或裝備加強管理，做好維修保養工作，確保隨時能夠投入使用。

其八，明確責任分工，需要成立設備、材料、技術方案現場施工以及監督保障等小組。

其九，合理規劃開采設計，優化通風系統，從設計源頭將煤礦防滅火工作深入其中。

結束語：

綜上所述，煤礦下分層防火技術有著重要作用，在實際工作開展中必須全面分析導致煤炭自燃的因素，然后采取技術性測試和管理性措施，完善礦井注漿、注氮等綜合防滅火系統，然后采取井上下堵漏以及空采區氣體監測措施，通過多項舉措確保工作面處于安全生產環境狀態。此外，需要做好地表回填工作，增加資金及人員的投入，保證現場巡查工作的深入開展，減少空采區漏風情況，進而確保礦井的安全作業。

參考文獻：

[1]閆虎君，郭偉成.特厚易燃煤層下分層綜放面防滅火預測預報技術研究[J].內蒙古煤炭經濟，2020，11（3）：117-118.

[2]鄒德龍.綜放工作面通過上分層隱蔽老火區防滅火技術實踐[J].現代礦業，2018，13（2）：188-190.

[3]繆亞洲，萬成，劉宗林.特厚自燃煤層下分層綜放工作面開采防滅火技術研究與應用[J].內蒙古煤炭經濟，2019，13（11）：92，127.

[4]張克斌.通風防滅火技術在煤礦中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2020，40（10）：212-213.