東川煤礦回采工作面下分層開采防火技術

王啟宇，劉小新

(陜西秦安煤礦安全評價事務有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

火災是礦井的主要災害之一，據不完全統計，中國有自然發火危險的礦井占60%以上，而內因火災即煤自燃火災在礦井火災事故中所占比例高達到90%以上[1]。破碎堆積的煤體經過氧化吸附產生熱量，當熱量得以積聚就會形成自燃火災，由于自燃火災的產生是一個發展緩慢的過程，因此可以在煤形成自燃火災早期進行預測預報，提前采取措施消除自燃火災隱患。而如果一旦形成火災，火災形成的位置又經常位于人們難以進入的采空區等區域，而無法準確實現火源定位，這時滅火非常困難。所以內因火災的預防很重要，目前礦井內因火災的預防措施主要有：灌漿、注惰性氣體、噴灑阻化劑、注水、注凝膠和三相泡沫等[2-4]及新型的注液態CO2[5]。東川煤礦為特厚煤層，采用分層開采技術，當回采至下分層時煤層自燃的可能性較大，必須同時預防上、下分層的火災，因此礦井采用了頂部采空區漏風通道封堵、頂部采空區順槽側注復合膠體、頂部采空區注氮、巷道破碎煤體注阻化劑等預防上分層火災的措施與工作面兩道封堵、灌漿、噴灑阻化劑、注氮等預防下分層火災相結合的措施，達到有效預防煤層自燃的目的。

1 礦井及工作面概況

東川煤礦位于陜北侏羅紀煤田神北礦區大海則井田東北角，距神木市約35 km，礦區范圍由13個拐點坐標圈定，開采深度+995～+1 160 m，礦區面積11.230 3 km2。礦井目前開采5-2號煤層，煤層可采厚度6.39～9.18 m，平均厚度8.09 m，井下布置1個5103下分層綜采工作面，工作面位于一盤區，上部為已回采結束的5103上分層綜采工作面采空區，其上下分層工作面基本對應，下分層工作面略小于上分層，下分層開切眼和停采線均位于上分層對應的切眼和停采線以內。5103工作面煤層厚度6.75～8.45 m，平均7.60 m，其中上分層回采厚度3.4～3.8 m，下分層回采厚度2.8～3.2 m。5103下分層綜采工作面長200 m，推進度長度1 696 m，采高3.0 m，采用長壁綜合機械化分層鋪底網采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

2 下分層開采頂部采空區及巷幫防火措施

下分層工作面部分巷道較為破碎，由工作面及順槽通往頂部采空區的漏風裂隙較多，故在下分層工作面準備期間，漏風就有可能引起頂部采空區自燃。此外，下分層采空區氧化帶范圍大，煤氧化時間長，自燃危險大。

2.1 頂部采空區漏風通道封堵

由下分層順槽通往頂部采空區的探放水鉆孔、監測鉆孔、注膠鉆孔應封堵嚴密，避免鉆孔漏風引起頂部采空區自燃。檢查巷道頂部破碎帶裂隙，如存在裂隙漏風點，則向裂隙處頂部采空區打鉆，灌注快凝水泥漿進行加固和堵漏，亦可向上部采空區注復合膠體，進行堵漏防火。檢查地面漏風裂隙，較大漏風要用黃土覆蓋封堵。

2.2 頂部采空區順槽側注復合膠體形成隔離帶

上分層采空區順槽處有大量松散煤體，有自燃危險。為防止其自燃，開采下分層時，向上部采空區注粉煤灰復合膠體，形成防火隔離帶。

膠體隔離帶灌注工藝及其間隔：由下部工作面順槽向頂部采空區每隔100～150 m施工一個鉆孔，鉆孔與煤層夾角為45°左右，終孔位于上部采空區底板以上50～100 cm，距離煤幫3 m左右處，如圖1所示。

圖1 自下分層順槽向頂部注復合膠體剖面示意Fig.1 Injecting composite colloid from lower roadway to upper goaf

沿鉆孔向頂部采空區兩順槽處注復合膠體，每個隔離帶設計10 m×10 m×2 m(長×寬×高)，注黃泥復合膠體200 m3，黃土用量約80 m3。當采空區監測到CO濃度增加時，注膠量增加為2倍。

地面灌漿系統將黃土和水制成1∶1的泥漿，由管道輸送到井下。井下設備將復合膠體膠凝劑按0.05%～0.1%的比例與泥漿混合，然后通過鉆孔輸送到采空區，復合膠體混合液在巷道頂部失去流動性，起到充填和覆蓋松散煤體的作用。注膠工藝如圖2所示。

圖2 復合膠體注膠防滅火工藝Fig.2 Fire prevention process of compound colloid injection

2.3 頂部采空區注氮

注氮條件：自下分層工作面順槽，通過監測鉆孔對頂部采空區O2、CO進行監測。如果工作面O2濃度大于7%時，則向采空區注氮；當監測到CO增加時，需要連續注氮，以降低氧濃度，防止煤層自燃。

注氮口位置：上分層工作面進風側密閉預留措施孔。

注氮量：以現有注氮系統的能力，注氮流量為600(800) m3/h。氮氣濃度大于97%。

注氮過程中，在下分層工作面順槽布置的通往頂部采空區的監測管監測CO、O2等參數，當頂部采空區CO降為0或穩定到10×10-6以下，并且O2濃度低于7%時，可以停止注氮。

2.4 巷道破碎煤體注阻化劑

工作面間煤柱下的部分巷道煤幫破碎十分嚴重，長期氧化后有自燃危險。應對所有厚度超過50 cm的松散煤體都進行注阻化防火材料處理。

可選用如下阻化防火材料：①采用15%以上的鹵鹽阻化劑；②水玻璃(7%左右)內加)阻化劑(5%～10%)和氫氧化鈣(3%左右)等合成濃漿；③高分子滅火劑量與水按1∶50～1∶100的比例混合。

處理方式：①人工將阻化劑濃漿澆灌到煤體表面；②采用阻化劑泵將阻化劑溶液注入松散煤體內。

3 下分層采空區自燃預防措施

3.1 工作面兩道封堵

分層開采時采空區自燃危險區域范圍如圖3所示。

圖3 采空區自燃氧化升溫帶范圍剖面示意Fig.3 Section of the spontaneous combustion oxidation heating zone in the goaf

在順槽巷道漏風可控的條件下，下分層工作面前方的上分層采空區存在散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶等“三帶”[6-8]；下分層工作面后方采空區也同樣存在“三帶”。工作面前、后2個氧化升溫帶長度，再加上工作面前后的散熱帶長度之和，即為自燃危險區域長度L。

當工作面在發火期內推進長度超過L時，可以預防煤層自燃。根據目前觀測結果，預計工作面自燃危險區域長度L達到350 m左右。開采煤層自然發火期為39 d，考慮到一定的安全系數實際取35 d，則工作面最小安全推進度為10 m/d，即工作面推進度超過10 m/d時，可以預防煤層自燃。

當工作面推進度小于10 m/d時，需要在工作面兩順槽施工封堵墻。

3.2 噴灑阻化劑

3.2.1 實施阻化劑防滅火技術的條件

滿足下列條件之一，即實施噴灑阻化劑防滅火技術：①當采空區局部地點遺煤厚度超過60 cm，并且工作面推進度小于200 m/月。②當工作面回風隅角檢測到CO濃度超過30×10-6時。

3.2.2 噴灑工藝及位置

由于工作面中部基本沒有遺煤，工作面兩道處采空區局部有遺煤。在工作面設備列車處配備礦用阻化泵，通過高壓膠管將阻化劑溶液輸送到工作面順槽處(兩道遺煤)，向松散煤體上噴灑，噴灑量應足以潤濕松散遺煤。

3.3 采空區開放式注氮防滅火

3.3.1 開放式注氮條件

工作面因推進速度小于200 m/月，且采空區存在遺煤厚度大于60 cm情況；經采空區自燃區域判定和預測，采空區存在自燃危險，需要注氮時；工作面上隅角或采空區出現CO，且呈連續上升趨勢，其濃度達到30×10-6以上時。

3.3.2 注氮管路敷設

采空區進風側，深入切頂線以內20～60 m區域預埋注氮管路(4寸)，當管口進入采空區20 m時開始注氮；工作面推進40 m左右時，埋入下一個注氮管；當上一個注氮口進入采空區60 m時，更換為下一個注氮口注氮，管路敷設如圖4所示。

圖4 采空區主管-支管埋管敷設方案示意Fig.4 Buried pipe scheme of main pipe and branch pipe in goaf

3.3.3 注氮監測

每日3班派人在工作面隅角進行檢查，發現O2<19%時，立即撤出人員，減小注氮量或停止注氮，待風流中O2>19%時方可恢復工作。

3.4 灌漿防滅火

東川煤礦下分層采空區一般情況下遺煤厚度小，工作面推進速度快，通常不會發生煤層自燃，因此正常生產條件下不必灌漿。對于局部遺煤堆積厚度大的區域，當工作面推進速度小于200 m/月時考慮注漿。

東川煤礦煤層以常溫為起始溫度的實驗自然發火期為39 d。起慮到一定的安全系數，每隔30 d注一次漿，形成膠體隔離帶。注漿口位置處于遺煤較多的兩道，注漿量以覆蓋遺煤為限。經計算，每次注漿量約200 m3，即工作面每側注漿200 m3，兩側共注漿400 m3。

由于水中加入1 m3黃土其體積增加約0.4 m3，按照土水比1∶3計算，每次灌漿需要黃土約60 m3，水約175 m3。工作面兩側共需黃土120 m3，用水量合計350 m3。按照灌漿能力為30 m3/h計算，采空區每側隔離帶灌漿7 h即可，兩側共需注漿約14 h。

4 防火效果分析

在5103下分層回采過程中，通過采取上、下分層針對性的預防煤層火災的措施[9-10]，監測監控系統的CO傳感器及溫度傳感器等均未超限，在正常范圍值內。因此，采取的防滅火措施可以有效預防煤層自燃。

通過束管監測系統每日的報表顯示，自然發火標志性氣體(CO氣體及烷烯烴等)均未出現，因此，采空區未出現發火征兆。

每周通過人工采樣對密閉進行氣樣分析，密閉墻內未出現自然發火標志性氣體，溫度在正常范圍內。因此，采取的防滅火措施有效可行。

5 結論

(1)根據分層開采工作面防火的重點區域及時間，采用頂部采空區漏風通道封堵、頂部采空區順槽側注復合膠體、頂部采空區注氮、巷道破碎煤體注阻化劑等預防上分層火災的措施，與工作面兩道封堵、灌漿、噴灑阻化劑、注氮等預防下分層火災的措施相結合。

(2)分析監測監控、束管監測系統及人工采樣的自然發火標志性氣體，得出采空區未出現發火征兆，采取的防滅火措施合理可行。

(3)分層預防煤層自燃的效果和經驗，可以為本礦其他分層開采工作面及同類分層開采礦井特厚煤層防火提供參考。