株柏煤礦急傾斜煤層采空區防滅火技術研究

蘇利國，夏文營，王自波，王運動，史志軍

（臨礦集團東山礦業有限責任公司株柏煤礦，山東 臨沂 276112）

0 引言

我國煤炭資源豐富，在全球占有重要地位，資源總量居世界第二[1]。有關研究預測表明，至2050年煤炭在我國能源中的比例仍能達到50%左右，依然占據主導地位[2]。隨著我國煤炭開采技術不斷發展，勞動生產率大幅提高[3]，但煤礦安全形勢依然嚴峻，尤其經過多年開發，淺部煤炭資源已近枯竭，煤炭開采開始向深部轉移[4]。深部煤層開采具有高地溫、高巖溶水壓、高地應力、強擾動等顯著地質特征[5]，對煤炭資源的安全回采構成威脅，極易誘發生產事故，嚴重危害作業人員安全，阻礙煤礦綠色高效開采的發展進程[6]。

煤炭自然發火是深部礦井生產過程中的主要災害之一[7]。根據煤炭傾角的不同，可以將其分為水平、緩傾斜及傾斜煤層三類[8]。與水平煤層和緩傾斜煤層相比，急傾斜煤層傾角大，工作面留設保護煤柱較少，致使采空區易與外界形成裂隙通道，使得開采過程中更易誘發煤炭自燃[9]。隨著開采工作不斷進行，采空區范圍擴增，空室體積加大，漏風量增加，遺留煤柱自然發火傾向越趨嚴重[10]，威脅礦井的安全生產。所以要從根本上消除誘發煤礦火災事故的隱蔽致災因素，解決煤礦火災問題，需結合礦井實際以及生產實際，制定相應的應急防控方案，以保障礦井工作人員的安全，維持煤礦的正常安全生產作業，進而最大程度降低災害事故造成的經濟損失[11，12]。

株柏煤礦十三采區31306工作面所在煤層屬Ⅱ類自燃煤層，自然發火期為83 d，自然發火可能性較大。為保障31306工作面回采期間的安全，降低或消除煤層自然發火的潛在誘因，本文對株柏煤礦十三采區31306工作面采空區火災監測系統及防滅火技術進行研究。

1 工程概況

1.1 十三采區概況

東山礦業有限責任公司株柏煤礦駐地位于山東省臨沂市郯城縣，行政區劃歸李莊鎮管轄。礦區地理經緯坐標范圍118°20′19″E～118°22′02″E、34°47′42″N～34°50′25″N，區域南北長約4.2 km，東西寬約0.36～2.6 km，總面積約5.37 km2。

株柏煤礦回采十三采區的地質構造類型屬于單斜構造，走向大致呈近南北方向，傾向東。開采煤層為山西組2煤和3煤，煤層傾角起伏較大，一般處于25°～65°之間，平均約45°，屬急傾斜煤層。根據相關地質條件勘察資料，確定十三采區水文地質條件類型屬于中等類型，為裂隙充水礦床。本區預計正常涌水量為233.73 m3/h，最大涌水量為278.14 m3/h。

株柏煤礦井田開拓方式為立井開拓，上下水平之間采用暗斜井進行延深開拓，采用柔性掩護支架采煤法。當前，礦井所用通風方式為中央邊界式、抽出式，由東立井進風，西立井輔助少量進風，專用回風井回風，風井設有2臺FBCDZNO.22/2×110型軸流式通風機，1臺工作，1臺備用。掘進作業中采用風鉆濕式設備打眼，爆破落煤（巖），挖掘式裝載機裝（煤）巖，運輸設備采用標準載重為1 t的礦車。對于上山運輸采用串車提升的方式，對于平巷運輸采用電瓶車進行牽引。

1.2 31306工作面概況

31306工作面位于十三采區北翼-849.0～-816.5 m區段，南部以留設的十三采區主、副下山保護煤柱線為界，北部邊界延伸至DF17斷層保護煤柱線處。31306工作面南部為相鄰十二采區，距離該工作面所處十三采區較遠，目前處于正在回采的狀態；北部九采區現已停止掘進，西部31302工作面已回采結束，東部為尚未進行采掘的區域。

工作面設計開采煤層為二疊系山西組3煤。通過對十三采區地質資料和31306工作面回采資料進行總結分析可知，工作面范圍內3煤賦存較為穩定，煤種為肥煤，普氏硬度f=1，具有條帶狀結構，節理較發育。煤層多屬低灰～中灰，特低硫、低磷，發熱量高。工作面內煤厚約2.81～3.45 m，平均為3.13 m，直接頂主要為砂質泥頁巖，無偽頂，屬2類直接頂，平均厚8.0 m，硬度較大，水平層理發育；基本頂主要為粉細砂巖，屬Ⅱ級基本頂，平均厚度3.34 m，水平層理發育。偽底主要為炭質泥巖，局部為粘土巖，平均厚0.4 m。基本底為灰色砂巖，成分以石英為主，砂泥質膠結，局部含泥礫，屬Ⅳ類底板，平均厚度35.73 m。含煤地層柱狀圖（部分）如圖1所示。

圖1 工作面地層柱狀圖（部分）

2 誘發采空區火災的關鍵因素

基于對株柏煤礦地質資料及防滅火資料的分析，可以明確31306工作面采空區火災頻發的主要原因在于煤的自燃，同時存在瓦斯、廢棄材料等引發的火災。具體原因分析如下：

1）采空區存在數量較多的遺煤，且未能及時封閉采空區或封閉不嚴導致進風較多，煤體氧化，容易發生自燃；

2）瓦斯在采空區或工作面隅角處積聚，當積聚濃度達到爆炸條件后爆炸起火；

3）工作面回采過程中所用可燃材料在廢棄后丟進采空區，經長時間氧化自然發火；

4）采煤工作面停采線和開切眼附近，由于浮煤大量堆積，長時間經受風流的氧化，容易發生自燃；

5）保護煤柱在采動壓力和地應力耦合作用下易被壓裂，發生破碎和坍塌，形成大量堆積浮煤，形成煤體自燃的基本條件。

3 采空區火災預測預報監控系統

為對采空區自然發火災情進行全方位的監測，采取束管監測系統、安全監測監控系統和人工監測等手段，構建礦井自然發火預測預報監控系統，對采空區自然發火趨勢進行及時有效的監測、反饋和處置。

3.1 束管監測預報系統

礦井采空區及巷道裝備有KSS-200C型、JSG6N型2套火災束管監測預報系統，主要用于對井下采空區氣體成份的分析，實現CO、CO2、CH4、O2、N2、C2H2、C2H4、C2H6（計算值）氣體含量的監測監控，對其含量變化情況進行實時預測。束管監測點設置在工作面上隅角及采空區，對井下采空區等相對密閉空間內的氣體進行采集、分析和監測。系統監測點布置如圖2所示。

圖2 工作面測點布置

該系統采用高精度、低漂移的氣體分析儀，能夠在早期監測到自燃的臨界點。系統在地面中心站設有監測控制工控機，工控機可實現對所有設備的控制以及采樣氣體分析結果的輸出和存儲。

KSS-200C型火災束管監測預報系統包括地面抽氣泵、氣體采用控制柜、束管專用色譜儀、分析儀器柜、雙通道24位A/D轉換器、8路輸出控制柜、工控機及相應軟件等。另外，井筒及井下巷道需敷設抽氣束管，并配置分路器對束管進行分支。JSG6N型火災束管監測預報系統配接KXH12礦用本安型PLC控制箱、BQM80氣體采樣泵、485總線設備等，該系統由PLC對進樣點控制，每次進行單點單路進樣，進樣時間可設置，逐點循環。樣氣的抽取通過外置大功率真空泵進行，分析點樣氣通過三通分流，一部分直接由真空泵排空，分析部分通過電磁閥控制進入預處理單元。分析樣氣進入預處理單元后先通過汽水分離器除水除塵，然后進入冷凝器除濕，最后進入干燥罐干燥處理，干燥后的樣氣經過濕度確認后進入氣體分析儀。分析后的樣氣進入穩壓罐匯總，由真空泵排空。

3.2 安全監控系統

礦井安裝有KJ70X型安全監測系統，該系統為自然發火監測的輔助系統。利用該系統的一氧化碳傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器對井下觀測點的觀測內容進行24 h監測，一旦氣體超限或溫度超高，能及時反饋到安全監控系統上，便于采取相應措施對突發情況進行應急處理。該系統布置位置及相應的用途說明如下：

1）采煤工作面回風巷：布置在回風巷距離回風出口10～15m處，用于防滅火預測預報；

2）皮帶運輸巷：在帶式輸送機滾筒下風側10～15 m處安設煙霧傳感器，主要用于皮帶運輸巷皮帶著火的防滅火預測預報。

3.3 人工檢測

人工檢測是對煤層自然發火進行監測的重要手段，由人工直接在采掘工作面、各類進回風巷、皮帶巷、機電硐室等處設置的測點進行氣體和溫度檢測，并定期采集氣樣送地面進行氣相色譜分析。此方法實用性較強，投入設備少，簡單易行，但人工取樣工作量大，間隔時間長。

相較于信息系統檢，人工檢測更加靈活、便利，具有更高的適用性，可在不同區域開展防滅火檢測。人工檢測地點及方法如下：

1）采煤工作面回風隅角、回風順槽，掘進工作面迎頭和回風流。瓦斯檢查員每班2次檢查氣體情況，發現CO、O2、CO2或溫度出現異常，增加檢測頻次，并及時匯報；

2）密閉墻觀測孔和防火墻外。瓦斯檢查員每周檢查1次氣體情況，采集氣樣送化驗室化驗分析；

3）采區回風巷、總回風巷。瓦斯檢查員每班檢查1次，若發現異常，采集氣樣送化驗室化驗分析；

4）其他臨時觀測地點，如巷道高冒區、斷層帶附近、自然發火隱患地點等，嚴格按專項防滅火技術措施執行。

4 采空區防滅火措施

工作面不同的推進狀態對采空區自然發火的形成具有不同的影響程度。將回采期間的31306工作面劃分為3個階段：回采前、回采期間和回撤期間。工作面在不同的回采階段采空區內的浮煤厚度、漏風強度和氧氣濃度等參數均會發生變化，采空區自然發火區域也隨之改變，故結合不同回采階段的工程技術特征，針對不同回采階段采空區發火問題，提出相應的防滅火措施。

4.1 工作面回采前防滅火措施

切眼形成后，為避免切眼位置發生自然氧化現象，對切眼處頂板和支架后部煤壁及時采取有效的阻化劑噴灑措施；加強工作面開采期間巷道高冒點、煤體松散區等位置的自然發火隱患監查力度，對存在的發火隱患問題，及時采取快速、有效的處理措施；工作面兩側順槽應高標準遵循滅火器材放置數量及位置規定，保證灑水管路時刻正常供應，確保工作面消防灑水管路正常供水；為杜絕自然發火隱患，應采取合理調整供風量、縮短開切眼位置及兩幫側破碎煤體的氧化時間等措施。

4.2 工作面回采期間采空區防滅火措施

快速的開采速率可有效防止采空區發生浮煤氧化自燃問題。加強采煤管理舉措，實施切實可行的技術方案，提高放煤量，提升頂煤回收率，降低空區遺煤量；統一回收處理施工過程中留下的可燃性材料，以防堆積的可燃性材料發生氧化自燃。基于實際瓦斯涌出量，合理調整工作面通風系統，保證通風系統時刻處于穩定運行狀態；加強并完善上隅角落頂工作，在回撤工作面回風巷超支護前，需及時將支護范圍內巷道頂板支護錨桿、錨索進行退錨處理；正常回采期間，每天開展1次噴灑預防工作，每次噴灑量需大于7.29 kg，依據現場實際情況確定合理的噴灑次數；提前開展注氮預防火災舉措，注氮工作每周進行1次，每次注氮量不得低于300 m3，當回采工作面遇斷層、陷落柱等構造阻滯工作面推進速度時，應合理提高注氮頻次；強化理論研究，對易誘發火災地點進行科學預判，掌握自然發火趨勢，有針對性的采取防控措施。對出現升溫、異味等特殊現象時，瓦斯檢查員應及時向通風管理部門和通風調度中心匯報并采取相應的應急處理方案；回采期間，需對進風巷、回風巷的冒落空洞問題作及時的阻燃性材料填充處理，嚴格執行掛牌管理，定期檢查分析，消除隱患。

4.3 工作面回撤期間采空區防滅火措施

工作面回撤期間，通過合理調整風量的方式來減少采空區漏風，進一步降低遺煤發火的安全隱患，并確保回撤區域內瓦斯、溫度等符合《煤礦安全規程》規定，全斷面封堵工作面上下隅角，保證兩順槽的防火門正常工作；每班次需安排巡檢人員對工作面角落、工作面架間等位置的氣體濃度進行嚴格檢查，做好實時監測和記錄，獲取不同氣體濃度與采空區發生火災等級關聯性，從而做好預測預防工作。完成工作面回撤工作后，需1.5個月內永久封閉與采空區連通的所有巷道。

5 結語

本文分析了株柏煤礦31306工作面采空區火災發生的主要誘因，并結合煤礦實際情況，設計了采空區火災監測系統，對火災發生前后進行全過程檢測；分別有針對性的提出了工作面回采前、回采期間和回撤期間3個階段的采空區防滅火方法，為本礦區及同類型礦井采空區防滅火提供技術參考和借鑒。