煤礦孤島煤柱掘進回采綜合防滅火技術的應用

摘要：針對開灤集團蔚州礦業公司單侯礦5104N工作面從掘進、回采直至回撤封閉期間存在自燃風險這一情況，本研究借助先進的技術手段，在對礦井進行安全監測的基礎上，對煤礦孤島煤柱掘進、回采、收尾、回撤和封閉等工藝環節采取了相應的自燃發火預防措施。經實踐，此項技術應用達到了預期的防滅火效果，可為此類情況提供有價值的參考。

關鍵詞：煤礦；孤島煤柱；防滅火技術

DOI：10.12433/zgkjtz.20233437

單侯礦井田位于河北省張家口市蔚縣涌泉莊鄉和南留莊鄉之間，地處蔚縣礦區的南部。本區地形為北高南低的山前平原，海拔高度+950m～+1170m。北西向沖溝密布，最深可達15m。蔚縣煤田西部，煤層埋藏較淺，早在宋朝就有小煤礦開采，至今已有七百年的開采歷史。市屬煤礦有西細莊、鄭家灣、玉峰山等煤礦，縣屬煤礦有水西礦及南留莊等煤礦。目前，礦井的北鄰煤礦有公司已建成投產的崔家寨礦井和崔家寨原井田內眾多的小煤礦，西部有南留莊煤礦，東部為北陽莊井田。

根據蔚縣礦區鄰近生產礦井的瓦斯資料，各礦均屬低瓦斯礦井。在地質勘探過程中采取的煤層瓦斯樣，CH4最高含量為0.38mL/g.r，故設計確定本礦井屬低瓦斯礦井。勘探過程中進行的大量測溫工作證明，本井田內無地溫異常區，也無地溫超過31℃的高溫區，故本礦井開采工程中無熱害區存在。

開灤集團蔚州礦業公司單侯礦的5104N工作面為五煤首采區最后一個工作面，東為5105N工作面，西為5103N工作面，目前都已結束回采。5104N工作面為孤島煤柱掘進、回采，工作面與采空區保護煤柱為10m，煤炭自燃發火為二類自燃發火，為確保工作面的安全開采工作，需要做好回采的防滅火安全措施。

一、礦井地質概況

開灤集團蔚州礦業公司單侯礦井田內第四系厚度75～330m，由北向南逐漸增大，分為全新統、上新統馬蘭組和下新統泥河灣組。巖性：全新統為卵礫石及砂土堆積物；更新統上部為風積黃色亞粘土、沖、洪積砂土、亞粘土間夾礫石薄層和透鏡體；下部為淺灰、灰褐、綠灰色亞粘土間夾粉砂礫石薄層及磚紅色亞粘土間夾砂礫石薄層；近底部為亞粘土與砂礫石互層。

單侯礦井田的構造形態總體上呈一寬緩不對稱的向斜，并在此基礎上發育多個次級向、背斜構造，呈波狀起伏，地層走向曲折多變，一般傾角為5～15°，區內斷層發育，有近南北、北東和北西向三組斷層。以正斷層為主，并發育有較大的逆掩斷層，使煤層（地層）大面積重復。

根據煤層的賦存厚度和分布區域，礦井的主要開采煤層為6、5、1號煤層。此三層煤的開采范圍較大，除局部區域的煤層厚度小于1.5m外，大部分較適于進行綜合機械化開采，是礦井進行經濟性開采的儲量保證，其余煤層雖然厚度達到了可采厚度要求，但由于其煤層厚度較小，煤層生產能力較低，受地質構造和煤質特點的影響，開采的經濟性較差。

二、單侯礦5104N工作面采煤工藝

5104N工作面主要采用走向長壁綜合機械化采煤法，一次采全高。走向長度1870.3～1842.6m，傾斜長144.2m，煤層最大厚度5.4m，最小厚度3.1m，平均厚度4.5m。工作面進回風巷及切眼沿煤層頂底板布置。循環方式為沿工作面采煤機每割一刀煤，即完成割煤、移架、移溜等工序為一個循環；通風方式為工作面通風方式為U型通風，工作面需風量計算為961m3/min。

該工作面建立了注漿管路系統，注漿材料采用粉煤灰，地面制漿站制漿能力為65.5m3/h，灰漿比為1：5。注漿管路采用108mm鐵管，在低洼處設置三通放水閥門，用于注漿后清理管道。在回采過程中，注漿管的末端鋪設到距離采空區20m的位置，端口接軟管到工作面，隨工作面的推進回撤管路。

三、綜合防滅火技術的應用

孤島煤柱在掘進、回采過程受相鄰工作面采空區動壓影響較大，主要表現為巷道兩幫部分煤體破碎、部分地點裂隙發育，向巷中鼓起形成網兜，風流通過裂隙后形成微風，進入煤體后氧化產生熱量且不易擴散，容易造成煤體自燃。上述自然發火隱患自5104N工作面巷道從掘進至100m到回采直至回撤封閉期間一直存在，隱患存在時間約為2年。針對上述自燃發火隱患，具體采取的防止自燃發火的安全技術措施如下：

（一）安全監測系統保障

安全監測系統由KJ83N（A）礦用本安型安全監控分站、KDW660/21B礦用隔爆兼本安型穩壓電源、通訊控制器和系統軟件KJ83N（A）安全監測管理系統組成。煤礦安全監測系統分站是對現場傳感器、設備、斷電器等進行數據采集的裝置。

結合單侯礦的實際情況，安全監控系統主要實現的功能和相關的性能指標如下：第一，在分站至中心站數字化傳輸的基礎上，將傳感器（模擬量）至分站升級為數字傳輸，實現安全監控系統的數字化，促進智能傳感器發展。第二，實現分級報警功能，根據毒害其他的濃度及持續時間、范圍及通風機故障等設置不同的報警級別，實現分級響應。第三，實現地面與井下的有線和無線網絡傳輸融合技術以及實時監控與GIS技術的有機融合。第四，系統中的主干網絡、分站至主站、傳感器至分站等通訊及傳輸均采用先進的工業以太網，無線網絡傳輸采用無線傳輸采用WiFi、RFID等傳輸通道，系統改造后支持數據聯網并能夠按照省煤監局要求的數據格式進行上傳。第五，全監控系統具有大數據的分析與應用功能，偽數據標注及異常數據分析，給出數據分析和統計報告，根據采掘變化結合監測數據分析瓦斯、CO未來趨勢，并對風險值較高地點預測及時報警。第六，在5104N工作面進回風巷巷口往里10～15m安設CO傳感器并往后每隔500m安設一個CO傳感器直至5104N工作面上下超前支護位置。對巷道實施CO實時分段在線監控，縮小隱患分析判斷范圍，及時發現CO異常區域。

（二）熱成像儀系統排查

YRH300本質安全型紅外熱成像儀是用來，在區域發生煤炭自燃前，利用紅外熱成像技術將煤層表面的溫度變化情況通過圖像形式呈現，以此發現高溫區域，采取預防措施。

井下回采工作面或個別巷道受動壓影響巷道變形、煤體裂隙發育，容易造成煤體高溫自燃，對井下防火帶來安全隱患，影響礦井正常生產。采用紅外成像技術及紅外測溫技術相結合的方式，從面到點地檢查隱患區域的溫度變化，對高溫地點及時做好預測預報工作，提前對高測地點進行處理，防止煤體自燃。

利用熱成像儀定期對5104N工作面區域進行全面排查，重點排查地點為：巷道內煤體破碎嚴重、裂隙發育、出現網兜區域；巷道內煤體裂隙內溫度超過28℃區域；巷道內煤體裂隙內一氧化碳濃度超過24PPm區域；巷道內煤體低洼或突起，容易形成窩風的區域。

（三）預防性注漿

對巷道兩幫進行預防性注漿。利用風鉆配套使用42mm鉆頭及鉆桿鉆孔注氯化鎂阻燃劑與水泥混合漿液，鉆孔深度1.8m，眼距為1.5～2m，角度向下不小于10°，注漿液采用風動注漿泵通過注漿封孔器注入漿液，注完漿液孔口用木塞封堵，如表1所示。混合漿液的配比濃度為氯化鎂15%～20%，水泥5%，提前制作好配比漿液專用工具，漿液未滲透區域必須采取補鉆孔加注的補充措施。對重點隱患區域注入漿液后加噴MT防火材料。鉆孔注漿技術參數如表1所示。

1.注漿方法

第一，注漿前，井上注漿工必須檢查砂漿池過濾網是否完好，如果不完好，及時維修或更換。

第二，掌握好漿液濃度，及時清理過濾網處的雜物和大塊，不得堵塞過濾網，否則暫停注漿工作，待處理好后，繼續進行注漿工作。

第三，井上注漿工在注漿前必須和井下注漿人員電話聯系，聽從井下專責注漿人員指揮，做到要水給水，要漿給漿，密切協調好井上下注漿工作。如果是間斷性注漿，工作結束后，要及時用清水沖洗注漿管路，沖洗時間不少于30min，填寫注漿日志，向通風區調度站和值班人員匯報。如果是連續性注漿，班末時填寫注漿日志，向通風區調度站和值班人員匯報，并認真落實現場交接班制度，上一班人員向下一班人員交待清楚注漿量、注意事項等。

2.注漿管路布置

注漿管路由地面注漿站從回風井至回風井底，再由回風井底延至各采區回風巷，直至各回采工作面。從地面注漿站至各采區集中回風巷安設專用注漿管路，主注漿管路直徑不小于分支管路。輸送倍線系數計算為倍線系數=井下注漿路線管路長度/地面與井下水平垂直落差。

3.注漿措施

注漿前疏水和注漿后防止潰漿、透水的措施為：第一，注漿前，在注漿密閉前設置水窩，完善排水系統，注漿過程中及時排水。第二，在密閉外側打設不少于3道防止潰漿的墻垛，墻垛高度不少于密閉高度一半，厚度不少于37cm。第三，封閉注漿區域為水平區域時采用分次注漿，待粉煤灰沉淀、完成排水后再進行注漿，防止潰漿或透水事故發生。通過以上注漿措施可確保5104N工作面注漿系統的可靠完善，同時在設計停采線往采空區方向，隨著5104N工作面回采在進、回風巷預留40m的注漿管，預留管路沿巷道底板敷設，注漿管接口不安裝密封圈，以防止5104N工作面采空區出現高溫時及時的進行注漿。在斷層丟煤區段預埋設直徑30mm的膠管，在斷層丟煤開始位置，工作面沿下山方向埋設第一根，每推進5m，相隔5m埋設第二根，直到斷層結束。

（四）工作面封閉后防火措施

由于客觀原因5104N工作面進行收尾、回撤完畢最后進行封閉，歷時5個月，遠超《煤礦安全規程》第二百七十四條規定。經商討研究在收尾時安排生產單位在5104N工作面回風巷非采面側設計停采線位置各施工規格為3m×4m×5m的鉆窩，由地測防止水服務中心負責對5104N工作面進、回風巷非采面側保護煤柱鉆窩內進行打鉆，每個鉆窩處設計打設注漿孔6個，鉆孔深度分別為10m、20m、30m，每種深度的鉆孔各2個，同一深度的鉆孔沿工作面走向對稱分布，其中10m深度的鉆孔與工作面走向水平角度為38°，垂直角度為8°，20m深度的鉆孔與與工作面走向水平角度為21°、垂直角度為4°，30m深度的鉆孔與與工作面走向水平角度為14°，垂直角度為3°。5104進風巷與原5105進風巷聯巷處設鉆點，打設注漿孔6個，深度分別為65m、55m、45m，其中，65m鉆孔水平角度為2.5°、垂直角度為1.2°，55m鉆孔水平角度為3°、垂直角度為1.3°，45m鉆孔水平角度為4°、垂直角度為1.5°。具體位置及鉆孔設計方向、深度如表2所示。打鉆完成后由通風區在鉆孔內注入防滅火材料發泡水泥，防止保護煤柱發生火災事故。

（五）采空區管理

第一，按正常速度回采，滿足采空區標志性氣體CO符合規定的濃度，嚴防CO氣體濃度呈上升趨勢，回采期間正常推進速度不得低于作業規程規定的速度，回采單位在工作面試采、回采期間嚴禁丟浮煤，清理干凈浮煤，對因地質條件變化的地帶造成丟浮煤的，要對采空區煤體采取噴灑阻化劑措施，防止煤炭自燃。

第二，加強防火預測預報分析工作，每7天對上隅角氣體情況進行取氣樣化驗分析。每班由瓦斯檢查員負責檢查兩次上隅角及回風流中CO氣體、溫度情況，發現異常及時匯報，并及時采取有效措施。

第三，工作面在收尾工作時，制定專門的收尾安全措施，確保盡快回撤設備和封閉采空區，防止煤炭自燃。

第四，不能直接滅火時，應立即予以封閉。封閉前，必須撤離封閉區內的所有人員。

第五，在5104N工作面回撤完畢后，通風區對5104N工作面進、回風巷兩個出口施工土垛密閉，厚度規格為100cm，土垛要求加設措施管及觀測管。在此基礎上，對兩個出口施工永久密閉規格為50cm，密閉外噴漿，要求加設措施管及觀測管，留反水池。

四、結語

（1）在掘進過程中，巷道回風口往里10～15m位置CO濃度達15ppm，氣體來源是煤壁破碎氧化產生的CO，溫度較高，達到25℃，需要每班排查高溫點，發現高溫點后由專人按措施處理。

（2）5104N工作面走向1870.3～1842.6m，工作面掘進期間采用28kW大功率局部通風機通風，確保工作面降溫、稀釋CO濃度和人員用風量滿足要求。

（3）5104N工作面在回采過程中，嚴格控制推進度，確保每月推進度不小于120m。

（4）5104N工作面在回采期間，每天對回采工作面上下兩巷超前20m將要進入采空區的巷道進行高溫點排查，防止有高溫點的巷道進入采空區。

（5）5104N工作面回采結束收尾前離停采線至少30m要保持不丟頂煤。保持通風系統穩定，5104N工作面風量穩定在960m3/min左右，不能出現較大波動，直至回采收尾結束。

通過采取一系列的防滅火預防措施防止5104N工作面在掘進、回采、收尾和回撤封閉過程的煤層自燃發火，為單侯礦的安全生產提供有力的安全保障。目前來看，此項技術取得了良好的防滅火效果和經濟效益，在自燃發火煤礦具有推廣與應用價值。

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作者簡介：章少峰（1967），男，安徽省樅陽縣人，通風安全工程師，主要研究方向為礦井一通三防管理。