煤礦采空區自然發火預防措施的探討與實踐

文/孫學東

礦井火情火災是威脅煤礦安全生產的五大災害之一。據統計，礦井火災中自燃火災占礦井火災總數的90%～94%，全國重點煤礦具有自然發火風險的礦井約占47%，且大部分自然發火都發生在采空區附近。因此，要深入分析開采工作面采空區自然發火規律，并采取有針對性的防滅火措施。開灤集團承德興隆礦業有限責任公司根據1303綜合放頂煤采煤工作面采空區自然發火特點，通過深入分析實踐，探索出了預防采空區自然發火、提高工作面安全水平的具體路徑，取得了顯著成效。

一、工作面概況

1303采煤工作面位于興隆礦業一水平東一盤區1號煤層，東至井田邊界，西接礦井開拓大巷，北臨1305掘進工作面，下部暫無采掘工程。1303采煤工作面傾向長度為250m、走向長度2400m，煤層傾角小于8°，煤層厚度為25.2m，煤層平均埋深325m，采用綜合放頂煤開采，采高5.5m，放煤高度20.35m，采放比為1∶3.7。煤塵具有爆炸性，屬于二類自燃煤層，煤層自然發火期為60天。

二、主要預防措施

針對工作面采空區自然發火規律，需采取有效的安全預防與防滅火治理措施，一般采用監測監控系統、采空區注氮、采空區灌漿、均壓滅火、阻化劑防火等綜合防滅火技術措施進行預防和治理。

1.建立火災監測監控系統

開采容易自燃和自燃煤層的礦井，必須建立自然發火束管監測系統，并輔以人工采樣監測的方式，隨時監測相關地點的自然發火情況，時刻掌握防止自然發火的主動權。

束管監測系統，是目前最主流的連續自動分析系統，分正壓輸送氣樣和負壓輸送氣樣兩種方式，其中正壓束管能夠降低管路漏氣、進水等影響氣樣采集的不利因素，技術優勢較為明顯。束管監測系統將井下監測點氣體取樣輸送至氣樣分析室，然后再利用色譜分析儀對氣樣進行分析，得出甲烷、一氧化碳、氧氣、乙烯、乙炔、二氧化碳等氣體的濃度，根據數據分析的結果對相應地點的煤的自然發火階段作出判斷。具體來說，在1303采煤工作面回風隅角端頭支架后側、隅角風障前側，距底板1.8m處布置一趟單芯束管，此束管與端頭支架一同固定，隨支架移動而移動；在工作面回風順槽布置一趟用鐵管保護的三芯束管，其上布置三個監測點，每個監測點相距40m。隨著采煤工作面不斷回采，預設的三個監測點依次進入采空區，當預設的第一個監測點監測的氧氣濃度降低到5%以下時，斷開第一個監測點，同時在第三個監測點向外40m處重新布置新的監測點。依此測點布置方式循環布置，直到采煤工作面回采結束。

人工監測，即每班安排專人對采煤工作面、回風隅角，以及支架后部的采空區，每隔10架支架進行監測并記錄，建立數據庫，并對數據進行分析，發現異常及時反饋。

2.采取采空區注氮預防措施

采空區注氮防火是指將氮氣注入采空區或者火區，起到惰化作用，阻止煤炭氧化自燃，提高采空區的相對壓力，使采空區呈正壓狀態來防止新鮮風流流入，降低采空區溫度來阻止采空區煤炭氧化升溫，從而防止煤炭自然發火。

1303工作面采空區注氮管路以1303采煤工作面進風順槽開始，一直布置到工作面。注氮管路采用直徑為100mm的鐵管，再利用軟管與直徑108mm的內絲套管相連，并將套管從工作面切眼外25m處埋入，套管與接頭相連接；氮氣釋放口采用金屬花管與套管相連接，金屬花管與底板垂直布置。當工作面向外回采50m時，啟動1號套管注氮；當工作面繼續推進到75m時鋪設2號套管，原理同上；當采煤工作面繼續推進到100m時，此時應停止1號套管注氮，2號套管開始注氮。依上所述，采煤工作面每推進50m，關閉前一個注氮口、開啟下一個注氮口，直到工作面回采完畢。

注入氮氣的流量：按照采空區氧化帶漏風量取12m3/min，注入惰性氣體的防火惰化指標可取7%，采空區氧化帶內的原始氧濃度取平均值14%，注入惰性氣體純度為97%，考慮到1.5的備用系數，經計算，1303綜放工作面注氮量為1890m3/h。

3.采取均壓防火技術預防措施

均壓防火技術是指通過設置調壓或者調整通風系統，改變井下巷道中空氣的壓力分布狀態，達到抑制煤炭自然發火的目的。根據均壓區是否封閉，分為閉區均壓和開區均壓兩種方式。

1303工作面采取開區均壓的方式，在工作面建立了均壓系統，在保證工作面所需要的風量條件下，對風量進行適當調節。主要的措施為調節風窗均壓，減少向采空區漏風，抑制煤炭自然發火。

4.采取注漿防滅火預防措施

注漿防滅火就是在地面建立注漿站，將不可燃性注漿原料（黏土、粉煤灰、砂等固體材料）細粒化后，與水按照一定配比制成懸浮液，利用靜壓或者動壓，通過鉆孔或者輸漿管路水力輸送至礦井的防火區域，以阻止煤炭氧化或撲滅自燃煤體的一種防滅火方式。

1303工作面采用的是隨采隨注埋管注漿的防滅火方式，即隨著采面工作面的不斷推進，同時向有發火危險的采空區注漿。這種隨采隨注的注漿方法，不僅能有效地防止采空區煤炭自燃，還能膠結采空區冒落的矸石，形成再生頂板，為下分層開采創造條件。

具體步驟：在13 03采煤工作面放頂煤之前，沿回風順槽在采空區預先布置好注漿管路，一般預埋10～15m，預埋管路一端通向采空區，另一端接膠管連接主管路上的三通閥。膠管一般長20～30m，放煤后開始注漿。與此同時，在三通閥的另一出口接出一段灑漿軟管，漿管沿傾斜方向向采空區均壓噴灑預制好的泥漿。噴灑泥漿量要充分，要求泥漿能把采空區冒落的矸石全部包圍。

5.采取阻化劑防火預防措施

阻化劑是一種阻止煤炭氧化自燃的化學物質，又叫阻氧劑。阻化劑防火就是將阻化劑噴灑于采空區或者壓注煤體內，抑制或延緩煤炭的氧化，達到防止煤炭自燃的目的。

1303采面工作面在每班割煤前，把配置好的濃度為20%的氯化鈣阻化劑溶液用噴槍從機頭到機尾向采空區噴灑。每個噴灑點間隔10m，噴灑時間不少于10min，噴灑流量不小于35L/min，并對采煤工作面上、下隅角進行全面覆蓋，以達到防火效果。

6.提高放頂煤工作面的采出率

對于采空區來說，遺煤越多，發生自燃的幾率就越大，通過提高放頂煤工作面的采出率可以有效地減少采空區遺煤，從根本上降低煤炭自然發火。因此，1303采煤工作面通過合理提高工作面的采出率，減少采空區遺煤，從根本上防治采空區火災。

三、實施成效

興隆礦業通過實施采空區自然發火超前預防舉措，獲得了顯著效果。應用束管監測系統，不僅實現了連續自動監測煤炭自然發火情況，還能隨時提供相關地點自然發火的過程動態信息，掌握了防治采空區自然發火的主動權。通過采空區注氮，發揮氮氣惰性作用，有效阻止了采空區煤炭自燃。實施均壓防火，降低了采空區與工作面兩側的風壓差，減少了向采空區漏風，達到了預防和消除火災的目的。

礦井自燃火災防治是一項長期的系統性工程，一方面要科學地預防和處理采空區自然發火，另一方面要注重采空區防滅火措施的合理性。隨著科學技術的發展，采空區防滅火技術不斷更新與進步，而無論采用哪種防滅火技術，原理都是抑制采空區遺煤氧化。積極主動地采取有效的防滅火措施，充分發揮主觀能動性是成功防止采空區自然發火的關鍵。通過建立火災監測監控系統，實施采空區注氮、采空區注漿、均壓滅火等手段，可以做到安全第一、預防為主、防治結合，確保煤炭企業安全生產和高質量發展。