煤礦采空區防滅火及工作面端頭封堵技術研究

尹 豹

（晉能控股煤業集團澤州天安煤業有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

在我國能源戰略計劃的推進過程中，安全問題一直是人們較為重視的，因此兼顧高效與安全的綠色開采成為必然趨勢。在這一形勢下，我國更加注重相關技術的創新，并在采煤裝備上不斷完善，以期在施工的條件、設備上更加優化，旨在實現少人化或者無人化工作面，既能避免人員安全事故出現，也能夠大大提高煤炭采出率。

在高瓦斯礦井工作面的開采中，來壓會對其造成一定的影響，導致煤體中會有瓦斯析出，采空區中也會因此溢入瓦斯，該類現象是出現浮煤自燃的主要原因之一。瓦斯受到通風的影響，會聚集在上隅角，如果在封堵程序或質量上出現問題，可能導致高濃度瓦斯流入回風巷，嚴重的可能引發瓦斯事故的發生。現階段，依然使用較為傳統的方式完成煤礦工作面兩端頭的封堵工作，即將泥沙和碎煤等裝入袋中，工人將其筑墻封堵。這種傳統的方式，不但需要進行高強度的勞動，且效果也較差，而且存在一定的安全隱患。受到以上因素的影響，煤礦井下工作面的開采工作在效率與安全上存在較大問題。在此基礎上，本文有針對性地提出了相應的改進技術與方法。

1 工作面概況

晉能控股煤業集團某礦2303 工作面開采煤層，其埋深與厚度的均值分別在650 m、6 m，平均傾角為14°，工作面頂底板地層柱狀圖，如圖1 所示。圖2 為工作面布置圖，以綜放開采為主，其長度是680.4 m。該礦井的相對涌出量與絕對涌出量分別為28.17 m3/min、20.39 m3/min，從該數據上可以看出此礦井為高瓦斯礦井。

圖1 2303 工作面頂底板地層柱狀圖

圖2 2303 工作面布置

2 采空區煤自燃防滅火技術

2.1 常用的防滅火技術

物質燃燒時必須要具備的三個條件：著火源、助燃物、可燃物，即分別為溫度、氧氣、煤，通常采空區所制定的滅火方案主要圍繞以上三個方面展開，即降低著火源溫度、隔絕助燃物、減少可燃物。

2.1.1 減少遺煤

由于頂煤在放出時存在一定的問題，采空區會有殘留，因此高瓦斯綜放開采存在以下兩個問題：第一，無法開采出更多的煤炭資源；第二，極易出現自燃事故，使得礦井的安全無法得到保障。所以，要盡可能的減少可燃物，并促進放煤率的提升，從而可以大大提高采出率。提高回采率很大程度可以降低采空區的浮煤厚度，從而防止遺煤自燃問題的出現[1]。通過試驗發現，將浮煤厚度控制在0.7 m 以下，就會極大的降低自燃的幾率。所以，要想有效防止采空區出現煤自燃問題，可以從減少遺煤上入手。

2.1.2 噴灑阻化劑

煤礦開采時通常將阻化劑作為有效的滅火手段，將氧氣接觸面與煤進行有效隔絕，每完成一次割煤操作，都將阻化劑噴施在采空區內，可以有效的降低安全隱患，防止發生煤自燃。同時，將阻化劑噴施在裸露的煤體上，也能夠與氧氣隔絕。

2.1.3 注氮及CO2

只有當氧氣濃度超過某一標準后，采空區遺煤才會發生自燃，所以要想預防出現自燃現象，可以對氧濃度進行稀釋，即通過采空區進風側將二氧化碳或氮氣注入其中。如果空氣中的氧氣體積分數在12%以下，那么就不易發生爆炸。所以，二氧化碳和氮氣的注入能夠極大的降低采空區中氧氣體積分數，將其控制在10%內，防止出現瓦斯爆炸、浮煤自燃等事故。

2.2 新型防滅火技術

在2007 年，馮光明團隊研發了超高水速凝材料，作為礦山充填材料。相較于其他技術而言，這種新型的開采技術具有較為顯著的優勢，例如適應性較強、充填率高、易操作、節省材料、水灰質量比高等，與綠色開采的理念相符，因此得到了大力推廣。在滅火方面，超高水材料也更具優勢，當井下發生火災時，該技術能夠借助于輸送管道，將超高水材料輸送到井底的起火點，從而達到滅火的目的。現有的超高水材料井下滅火技術主要有以下三種。

2.2.1 封閉式滅火技術

該技術可以將火源隔離，從而使其處于封閉空間中，并注入超高水材料，經過一段時間后，漿液就會固化，這就是其滅火原理。封閉式滅火技術，如圖3 所示。

圖3 封閉式滅火技術

2.2.2 開放式滅火技術

如果存在較為分散、數量多的發火點，且所處的區域無法密閉，就可以采用開放式滅火技術，可以通過鉆孔實現不同區域的連接，并將超高水材料漿液注入著火區域的頂部及內部，火源一旦與漿液接觸就會馬上熄滅。開放式滅火技術，如圖4 所示。

圖4 開放式滅火技術

2.2.3 混合式滅火技術

以上兩種滅火技術的綜合運用就是混合式滅火技術，能夠快速的處理各種情況和區域的火災。如果發生火災的區域較大，僅僅使用封閉式滅火技術，可能需要較長的時間；而僅僅使用開放式滅火技術，則無法覆蓋所有區域。這種情況下，就可以綜合使用以上兩種技術，對于密閉性差且有較多發火點的區域，可以將超高水材料漿液注入其中，并在短時間內完成凝結固化，不但可以將裂隙填充好，也能夠將自燃的煤體覆蓋住，通過溫度的降低，達到滅火的目的。與此同時，對于密閉性好且范圍較大的起火區域，可以先進行封閉操作，進而將超高水材料凝液注入其中，不但能夠達到滅火的目的，還可以將之前的漏風通道封堵好。總之，這種防滅火技術不但能夠直接從著火源、助燃物、可燃物這三要素上達到防滅火的目的，也不會對井下造成污染，相對而言無需投入較高的成本，因此具有較為顯著的優勢。

3 工作面端頭封堵技術

3.1 常用的端頭封堵技術

在礦井的開采過程中，推進工作面的同時也要做好封堵工作，不但能夠調整風向，起到擋風的作用，也可以有效的防止火災發生。現階段，依然使用較為傳統的方式完成煤礦工作面兩端頭的封堵工作，即將泥沙和碎煤等裝入袋中，工人將其筑墻封堵。這種傳統的方式，不但需要高強度的勞動，且效果也較差，而且存在一定的安全隱患。

傳統的隅角封堵措施是該礦2303 工作面所使用的，即：利用煤袋在采空區側完成封堵，注意做到嚴密接頂，然后再對煤袋墻做密閉處理，通常借助于廢舊風筒完成，從而將煤袋墻的效應充分體現出來，通過營造密閉空間，實現抽采量的提升，并有效改善上隅角瓦斯治理情況。

3.2 新型端頭封堵技術

上文中提到傳統的封堵方式存在諸多問題，基于此，本文提出了全新的煤礦工作面端頭封堵技術，即利用超高水材料泵送裝袋完成。

由于超高水材料具有較好的流動性，能夠在短時間內凝結，因此相較于以往的封堵方式，這種全新的端頭封堵技術更具實用性。該技術主要借助于管道泵送完成運輸工作，在地面完成送料，到達井下后再進行分配，能夠極大的提高工作效率。此外，在特定時間內，袋中的超高水材料依然具有較強流動性，能夠更好的發揮其密閉作用。該技術具有較為顯著的降本增效的作用，也能夠促進施工環境的改善。

3.2.1 準備工作

1）可以將井下硐室作為超高水材料的儲備室，儲備室內建立相應的管道輸送系統以及配料基站，具體有三通連接器、攪拌器、入料池，同時也有配套的泵送裝置和控制閥，能夠接連不斷的向工作面輸送充填材料，并且具有較高的穩定性。

2）配備相應的矩形柔性充填袋，選擇能夠折疊的懸掛式，具體的規格可以按照實際情況而定，通常選用的尺寸為：長度在3 500～4 500 mm 范圍內，寬度為100 mm，高度為3 000 mm。充填袋樣式，如圖5 所示。從圖中可以看出，充填袋上有折疊鎖扣、排氣口、封口旋鈕、注料口、吊環、吊鉤等，具有可懸掛與折疊的功能，而且排氣、封口以及注料也能夠相互協調好。

圖5 充填袋樣式

3）由于充填袋是可折疊的，因此可以對其大小進行靈活調整，從而能夠與巷道斷面的具體尺寸相契合。充填袋的主要制作材料是風筒布，屬于柔性材料，因此具有諸多優勢，例如環保、韌性好、材料輕等，且超高水材料具有較高的流動性，二者結合起來與巷道斷面的貼合度較高，因此封堵效果更佳。

3.2.2 施工工藝

1）將巷道頂板的錨網與S 型吊鉤上鉤相接，其下鉤則與充填袋的懸吊杠相接，且確保吊環掛到吊鉤上；充填袋上共有六個吊環，此外還有兩根空心鐵質的懸吊杠，由多根套管套嵌面成，可以根據巷道斷面的尺寸靈活調整，在運輸時更加便捷。同時，載荷之所以能夠到達頂板，也是由于安裝了懸吊杠，能夠讓頂板和懸掛袋更加契合。

2）首先將排氣口與注料口同時打開，并在注料口中注入超高水材料，從排氣口將空氣排除，當排氣口中有材料流出時表明空氣排盡，此時將其關閉，工作面端頭封堵效果示意圖，如圖6 所示。

圖6 工作面端頭封堵效果

3.2.3 效果對比

相較于當前使用的技術，該方法有以下幾項優勢：

1）能夠大大優化勞動強度，且用機械裝填代替了以往的人力，在節省人力資源的同時，也能夠簡化過程，有降本增效的作用；

2）具有較高的封堵效果，流動性好是超高水材料在漿體狀態下較為顯著的特點，因此能夠與巷道壁更為契合，相應的也會有更好的密閉效果，且較為穩定。

3）超高水材料較為突出的優勢就是綠色環保，同時也能有效解決粉塵污染的問題。

4 結論

1）本研究基于高瓦斯礦井工作面，就當前的采空區遺煤自燃問題展開了深入的探究，具體闡述了普通滅火方法的原理和不足，在此基礎上提出了全新的滅火技術，即應用超高水材料的滅火方法，并詳細介紹了其優勢所在。

2）分析了現有的高瓦斯工作面傳統端頭封堵方法的缺陷，并提出了全新的封堵方法，即利用超高水材料泵送裝袋完成封堵工作，具有降本增效的作用，且實現了工作環境的改善。