煤層自燃防治技術

姜海峰，董 登，張寶軍，石文斌

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

0 引言

據有關部門統計，近年來煤層自燃引發的火災事故占我國的礦井火災的90%左右，煤層自燃導致的煤礦火災每年多達300多次，尤其是一些易燃煤層，不僅造成大量煤炭損失，還給國家造成嚴重的環境問題。在煤層自燃過程中，煤層在燃燒過程中會隨著煤層的燃燒產生大量的有毒有害氣體，例如：二氧化氮（NO2）、氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）等。損傷井下工作人員的身體健康。更嚴重的是，煤層自燃易導致礦井瓦斯爆炸事故，嚴重影響礦井正常生產。我國大多數煤礦采用井下開采方式，由于煤層地質條件、回采技術及工作面布局的不同，形成了多種不同的開采技術，使煤礦燃燒的環境條件大不相同。所以為了能夠更加有效的控制煤層自燃所帶來的影響，就應該從它的本質上加以研究，加以防治，只有這樣才能來防止煤層的自燃。

1 煤層自燃的原因以及影響因素

1.1 煤層本身自燃性

煤炭本身具備可燃性。再加上煤炭中的孔隙與裂隙也有吸附氧氣的性質。這代表煤更容易被氧化，產生大量熱量。而煤層是密閉環境，導致熱量大量聚集，溫度升高，在有氧條件下，會發生自燃。但由于不同煤層自燃性并不相同，吸附氧氣的能力也有強弱之分。在煤礦實際生產中，通過測量煤層氧化難易程度，來確定煤層自燃危險程度。通過檢測結果，制定對應危險程度的相應預防措施，可以極大的降低自燃可能性。

1.2 工作面推進對自然發火的影響

礦井工作生產過程中，技術人員經過長期觀察發現采空區溫度、工作面推進距離和漏氣量之間存在聯系，在采煤過程中隨著工作面的不斷推進，采空區里的溫度會隨著采煤工作面的不斷推進而發生著變化，這種變化一般分為三種不同的帶，即散熱帶、氧化帶以及窒息帶。在礦井工作面順利推進過程中，因為會發生氧化作用，這使處于支架頂梁和支架背面的松散煤長時間未被加熱。當煤層并未達到可以自燃程度時，隨著采煤工作面的不斷推進將尚未達到自燃臨界點的煤拋入窒息帶。如果工作面不能順利進行推進，位于架后的煤將會發生氧化導致升溫。經過長期的蓄熱，很容易導致自燃事件的發生。

1.3 部分地區防火措施不到位

煤礦施工過程中，安全措施應比其他建設工程更重要。少數煤礦企業只注重眼前利益，無視防火等安全體系的重要性，不定期進行防火檢查。忽視該工作的重要性，從而造成潛在的危險，一旦發生自燃事件，往往會造成更大的經濟損失和人員傷亡。

1.4 工作面開采布局不當造成自然發火

受斷層切割及地面搬遷影響，工作面布置造成孤島工作面，形成三面沿空的工作面，加之較大斷層連續貫穿相鄰工作面，極易造成沿空側工作面及自身采空區漏風，加大了自然發火的危險系數。

1.5 停采不當、防火措施不及時造成自燃

工作面停采線處于應力區，頂板破碎，停采難度大，停采切眼頂、幫破碎，空隙大，漏風量大；頂、幫疏松，停采注漿封堵措施無法奏效或防滅火措施落實力度不夠，時間延長，造成自燃；停采創條件不當造成的后序撤除難度大，工期長，遠大于煤層的自燃發火期，導致自燃。

2 煤層自燃預測

1）確定煤層自燃傾向，有利于更好地防治煤層自燃。在特定條件下，不同種類的煤著火點不盡相同。研究發現，從無煙煤到褐煤,其著火點越來越低,自燃傾向性就愈高。

2）經過研究表明，當煤層發生自燃現象時，燃燒產生的生成物中檢測到的一氧化碳的最低溫度在60～70℃，當自燃發生后溫度達到160～190℃時，此時已有非常多的一氧化碳了，一氧化碳是煤層自燃所特有的氣體。可以準確反映煤層的自燃情況。在井下，對CO檢測相對容易。所以想要預測煤層自燃情況，可以檢測煤層中所含CO的濃度，并結合煤層中其它氣體的檢測結果，以此來判斷煤層是否處于自燃發火期。

3 防火技術措施

3.1 預防性灌漿防治技術

預防性灌漿就是將水和黃土通過一定的比例混合配置成漿，利用一些特殊的方式將其注入到采空區等可能會發生自燃發火的區域，以此來防止煤層自燃的發生。當工作面既有下分層工作面，又要分層開采時，必須向工作面采空區注入黃泥漿。要制作黃泥漿，水與黃泥之間的比例要低于5∶1，并保持每天至少有一個班的人進行采空區的灌漿工作。漿液能對采空區遺煤進行覆蓋和包裹，大大減少遺煤和氧氣的接觸面積，且漿液中有大量水分可以吸收帶走煤在氧化過程中產生的熱量，防止升溫，達到防自燃效果。灌漿過程中，應該采用少量多次的方法。但這種技術也有很大的問題:萬一操作失誤，經常會出現工作面跑漿的狀況，對整個開采過程會產生嚴重影響。

3.2 三相泡沫技術

三相泡沫防火技術，主要以黃泥覆蓋、瓦斯膨脹和水的吸熱和冷卻性能來進行煤層的防火控制。三相泡沫防火的技術原理是在發泡劑和空氣壓力的雙重作用下，可以產生黃色的泥漿，讓這些氣泡覆蓋整個噴射面積。首先，注射區的空氣被隔離，以便更好地滅火。同時，黃泥產生的泡沫更容易堆積，可以熄滅采空區的所有著火點。三相泡沫防火的主要過程如圖1所示。

圖1 三相泡沫防火的主要過程

3.3 架間注漿快速防滅火技術

架間快速注漿防滅火技術主要是利用快速推進工作面之間的支撐和及時填充三相泡沫，使泡沫迅速覆蓋采空區中的漂浮煤，減少煤與空氣的接觸面積，降低煤的氧化速度，從而撲滅火災源。在實施灌漿和防火的過程中，可以同時在框架內鉆多個孔，同時灌漿多個孔。也可以少量多次進行灌注，直至將所有的孔都充填滿為止，通過這樣的方法來迅速撲滅采空區里的火災。鉆孔布置可按下圖所示。

圖2 鉆孔布置圖

3.4 邊采邊注防自燃發火技術

邊采邊注防自燃技術是主要應用在沿空工作面、孤島工作面、斷層切割程度大的工作面及易保留浮煤的生產工作面中的一種技術，即在與工作面平行的采空區內預先埋設注漿管，邊采邊使用埋在巷道內的管道對采空區或沿空側舊采空區進行注漿。邊采邊注可有效控制那些煤層自燃性高的工作面作業時發生的自燃事故，可以高效的保障煤礦安全生產。

3.5 均壓通風技術

均壓通風防火技術主要是通過在工作面回風巷建設通風設施，減少實際通風壓差，進而有效控制漏風量，使采空區形成的實際自燃區縮小到最遠的范圍。可能使窒息帶盡可能向前移動，消除氧源，從而抑制自燃現象。

3.6 壓注高分子新型材料防治自燃

隨著材料合成技術的發展，對適合阻燃、密閉性的高分子材料，諸如固邦特、馬麗散、水玻璃等礦用高分子材料，通過專用液壓泵對采空區、沿空側采空及停采線或停采工作面進行壓注，對局部高溫點、封閉堵漏或停采工作面的初期防滅火針對性效果良好。此種技術應用防火效果明顯，而且工作量較小，工作面還能正常生產，所需錢財也較小。碳酸氫銨和硅酸鈉(其水溶液即水玻璃是其主要原料)。水玻璃在化學凝膠中約占3%-9%，碳酸氫銨約占3%。成膠所需時間隨促凝劑含量的增多而減少。如果需要快速將采空區或者工作面等發火點進行控制并且需要采煤工作面順利推進，那么應用該滅火技術可以先在大巷將膠體配置在輸送到采煤工作面或采空區，以此來達到快速滅火的效果，從而使工作面順利推進。

3.7 聚氨酯噴涂防治技術

聚氨酯噴涂技術對沿空側的巷道進行封閉、堵漏效果很好。聚氨酯噴涂主要以阻燃劑、發泡劑、異氰酸酯、催化劑、多元醇聚醚等物質作為原材料。這些物質中異氰酸酯被稱為黑料，是一種獨立的組分。其余稱為白料。在生產時，只有兩種材料可以等量混合攪拌。生產過程非常簡單，生產時間很短。實際運用中，黑料和白料被專用泵一起注入充填位置，會發生劇烈化學反應產生大量泡沫填充裂縫并凝固下來，防止漏風。

3.8 惰化防滅火技術

惰性防火滅火技術多用在工作面停采后，對封堵采空區實施的防治手段。其實就是將惰性氣體通過一些技術手段將氣體輸送到采空區里以此來隔絕或降低采空區里含氧量，有效阻止煤炭自燃。目前，惰化防火滅火技術不僅具有惰化特性，而且具有冷卻效果。對煤礦本身的污染相對較弱。厚煤層分層或采全高開采大多采用該技術。惰性氣體能夠充滿整個采空區和厚煤層工作面，惰性氣體不僅能夠斷絕大型明火與可燃氣體的接觸，而且還能夠有效的預防隱藏的火源，從而達到防火滅火的效果。

3.9 工作面兩端頭施工隔離垛技術

工作面推出切眼后，分別在進、回風隅角施工一道厚度不小于3m的隔離垛（見附圖），隔離垛要接幫接頂，外掛鐵絲網，根據現場氣體情況，可噴涂封堵材料，最大限度封堵漏風通道，減少向采空區漏風供氧。

圖3 端頭隅角隔離垛充填封堵示意圖

工作面開始推進后，必須保持連續生產，月推進速度不得低于80m，每推進50～30m在工作面進、回風隅角端頭各施工一道隔離垛墻，隔離垛必須接幫接頂，厚度不低于3m。

當工作面月推進速度小于80m時，縮短在工作面進、回風隅角施工隔離垛墻的間距，可根據現場情況，對隔離垛噴涂封堵材料，最大限度封堵漏風通道，減少向采空區漏風供氧，并立即對開切眼、隔離垛后采空區進行注漿或壓注阻燃材料。

4 結束語

煤層自燃防治是一件需要所有礦井工作人員認真對待的事情。防治煤層自燃要做好多方面的準備，一方面要從根本上懂得煤炭為什么會自燃即煤炭自燃的原理，另一方面要總結在原有滅火的方式方法基礎上研究更加有效的滅火技術，從而降低煤炭自燃的發生。通過介紹當前國內煤層自然發火的治理方法以及各種滅火工藝的適應性、治理效果，為選用煤層自燃防治技術提供依據。在實際應用中要根據火區實際情況選用適當的防滅火技術與工藝進行綜合治理，才能達到預期的目標。