高瓦斯礦井開采自燃煤層防滅火方法的研究

李寶生

摘 要 本文論述了高瓦斯礦井陜西崔家溝煤礦開采自燃煤層防滅火的方法，著重介紹了幾種綜合防滅火方法。一般說來，褐煤易于自燃，煙煤中長焰煤危險性最大，貧煤及揮發份含量在12%以下的無煙煤難以自燃。根據煤樣檢驗報告，本井田原煤揮發分為：4-2煤層26.16%;火焰長425mm，煤層為Ⅱ類自然發火煤層。礦井防滅火以“預防為主、防治結合”的方針為指導，結合本礦井的實際情況，積極采用新技術、新設備、新工藝，開拓思路，針對煤礦火災危害，認真分析研究該礦井可能引起火災的各種因素，從提高礦井的防滅火技術、裝備水平及抗災能力出發，完善安全技措工程，建立、健全礦井安全及監測監控系統，從而保障煤礦生產和職工人身安全，防止煤礦火災事故的發生。

關鍵詞 高瓦斯 自燃煤層 防滅火

中圖分類號：TD82 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）06-0106-03

陜西崔家溝煤礦位于陜西省銅川市北西約42km處的焦坪礦區中南部，行政區劃屬銅川市印臺區管轄。礦井北與銅川礦業有限公司玉華煤礦相接，南與銅川礦業有限公司下石節煤礦為鄰。礦井核定生產能力為 1.95Mt/a，剩余服務年限 28a。礦井主要可采煤層為 4-2煤層，為全區可采的較穩定煤層，4-2煤層平均厚度 9.74m。煤炭的自燃能否發生除了取決于煤炭本身內存的物理、化學、力學等性質外，還與地質條件、開拓條件、通風條件等因素密切相關，采空區煤層自燃是由眾多因素共同影響、相互作用的結果。

1 2311綜放工作面概況

2311綜放工作面為崔家溝煤礦二水平三盤區第三個工作面，南至東翼三條集中巷保安煤柱，北部為井田邊界區，西部、東部未采煤區。工作面剩余走向長度回順約1335m（回順聯絡巷起始），運順約862m（運順橫川起始），工作面平均走向長度約862m，傾向長度160m。地面位于礦區三盤區東翼北部，根據崔家溝煤礦井上下對照圖，對應的地表地貌屬黃土覆蓋的丘陵山地，地表無較大的永久性村莊、水體等。地形復雜，山巒起伏，溝壑縱橫，梁、川遍布，坡陡谷深，呈典型的低中山區侵蝕型山岳地貌，以壯年期侵蝕、堆積的山間河（溪）谷地貌為主要特征。溝（河）谷谷底狹窄，多呈“V”形。地面最高海拔1544.6m，最低海拔1330m，相對高差214.1m。

2311工作面所采煤層屬下侏羅系延安組，含四個煤組，自上而下為1、2、3、4號煤組，4-2煤層為可采煤層，賦存較穩定，崔家溝向斜對煤系分布范圍和煤層賦存規律影響較大，工作面位于崔家溝向斜東翼，煤層走向總體呈東西向單斜構造，煤層底板由北向南逐漸增高（906～981m）。由南向北煤層逐漸增厚（9～19m），根據煤厚等值線圖及附近鉆孔資料預測工作面煤層南薄北厚。4-2煤層較硬，即便在褶皺、斷層附近，也未見構造破壞煤。煤的堅固性系數0.8～2.1，大于0.5，抵抗外力破壞的能力較強。根據附近鉆孔資料綜合分析，夾矸1-2層（Ly40孔）、巖性多為泥巖、厚度0.2～0.5m，平均0.4m。煤層傾角約2～10°，平均5.5度。4-2煤層屬中-低灰、特低-低硫、低磷、高熱值、較強-強化學反應性、高熱穩定性、高抗破碎強度、弱結渣、中等軟化溫度灰的富油煤。煤質指標：根據地質條件及崔礦煤質檢測結果表分析，預測本工作面煤質發熱量約5500大卡，灰份10.3%，硫份0.85%，水分2.09%，揮發分28.71%。

2311工作面總體受崔家溝向斜構造控制，工作面位于向斜東翼，煤層走向近東西向，總體呈較寬緩單斜構造，煤層傾角2～10度，平均5.5°。根據2311工作面掘進揭露實測煤層底板等高線以及煤層等厚線圖，運順工作面掘進至550～960m段受成煤期地質構造影響，此區段為無煤段且向回順及西部延伸，造成工作面前、后部區段煤層較穩定，中間變化段煤層厚度變化大且西薄東厚（由0m至約19m），掘進過程通過多次鉆孔探查及資料分析，并使用定向鉆機對該段構造范圍及煤層厚度區域進行圈定;經綜合成果分析，該構造影響走向長度410m，傾向寬度最大約60m;工作面地層不受巖漿巖影響，無煤構造帶對2311工作面后期回采有較大影響。

根據崔家溝煤礦瓦斯地質圖預測本工作面瓦斯絕對涌出量7.4～15.2m3/min。煤層自燃發火傾向性及煤塵爆炸性，4-2號煤層為自燃煤層，發火期一般為3～6個月，最短為31天，根據陜西煤礦安全裝備檢測中心檢測結果，自燃等級Ⅱ級，抑制煤塵爆炸最低巖粉量90%，火焰長度>400mm，煤塵具有爆炸性。

2 2311綜放工作面防滅火

崔家溝煤礦所采的煤層為Ⅱ類自燃煤層，發火期為3～6個月，最短31天。結合崔家溝煤礦現有防滅火手段，2311綜放工作面優先采用注氮氣、注液態二氧化碳防滅火措施，以黃泥灌漿、監測監控、防火門墻、堵漏和預測預報等措施為輔的綜合防滅火措施，確保工作面安全生產。

2.1 注氮防滅火

1.注氮設備。井下東翼4#橫川設置移動制氮站，安裝有1套DTJY-1000型制氮設備，其制氮量為1000m3/h。

2.注氮系統：（管路Φ100 mm鋼管）。2311運順注氮系統：東翼4#橫川制氮站→東翼皮帶巷→2311運順外段→2311運順→采空區。

3.注氮工藝。回采工作面采空區采用埋管注氮，即：工作面運順鋪設一趟Φ100mm注氮管路，當管路埋入采空區10 m時開始注氮，當管路埋入40 m時，開始埋設第二趟管路，當第二趟管路埋入10 m時向采空區注氮，同時停止第一趟管路注氮，這樣循環往復，直至工作面采完為止。

4.注氮方式。回采工作面注氮采用連續性注氮。

2.2 注液態二氧化碳

礦井建立了CPW-2.0礦用移動式液態二氧化碳防滅火裝置，可在井下單獨使用實現惰性降氧，吸熱降溫，吸附阻化等功能，效果極好。

1.灌注時間。24小時連續灌注一天。

2.灌注地點。2311綜放面采空區內約15～60m范圍，灌注設備位于2311回風巷距上隅角約80m處，利用黃泥灌漿管路灌注，2311綜放面采空區埋設三路注液管路，深入采空區15、40、60m處。

3.二氧化碳注入量。采空區灌注二氧化碳為預防性防滅火措施，每旬灌注一次，根據二氧化碳罐的體積與槽車運輸量，灌注量按10噸計。每小時灌注氣態二氧化碳2噸（1罐）計算，按1天灌注完全部液態二氧化碳。每噸液態二氧化碳約600m3，累計可向采空區注二氧化碳氣體6000m3。

4.井下注入口及設備布置。井下注入口選定在2311回順側采空區距工作面80m處。由于二氧化碳比空氣重，可以從上部向下流動。從回風側深部灌注，有利于淹沒采空區氧化升溫帶。根據井下實際情況，二氧化碳槽車放置在回風巷距離工作面約80m處，利用灌漿金屬管路連接到采空區注惰管注液態二氧化碳。

5.井下灌注液態二氧化碳。首先檢查液態二氧化碳滅火裝置出口是否與注二氧化碳管路連接好，井下工作面回風側以外至回風井人員是否已經撤離。當一切準備好后，由救護隊員在回風側液態二氧化碳灌注設備處實施二氧化碳灌注工作。灌注二氧化碳管路通采空區松散體外部接出液閥。灌注初期，關閉該閥門，釋放氣態二氧化碳，提高二氧化碳灌注管路壓力，防止管路中結成干冰。當管路中壓力大于0.8MPa時，由救護隊員打開排液閥，開始向采空區回風側注二氧化碳。液態二氧化碳到達后慢慢打開出液閥，進行液態二氧化碳灌注。

2.3 束管監測

礦井建立了KQF-8型礦用多組份氣體分析束管監測系統，監測路數8路、分析氣體成分8種、分析范圍1ppm-100%、傳輸方式為正壓傳輸、分析時間6-7分鐘/每路。

1.束管布置路線。束管布置路線：三盤區軌道大巷→東翼軌道大巷→2311綜放工作面回順繞道→2311回順→上隅角→2311綜放工作面。

2.束管敷設。上隅角埋設1個采樣頭，在距上隅角10m的回順安設第1個采樣頭，并隨著工作面的推采而移動;隨著工作面的推采，每10m埋設1個。共4路束管通過采樣頭抽取氣樣，對采空區氣體進行自動分析。

3.敷設要求。（1）束管管纜在回風巷上幫敷設，吊掛高度離底板1.7m，每隔3m設置一個吊掛點。（2）管纜吊掛整齊、平行，不得與電纜、電話線等其他線路纏繞。（3）上隅角及采空區的束管在回風巷相對位置較低處各接入儲水器一個。（4）管纜上各接頭要嚴密，保證不漏氣。（5）為提高采樣效果且防止采空區積水堵塞束管，則每個探頭抬高0.3m以上。

4.監測方式。隨著綜采面的推進，傳感器采集、收集采空區信息。待綜采面推進30m后，截斷上隅角束管，重新布置，并安裝傳感過濾器。

5.加強束管監測工作。及時分析采空區氣體成分及其濃度，掌握采空區情況，發現異常及時采取有效措施，防止采空區自燃發火。

6.束管管理。（1）每班安排專人檢查束管管路，發現問題及時處理。（2）上隅角測點采樣器埋設時，人員不得進入采空區，不得在懸掛地點長期逗留。（3）束管必須按要求懸掛到煤壁上，通風科定期檢查懸掛情況。（4）任何人不得隨意拉扯、刮破、隔斷束管管纜。

2.4 2311綜放工作面設置三道防火門

2311運順防火門→位于2311綜放工作面運順停采線以外10m處。

2311回順防火門→位于2311綜放工作面回順停采線以外10m處。

2311泄水巷防火門→位于2311綜放工作面泄水巷停采線以外10m處。

2.5 上下隅角堵漏

隨著工作面的推采，由綜采隊每天對上下隅角進行堵漏，厚度為1m袋子墻，并使用不燃性材料封堵。

2.6 預測預報

根據崔家溝煤礦裝備和技術，利用束管監測系統和在2311工作面回采過程中，瓦斯檢查工每班對2311工作面上隅角及回風巷中的CH4、CO2、CO等氣體濃度和溫度觀測一次，對比數據進行分析，2311工作面在上隅角、工作面或回風巷安裝一氧化碳傳感器，做到及時發現及時處理，防患于未然。

3 安全技術措施

1.將2311綜放工作面作為防火工作重點，特別是把斷層、始采線、終采線、上下煤柱線上下隅角和三角點等地點作為防火檢查重點，加強這些地點檢查力度，回采期間對回風隅角的CH4、CO2、CO、溫度、漏風情況進行詳細檢查，發現問題及時匯報調度;當該區域內出現自然發火可疑地點。

2.該區域發現煤層自然發火可疑點后，安排人員每天取氣樣，進行色譜分析，收集數據，分析發火趨勢;對于該區域的自然發火、瓦斯涌出情況，組織進行認真分析，以便采取有效的防滅火、防瓦斯措施;保證通風系統穩定可靠。

3.生產單位負責該工作面回順、運順供水系統可靠，根據需要及時設置三通閥門，以便隨時注水，保證注水量充足;回采期間2311綜放工作面回順、運順必須形成有足夠排水能力，排水系統完善可靠;工作面停采后，要及時回撤，保證頂板垮落，冒落嚴實;工作面封閉后，對停采線加強灌漿;2311綜放工作面的工作人員必須熟知該系統的避災路線以及基本防滅火知識。

4.嚴格按配風計劃配風。采面配風穩定可靠，減少采空區漏風。提高放頂煤回收率，減少采空區遺煤，且浮煤清理干凈。加快采面上下隅角放頂、封堵、回收木料工作，減少發火隱患。

5.2311運順皮帶運輸機巷中，消防管路每隔50m設置一閥門和三通，并備有消防軟管和器材;其它巷道中，消防管路每隔100m設置一閥門和三通;皮帶運輸機必須使用阻燃膠帶。皮帶運輸機要使用有防煙霧、撕裂、跑偏和溫度監測等功能的綜合保護裝置，及時清理滾筒下的浮煤和積煤，托輥轉動靈活，嚴禁重載啟動;采煤結束后必須在45d內進行永久性封閉。

4 外因火災防滅火安全技術措施

1.皮帶輸送機必須保護齊全可靠，使用阻燃皮帶，皮帶托輥保持運轉靈活，浮煤隨時清理，嚴禁托皮帶。皮帶安裝可靠，定期升井處理。

2.井下禁止使用汽油、煤油。井下使用的潤滑油、棉紗等必須在蓋嚴的鐵桶內存放，用過以后不得亂扔、亂放、亂倒。

3.電氣設備在使用中應保持良好的防爆、防火花性能。電纜接頭嚴禁有“羊尾巴”“雞爪子”“明接頭”。

4.外因火災滅火措施：礦值班調度和在現場的隊長、班組長應當依照災害預防和處理計劃的規定，將所有可能受火災威脅區域中的人員撤離，并組織人員滅火。電氣設備著火時，應當首先切斷其電源;在切斷電源前，必須使用不導電的滅火器材進行滅火。

5 結語

崔家溝煤礦2311綜放工作面采用以注氮氣、注液態二氧化碳為主，黃泥灌漿、監測監控、防火門墻、堵漏和預測預報為輔的綜合防滅火措施，主要防滅火方面投入安裝有1套DTJY-1000型制氮設備，其制氮量為1000m3/h和CPW-2.0礦用移動式液態二氧化碳防滅火裝置，豐富了綜放工作面的防滅火方法，實現了高瓦斯礦井開采自燃煤層不出現自然發火事故和瓦斯事故，為高瓦斯礦井開采自燃煤層防滅火方法提供了事實依據。