綜放工作面采空區(qū)自燃發(fā)火的研究與治理

王付清，王立偉

(山東魯泰煤業(yè)有限公司，山東 濟寧 272000)

隨著高效機械化采煤的推廣，綜采放頂煤開采實現(xiàn)了厚煤層的一次采全高，不僅降低了回采巷道掘進率，提高了回采工作面的產(chǎn)量，而且降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。但是，影響煤礦安全的各種因素如:煤與瓦斯突出、透水、火災和粉塵等問題并沒得到有效控制，尤其是采空區(qū)的自燃發(fā)火問題嚴重影響著煤礦的安全高效生產(chǎn)。我國有56%的礦井在開采有自燃傾向的煤層，有自燃發(fā)火史的礦井占78%以上，其中，由于煤層自燃導致井下火災的次數(shù)占礦井火災總數(shù)的91.85%。厚煤層礦井在綜放開采過程中如果出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆，只要采取合理的綜合防滅火技術(shù)措施，自燃發(fā)火事故完全可以避免［1－3］。本文以某礦1122(3)綜采工作面采空區(qū)自燃發(fā)火隱患為研究對象，研究綜合防滅火技術(shù)的實踐與應用。

1 工作面概況

某礦1122(3)工作面為北一13－1下采區(qū)第二個塊段，位于北一采區(qū)中下部，北為F87邊界斷層，南到13－1煤層工業(yè)廣場保護煤柱線，東西分別到設(shè)計運輸順槽線和軌道順槽線。工作面標高－764.20～－669.59 m。本工作面對應的保護層1122(1)工作面已于2010年7月回采結(jié)束，周圍1123(1)軌道順槽及1123(1)運輸順槽正在掘進。工作面周圍無正在采掘的工作面。工作面傾斜寬225.0 m，走向長度2791.86 m，煤厚 4.06 m，容重 1.41 t/m3，可采儲量3344292.46 t。1122(3)工作面日產(chǎn) 15000 t時，相對瓦斯涌出量:3.09 m3/t，絕對瓦斯涌出量:32.2 m3/min。13－1煤層為具有自燃發(fā)火危險的煤層，一般發(fā)火期為3～6個月。

工作面回采期間采用回風流CO監(jiān)測、抽采管內(nèi)CO監(jiān)測、工作面采空區(qū)和上隅角CO及溫度檢測來預測預報發(fā)火危險性，任何地點CO濃度達到24×10－6有明顯自燃發(fā)火征兆時，采用采空區(qū)埋管灌漿、頂板走向鉆孔注漿、運順采空區(qū)注氮滅火等措施。灌漿管路沿軌道順槽上幫安設(shè)，可隨時與供水管路進行切換。一旦發(fā)火就可將灌漿管埋入采空區(qū)內(nèi)15～20 m進行灌漿，并隨著工作面的推進交替拆接灌漿管路，灌漿量204 m3/d。注氮管沿運輸順槽下幫安設(shè)，可隨時與壓風管路進行切換。氮氣釋放口水平放置，其位置應高于煤層底板20～30 cm，并罩以金屬網(wǎng)用木垛加以保護，以防砸壞或孔口堵塞，影響注氮。制氮機氮氣出口壓力0.85 MPa。

2 采空區(qū)自燃發(fā)火原因分析及治理

2.1 采空區(qū)自燃發(fā)火機理

采空區(qū)自燃發(fā)火與其它類型的自燃機理、發(fā)火條件基本相同。目前，公認的自燃的原因是煤與空氣中的氧分子相互作用產(chǎn)生自燃。煤炭自燃發(fā)展要經(jīng)過三個階段，即潛伏期、自熱期和自燃期。在煤層氧化增溫開始到煤溫達到臨界溫度(700℃～800℃)之前，如果改變了煤層的供氧和散熱條件，則煤層氧化增溫的過程就有可能減緩，再隨著煤的逐漸冷卻，煤炭發(fā)火趨勢就會停止。

煤炭自燃發(fā)火必須具備4個條件:1)可燃物質(zhì)—煤炭，尤其是處于破碎狀態(tài)具有自燃傾向性的煤。2)有連續(xù)不斷的含氧量大于12%的空氣流經(jīng)碎煤。3)有破碎煤氧化熱積聚的合適環(huán)境。4)以上3個條件必須穩(wěn)定持續(xù)足夠的時間，至少大于自燃發(fā)火期［4－5］。上面四個條件必須同時具備，缺一都不能引起煤炭自燃。供風條件優(yōu)劣是影響煤層積聚氧化熱的主要因素。若風速過小，則氧氣供應不足，氧化熱易散釋;若風速過大，則氧化熱也易被風流帶走無法積聚。

2.2 采空區(qū)發(fā)火影響因素

根據(jù)煤層開采的特性及采空區(qū)發(fā)火的特性可知，只要有風流進入采空區(qū)就有自燃發(fā)火的可能性［6－7］。在煤礦開采過程中，由于聯(lián)絡巷存在嚴重漏風，只要減少上下區(qū)段間的煤柱聯(lián)絡巷，盡可能實現(xiàn)無煤柱開采就會減小自燃發(fā)火的可能性。同時，在回采過程中，工作面中可能存在停采線，這就為采空區(qū)自燃氧化提供了時間，停采線的數(shù)目越多，停采的時間越長，采空區(qū)自燃發(fā)火的可能性越大，因此，應減少工作面停采的次數(shù)，同時加快推進速度［8］。在實行分層開采的礦井，由于對煤層進行分層開采，下部煤層暴露在空氣中的時間比其他開采方式的要長，煤層氧化的時間增加，自燃發(fā)火的可能性就加大，因此，對于有自燃發(fā)火性的煤層應盡量避免工作面分層布置，減小上下分層間形成的臺階［9］。

2.3 采空區(qū)發(fā)火治理措施

根據(jù)前面分析的采空區(qū)發(fā)火的機理及影響因素，只有減少暴露煤層與氧氣的接觸時間，減小接觸面積才能有效防治采空區(qū)的自燃發(fā)火。通常采取的防治自燃發(fā)火的主要措施有:減小向采空區(qū)的漏風;避免回采過程中的停采次數(shù);向采空區(qū)注、噴防滅火材料。

1)采空區(qū)漏風定律［10］。

式中:

P1、P2—漏風起、末點的總壓(包括靜壓、位壓、速壓)，Pa;

Hf—工作面進回風壓差，Pa;Rf—漏風風阻，Pa;

Qf—漏風風量，m3/s;

n—漏風風流的流態(tài)指數(shù)，一般取1或2。

由公式(1)可知，減少采空區(qū)漏風量Qf有以下途徑:

a)當Hf不變時，可增加Rf。b)當Rf不變時，可使P2上升。c)當Rf不變時，減少P1。d)在保持P1、P2不變的情況下，改變Rf可改變漏風風量。e)也可聯(lián)合使用前面幾種措施。

2)采空區(qū)煤層阻化處理。

注漿滅火機理:向采空區(qū)的浮煤噴灑特定的防滅火材料，在煤體表面形成隔膜，可以減小煤體與空氣中氧氣的接觸，減緩煤體的氧化速度。有些防滅火材料也有封堵采空區(qū)中裂隙的作用，減小漏風。同時防滅火材料中的水分也有降溫作用。

阻化劑滅火機理:阻化劑的主要作用是改變煤體表面自由基的微觀結(jié)構(gòu)，延緩或阻止自由基與氧氣的反應，降低反應的熱效應，延緩發(fā)火期。

常用的防滅火注漿與阻化材料有:水泥沙漿、氮氣、CO2、雙灰、凝膠、羅克休、瑪麗散、三相泡沫與高分子填充材料等。

3 綜合防滅火技術(shù)的應用

2012年8月17日，發(fā)現(xiàn)1122(3)工作面架檔內(nèi)出現(xiàn)CO，在機尾122～129架檔處CO濃度達到100×10－6左右，并不斷上升。通過檢查，在CO濃度上升區(qū)域同樣也檢測到乙烯、乙炔等氣體，這說明采空區(qū)內(nèi)煤炭已處在高溫氧化階段，但還未出現(xiàn)明火，對指標氣體檢驗后，初步確定高溫點溫度在100℃左右，高溫點在機位120～130架之間。具體原因可能是工作面中部有大量遺煤，頂板不完全冒落并且受斷層的影響，采空區(qū)出現(xiàn)大量的漏風。

根據(jù)以上分析確定采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)發(fā)火，必須采取相應的防滅火措施。主要措施是利用已有的注漿管路向采空區(qū)注水;通過地面注氮機和預先布置的注氮管路向工作面運輸順槽下隅角24 h連續(xù)注氮;向架檔注羅克休封堵等。

3.1 發(fā)火治理措施

根據(jù)上面分析采取具體措施如下:

1)地面PSA－1000型制氮機必須保證正常運轉(zhuǎn)，能夠連續(xù)注氮。采用24 h連續(xù)注氮，單位時間注氮量不小于9.2 m3/min，氮氣濃度不小于97%，流量為500～600 m3/h。

2)立即停止1122(3)工作面的瓦斯抽采。

3)工作面風量從2250 m3/min控制到1000 m3/min以下，以控制向采空區(qū)漏風。

4)從60架向上至131架開始打鉆注液態(tài)CO2，液態(tài)CO2鉆孔深30 m;在70架位置用錨桿鉆機施工4個孔同時注液態(tài) CO2。在1122(3)底抽巷通過d325 mm的瓦斯管向封閉墻內(nèi)注液態(tài)CO2。

5)向架檔注羅克休進行封堵，減少向采空區(qū)漏風供氧，先封堵上、下端頭，然后從兩個端頭向中間注，用4臺注漿泵同時注羅克休。

6)在工作面中上部施工平鉆場，分別在工作面鉆場、軌道順槽鉆場、運輸順槽車場鉆場內(nèi)施工注漿鉆孔，鉆孔全覆蓋采空區(qū)，在支架頂上垂高12 m，鉆孔施工到架后5 m(鉆孔反漿正常時施工至鉆孔不反漿)，灌漿時黃泥漿的黃土比重要加大到1∶7，并加入MEA以增強防火效果，灌漿管路接到運輸順槽鉆場和工作面鉆場位置。鉆場鉆孔先打1#、3#、5#、7#鉆孔，鉆桿留在孔內(nèi)，采用鉆桿注漿。鉆孔采用1英寸注漿管注漿，其中里端為花管，花管長度10 m，聚氨酯封堵孔口8 m，里端注水泥漿固管，尤其在CO較大地點優(yōu)先打鉆注漿。

3.2 治理效果分析

在采取綜合防滅火措施后，對發(fā)火指標氣體進行實時監(jiān)測，分析采空區(qū)內(nèi)發(fā)火區(qū)域的變化，根據(jù)監(jiān)測的上隅角CO監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制圖形見圖1。

圖1 上隅角CO濃度變化圖

由圖1可知，通過采取以上綜合防滅火措施，2周后采空區(qū)發(fā)火區(qū)域內(nèi)氣體采樣CO濃度降低至10×10－6。檢測不到其他烷烴類氣體，氧氣濃度＜6%。

4 結(jié)論

綜采工作面防治采空區(qū)自燃發(fā)火的關(guān)鍵是防，因此，必須在發(fā)火的早期采取有效措施對采空區(qū)發(fā)火進行防范。本文采取措施后的效果及不足如下:

1)在采空區(qū)出現(xiàn)自燃發(fā)火后，采取一種防滅火措施很難有效解決CO濃度升高的問題，必須配合多種防滅火措施同時應用。

2)利用地面注氮機連續(xù)24 h不停注氮的同時，必須停止工作面瓦斯抽采，控制工作面風量下降到1000 m3/min以下，減小采空區(qū)內(nèi)發(fā)火區(qū)域的氧氣供應。在重點發(fā)火區(qū)域注入液態(tài)CO2，然后用羅克休進行封堵。在工作面可利用的鉆場內(nèi)向整個工作面打注漿孔，降低發(fā)火中心周邊區(qū)域的發(fā)火危險性。

3)應進一步加強對采空區(qū)防滅火技術(shù)的研究，在使用注氮、減小工作面風量、注液態(tài)CO2、注羅克休封堵、向工作面注漿等手段的同時，開發(fā)和運用新的防滅火方法與材料，進一步研究三相泡沫、賽福特、固邦特等高分子注化材料的應用，提高防滅火的效率，降低成本。

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