不穩定中厚煤層綜放工作面綜合防火技術實踐

王少東

（中煤資源發展集團有限公司 河南鄭州 450000）

0 引言

礦井火災一直是煤礦重大災害類型之一［1］。對于存在自然發火傾向性的煤層，煤層自然火災影響最為嚴重，因其防治周期長、成效慢、危害大、成本高等因素，成為礦井防災減災面臨的主要問題［2］。煤層自燃除了和煤層自燃傾向性有關，還和開拓開采布置、采煤工藝、通風方式等技術條件有關［3］。

綜合機械化放頂煤開采方法具有機械化程度高、產量高、綜合效益好等諸多優點被廣泛應用。但由于綜放工作面推進速度快、放頂煤不充分、采空區管理難度大、煤層賦存不穩定等因素存在，給煤層自然發火提供空間條件［4］。鄭州礦區主采二1 煤層為不穩定煤層，煤層賦存厚度及煤層夾矸等情況復雜多變，在綜放條件下往往造成放煤不充分，采空區留煤量不均衡且難以估算，給工作面防自然發火帶來較大困難。據統計，鄭州礦區自綜放開采以來，已經發生數百起不同程度的自然火災事故，嚴重制約著礦井的安全生產。基于煤層賦存條件的復雜性和綜放工作面生產工藝的特殊性以及煤層自然發火防治的艱難程度，有必要對其采取綜合的防治措施，提高綜放開采工作面的安全性［5］。

本文以鄭州礦區某礦井綜放工作面綜合防治煤層自然發火技術措施為例，介紹了不同發火因素下最經濟、最有效的技術對策，為類似礦井提供措施參考。

1 綜放工作面煤層自然發火隱患分析

1.1 工作面概況

鄭州礦區主采的二1 煤層為典型的三軟煤層，且受滑動構造影響，煤層賦存不穩定，煤層傾角變化大，煤層加矸較多且不穩定，煤層回采率較低，采空區丟煤是造成煤層自然發火的主要因素。礦井主采二1 煤層屬Ⅱ類自然煤層，發火期為2～4個月。23052 工作面采用綜合機械化采煤放頂煤工藝，煤層平均厚度2.6 m～8.5 m，煤層夾矸呈不均勻分布，夾矸厚度0 m～1.8 m，煤層傾角12°～16°，工作面最大割煤高度3.0 m，最大放煤高度5.5 m，采放比為1∶1.8。工作面西部為采空區，東部為采區3 條下山巷道，北部為工作面采空區，南部為采區聯絡大巷及斷層停采線，斷層最大落差40 m，長度352 m，工作面內賦存4 條落差小于5 m 正斷層。采煤過程中丟煤多且封閉性差，存在煤層自然發火隱患，如圖1 所示。

圖1 工作面位置及構造

1.2 工作面煤層自燃隱患分析

工作面回采推進后，在采空區殘留下的煤炭會發生氧化反應，由于采空區瓦斯和其他氣體的不斷涌出會降低氧氣濃度，進而影響煤的氧化速率。但由于工作面的開放性，工作面通風或者漏風會補給采空區氧氣。受工作面推進速度、采空區丟煤率、工作面漏風情況以及煤層頂底板巖性等因素影響，在采空區空間位置上存在煤層自然發火的“三帶”。對于U 型通風系統，靠近工作面的采空區由于冒落的巖層處于自由堆積狀態，其空隙大，漏風大，散熱快，此區域煤炭很難自燃，故叫作散熱帶；隨著采空區與工作面的距離增加，冒落巖石經過巖層壓力后，空隙變小，漏風減少，儲熱條件較好，如果此條帶存在的時間超過煤層自然發火期，就可能自燃，故此條帶稱為自燃帶。自燃帶以內冒落的巖層處于重新壓實區域，漏風小、甚至消失，氧氣濃度低，煤層不具備自燃條件，故此區域稱為窒息帶。

23052 工作面采用綜放工藝，由于煤層賦存不穩定、夾矸厚度大等因素造成回采率低；工作面過斷層丟煤較多；工作面受瓦斯賦存、地質構造和煤層賦存條件影響，推進速度慢，月平均推進34 m，容易造成采空區發火［6］。經埋管測試，在現有采煤工藝以及瓦斯地質條件下23052 工作面采空區內散熱帶、自燃氧化帶和窒息帶寬度分別為8 m～12 m、12 m～45 m 和0 m～45 m。

2 工作面綜合防火技術措施

2.1 工作面采空區防漏風措施

為了改變工作面區域風壓分布，降低漏風壓差，工作面生產期間在上下隅角每隔15 m 砌筑一道隔離墻，墻體厚度800 mm，采用雙層沙袋堆放而成，墻面噴漿處理。采空區周圍巷道采用加強支護和噴漿處理，如圖2 所示。

圖2 工作面隅角隔離墻及注漿管示意圖

2.2 采空區注漿填堵措施

采空區注漿、灌漿措施是常用的防止煤層自然發火的技術措施，利用固體材料與水混合后增加其流動性，用泵送技術將漿液灌注采空區內，填實采空區空間，減少漏風并降低采空區溫度的一種有效的防火技術措施。

一般情況下，煤礦周邊的黃土資源較為豐富，且物理性質滿足注漿材料的要求，是制備漿液的有利原材料，經鏟車取土過篩后與礦區水資源配比可直接使用。除黃土以外，礦渣、煤灰、尾礦、矸石等材料也是制備漿液的可選材料。由于黃土取材方便、成本低廉，黃泥灌漿是礦井常用的一種防滅火措施。漿液為黃土與水按一定比例調配而成，再利用高壓注漿泵或落差靜壓由管道壓入采空區，對浮煤和留設煤柱縫隙進行包裹覆蓋。黃泥漿液具有濕潤煤體、吸收熱量和阻止煤炭氧化3大特點，可以在根本上對采空區煤體自然發火進行有效防治。但在選取材料時必須遵循以下要求：①所選材料為不可燃且不含助燃成分；②材料顆粒直徑小于2 mm；③易脫水，且要有一定的穩定性；④易與水混合，在運輸中不易對管路造成堵塞；⑤便于開采、運輸和制備，易獲取且成本低廉。

23052 工作面采空區注漿固體材料為黃土和細顆粒礦渣混合料，水料比為4∶1，阻燃劑為MgCl2，濃度2.4 kg/m3。漿液地面配制，利用靜壓方式向工作面送漿。注漿管沿工作面上付巷敷設，管規格為Ф133 mm×5 mm 無縫專用注漿鋼管，每隔100 m設置一個花蘭并配制三通，注漿管經隅角防漏墻埋入采空區13 m，注入采空區后經自流填充至工作面下隅角處，隨工作面邊采邊注，如圖2 所示。

根據工作面采高和推進速度，適當調整工作面注漿倍線和材料用量等參數。注漿倍線按式（1）計算，注漿填充材料用量按式（2）計算。

式中：N 為注漿倍線；L1為進漿管口至注漿點的距離，m；H1為進漿管口至注漿點的高差，m；Q 為每天注漿用料量，m3/d；K 為注漿系數，鄭州礦區取0.011～0.032；L 為工作面日推進長度，m；H 為注漿區傾斜長度，m；M 為采高，m。

2.3 沿空巷道強支護措施

23052 工作面下付巷為沿空送巷。受工作面采動影響，下付巷區域應力較大，頂底板位移變形量大，巷道與采空區直接連通。為了減少向采空區漏風，加強了巷道支護方式，支護類型為“U 型鋼+錨網噴漿”支護。其中噴漿液中添加了含量為1.5 kg/m3的聚丙烯纖維，增強了噴漿層的強度和韌性，減少裂隙，降低漏風率。

2.4 下隅角噴射阻化劑

礦用阻化劑是一種阻止煤炭氧化的化學材料，將阻化劑噴灑在煤炭表面后，在煤顆粒表面形成一層保護膜，隔絕煤炭和氧氣，起到阻止氧化的作用。采用阻化劑防止煤層自燃技術是當前礦井防滅火技術中較為常用的一種技術方法。常用礦用阻化劑有以下4 類：①氯鹽類阻化劑，吸水能力強，通過吸收空氣中的水分，使煤表面形成水膜層隔絕氧氣，同時降低煤溫度，減小煤氧化過程中的升溫速率，阻止煤氧化進程；②銨鹽類阻化劑，遇到煤自燃發熱后進行分解，吸收熱量并生成氨氣和二氧化碳，降低煤體周圍的氧氣濃度，并降低煤的氧化速率，抑制煤的氧化過程；③堿類阻化劑，目前在煤礦中經常使用氫氧化鈣作為阻化劑；④粉末惰化阻化劑，此類阻化劑能夠受熱分解生成惰性氣體，對煤氧化過程中的自由基鏈鎖反應能夠起到阻化作用，生成的水吸熱汽化。同時阻化劑分解過程會吸熱，能快速降低煤體溫度。阻化劑分解后的殘留物附在煤表面形成一層薄膜，當溫度下降到一定值時會變成脆性覆蓋物，能夠隔離煤氧接觸，防止煤體再次發生自燃。

阻化劑防滅火技術并是萬能的。要根據礦井實際情況，采用合適的防滅火技術措施。23052 工作面采用濃度為20%的MgCl2溶液作為阻化劑。噴射地點位于工作面下隅角采煤機架后側，噴射霧狀阻化劑并隨風進入采空區內部，濕潤采空區留煤。設備由注射泵和噴射水槍組成，注射壓力0.5 MPa～1.0 MPa，噴射霧劑直徑為3.0 m～3.5 m。工作面拉架時加大噴霧劑量。

2.5 沿空鉆孔注膠措施

23052 工作面下付巷雖然加強了支護封閉措施，但受采動影響以及工作面生產期間下隅角循環管控作業影響，不能保證對采空區的全部封閉。為了確保工作面沿空區域封閉效果和減少發火危害，沿工作面下付巷進行束管取樣分析沿空區CO 濃度，對于超標地點，進行鉆孔注膠封堵措施施工。鉆孔直徑74 mm，孔深15 m，鉆孔間距10 m，控制超標點上下側各15 m范圍。注膠材料為水、泡花堿和碳酸氫鈉混凝溶液，比例為80∶14∶6。

2.6 工作面綜合監控措施

監測監控時工作面是安全生產過程中的重要安全保障措施之一。通過在施工過程中進行施工環境的監測并及時反饋與預報信息，能很好地指導現場作業，確保工作面施工安全。同時利用監測數據，結合綜合地質條件和開采工藝等因素，對工作面煤層自然發火進行動態分析和研判，為工作面及采空區煤層自然發火防治提供重要指導。

根據23052 工作面采掘布置、采掘工藝和地質構造等情況，對工作面采空區留煤多和漏風嚴重地段進行重點監測監控。根據設計，在工作面回風隅角、工作面上切口外側和上付巷回風口里側安設CO 傳感器和溫度傳感器，并連接礦井安全監測系統，進行不間斷監測。監測結果采取預警報告和日常分析相結合的方式；對于出現CO 和溫度超標數據及時采取措施；日常分析包含對CO、CO2、O2、N2、CH4和溫度等監測數據的變化趨勢，結合采掘活動及通風數據進行綜合分析，針對分析結果采取措施。

2.7 工作面特殊期防火措施

工作面特殊時期主要是指工作面在遇到特殊地質條件或特殊老巷、采空區或停采線期間甚至是外因引起的工作面停止生產或生產推進速度較慢的時期。因前述因素影響工作面采空區暴露時間長，容易引起煤層自然發火。23052 工作面的特殊時期主要有工作面過斷層、停采和采煤末期3 個方面的因素。

（1）過斷層期間。加強斷層附近巷道支護管理，采取監測監控措施，及時封堵采空區漏風；工作面過斷層期間，提前斷層20 m、延后斷層后30 m 范圍內，隅角防漏墻加密至每10 m一組；工作面過斷層前20 m 在上下隅角提前埋管注漿，直至過斷層后30 m 范圍均應加強注漿；加強回采管理，降低過斷層期間的丟煤率，保持正常推進速度。

（2）工作面停采期間。工作面停采期間連續斷監測監控，停采后立刻對工作面切眼和銅室噴灑阻化劑，砌筑隅角防漏墻并噴漿密閉；上隅角埋管注漿量充分，并根據隅角氣體監測情況實施反復注漿措施；根據工作面氣體監測情況適當調整工作面供風量；工作面回撤期間，應加強管理，提高回撤效率，保證45 d 內回撤完畢。

（3）工作面采煤末期。在停采線以里50 m 范圍加強防火管控。進行反復注漿保證充足注漿量，注漿量為正常回采期間注漿量的1.2 倍～1.5 倍；加大下隅角阻化劑噴射量至1.5 倍；隅角防漏墻間距改為10 m；下付巷加強支護管理，針對裂隙發育地段進行二次噴漿等措施；加大臨空區注膠量1.5 倍；工作面回撤后5 d 內對工作面進行永久密閉，并加強管理。

3 綜合防火措施效果

統計工作面生產前期未采取防火措施、采取綜合防火措施后隅角和工作面CO 涌出量，經計算發現，采取綜合防火技術措施后，隅角CO 涌出量下降了77%，如圖3 所示；工作面CO 涌出量下降了75%，如圖4 所示。

圖3 工作面上隅角CO 濃度變化情況

圖4 工作面回風流CO 濃度變化情況

4 結語

（1）對于存在自然發火危險的中厚不穩定煤層，應采取積極的防煤層自然發火措施，措施類型包含局部措施和綜合措施2 種。應對工作面影響煤層自然發火的因素進行分析，在此基礎上合理選擇防火措施。特別是地質條件復雜造成回采率低的工作面，采空區防火是關鍵。

（2）對工作面過斷層、老巷、采空區、密閉等特殊時期，采取“少丟煤、強支護、嚴密閉、重監測監控”等綜合的技術管理手段。