復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患治理研究

文/楊明 陳福輝

山東能源棗礦集團(tuán)柴里煤礦是一個(gè)煤炭自然發(fā)火十分嚴(yán)重的礦井，煤層自然發(fā)火期最短僅為35天,煤炭自燃傾向性為二類，為自燃煤層。自礦井投產(chǎn)以來，自然發(fā)火累計(jì)46次，出現(xiàn)高溫發(fā)火點(diǎn)100余次，給煤礦的安全生產(chǎn)帶來極大的威脅。隨著開采范圍擴(kuò)大，礦井開采向深部、邊遠(yuǎn)地點(diǎn)延伸，通風(fēng)系統(tǒng)和地質(zhì)條件都變得更加復(fù)雜，對(duì)防滅火隱患治理具有更大的挑戰(zhàn)性。特別是柴里煤礦今后多數(shù)采掘工作面在三下煤層開采，在火區(qū)周圍布置，隨著礦井煤炭可采儲(chǔ)量逐步枯竭，向火區(qū)要炭是今后柴里煤礦煤炭開采的方向。

復(fù)雜條件使一些自然發(fā)火隱患在區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)保持穩(wěn)定狀態(tài)下處于深度隱藏，但隨著外部開采的進(jìn)行，受礦井局部通風(fēng)系統(tǒng)變化等外部條件影響，該隱患會(huì)突然爆發(fā)。由于是在采空區(qū)內(nèi)部深處，平常處于監(jiān)測(cè)監(jiān)控盲點(diǎn)，采取常規(guī)防滅火技術(shù)治理難度大。因此，必須采取綜合防滅火技術(shù)并制定有效的防滅火治理措施來消除隱患。

一、復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患特點(diǎn)

1.自然發(fā)火隱患區(qū)域礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜。隨著柴里煤礦礦井開采年限延長，開采范圍擴(kuò)大，礦井開采向深部、邊遠(yuǎn)地點(diǎn)延伸，造成自然發(fā)火隱患區(qū)域礦井通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)壓力分布不均衡，極易受到相鄰區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)變化和通風(fēng)設(shè)施影響，使自然發(fā)火區(qū)域及其采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流壓力發(fā)生變化。受煤炭自然發(fā)火特性影響，即使該區(qū)域內(nèi)微量風(fēng)流流動(dòng)，也會(huì)給自然發(fā)火區(qū)域提供自燃需要的氧氣，危害礦井安全生產(chǎn)。

2.隨著外部開采的進(jìn)行，特別是礦井礦壓較大，現(xiàn)在較多工作面屬于孤島開采，致使采空區(qū)周邊封閉巷道產(chǎn)生裂隙，為采空區(qū)內(nèi)部提供了供風(fēng)蓄氧條件。

3.常規(guī)防滅火技術(shù)手段在礦井復(fù)雜條件下不能做到有效治理，同時(shí)具有治理進(jìn)度慢的特點(diǎn)。由于復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患隱藏能力強(qiáng)，使用常規(guī)防滅火技術(shù)不能在早期將高溫點(diǎn)及時(shí)消除。

二、復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患治理技術(shù)研究

復(fù)雜條件下，自然發(fā)火隱患治理在采取綜合防滅火技術(shù)基礎(chǔ)上，還需采取特殊措施，才能達(dá)到治理的目的。

1.通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整。合理穩(wěn)定的通風(fēng)系統(tǒng)是防止自然發(fā)火的前提條件，也是防止自然發(fā)火的關(guān)鍵，特別是復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患的特點(diǎn)決定著對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)有特殊要求。

2.均壓通風(fēng)技術(shù)。均壓通風(fēng)是礦井通風(fēng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，其核心是在保證井巷系統(tǒng)正常通風(fēng)的條件下，對(duì)漏風(fēng)控制區(qū)域周邊特定的點(diǎn)、線、面的風(fēng)壓加以控制，使密閉區(qū)內(nèi)外的風(fēng)壓差保持在盡可能低的水平上，特別要盡可能平衡漏風(fēng)控制區(qū)域周邊的通風(fēng)壓差，以此實(shí)現(xiàn)有效遏制漏風(fēng)的目的，合理利用均壓通風(fēng)技術(shù)，在處理井下火災(zāi)和瓦斯災(zāi)害能夠起到事半功倍的作用。漏風(fēng)也遵循著阻力定律，即：

△H=R*△Qn

△H—漏風(fēng)風(fēng)路兩端風(fēng)壓差，pa；△Q—漏風(fēng)量，m3/s；R—漏風(fēng)風(fēng)路的風(fēng)阻，N·S2·M8；n—漏風(fēng)風(fēng)路的流動(dòng)指數(shù)。

由上可知漏風(fēng)量和漏風(fēng)風(fēng)路兩端壓差成正比，兩端壓差越大，漏風(fēng)量越大，均壓技術(shù)應(yīng)用就是減少漏風(fēng)風(fēng)路兩端壓差，使其盡量小或者為零。

3.精確探溫技術(shù)。精確探溫技術(shù)也叫鉆孔探溫技術(shù)，以現(xiàn)場(chǎng)自燃狀態(tài)為依據(jù)，通過理論推測(cè)高溫大致位置來布置鉆孔，使用熱敏探頭配合溫度傳感器插入鉆孔內(nèi)壁，利用熱量傳導(dǎo)性來測(cè)量溫度，進(jìn)而獲得溫度沿鉆孔分布情況，再通過資料的綜合分析來確定自然發(fā)火隱患位置，達(dá)到精確定位自然發(fā)火隱患，使之得到有效治理。

4.堵漏風(fēng)技術(shù)。采空區(qū)、斷層帶、破碎帶自然發(fā)火的關(guān)鍵原因在于漏風(fēng)供氧，因此找出漏風(fēng)通道和漏風(fēng)規(guī)律，才能使防滅火工作做到有的放矢。堵漏風(fēng)就是對(duì)探測(cè)到的漏風(fēng)通道進(jìn)行封堵，使風(fēng)流不能到達(dá)自然發(fā)火隱患區(qū)域，杜絕通風(fēng)供氧，從而達(dá)到防止自然發(fā)火的目的。

5.多向分布式鉆孔覆蓋技術(shù)。通過綜合分析自然發(fā)火區(qū)域及其周邊采空區(qū)位置關(guān)系圖，結(jié)合探溫基礎(chǔ)參數(shù)、漏風(fēng)通道判斷、通風(fēng)系統(tǒng)情況設(shè)計(jì)多向分布式鉆孔，使其鉆孔能全面覆蓋自然發(fā)火區(qū)域，利用鉆孔進(jìn)行灌漿、發(fā)泡、注氮?dú)獾?，從而達(dá)到覆蓋自然發(fā)火區(qū)域，對(duì)高溫火點(diǎn)進(jìn)行覆蓋窒息。

三、復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患防滅火技術(shù)應(yīng)用

1.23上605東工作面基本狀況

23上605東工作面位于236采區(qū)東部采區(qū)中部，西部為23605、23310、23606工作面采空區(qū)，東、北、南部均為未開采區(qū)。23上605東工作面為小屯搬遷后第一個(gè)生產(chǎn)工作面，對(duì)柴里煤礦生產(chǎn)接續(xù)和經(jīng)濟(jì)效益都發(fā)揮著重大作用。該工作面通風(fēng)方式采用U型通風(fēng)，采用走向長壁式綜采工藝，在掘進(jìn)時(shí)先掘進(jìn)23上605東運(yùn)輸巷和23605東集運(yùn)貫通構(gòu)成通風(fēng)系統(tǒng)。為確保該工作面早日生產(chǎn)，在23上605同時(shí)開工23上605東軌道和西軌道巷，利用原23605外段施工23上605補(bǔ)運(yùn)輸巷、23上605切眼，因此該區(qū)域通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)巷道較多。根據(jù)三煤層自燃傾向性鑒定報(bào)告，三煤層屬自燃煤層，自然發(fā)火期為35天，23605西工作面一、二分層停采線和23310原老火區(qū)對(duì)該面自然發(fā)火治理影響較大，因此防滅火重點(diǎn)在23上605東工作面切眼及其后部西面一、二分層停采線。

2．復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患治理

（1）通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整。當(dāng)工作面開采到靠近2365轉(zhuǎn)運(yùn)適當(dāng)位置，首先在原2365轉(zhuǎn)運(yùn)與23605軌道巷四岔門擋風(fēng)墻位置建筑永久密閉1道，留設(shè)0.5m×0.5m回風(fēng)窗一個(gè)，然后在236東軌聯(lián)絡(luò)巷道巷口（南軌繞道處）建筑永久密閉1道，最后在2365轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)封堵原留設(shè)回風(fēng)窗。當(dāng)工作面開采到靠近23605轉(zhuǎn)運(yùn)適當(dāng)位置，在2365轉(zhuǎn)運(yùn)與23310北運(yùn)輸巷三岔門口處以南適當(dāng)位置建筑永久密閉1道；同時(shí)在23310南通道與23310材聯(lián)三叉門處靠近23310南通道位置建筑永久密閉1道；2365轉(zhuǎn)運(yùn)與23605東面軌道巷四岔門靠南方向適當(dāng)位置建筑調(diào)節(jié)擋風(fēng)墻1道；在2365轉(zhuǎn)運(yùn)與23310北運(yùn)巷三岔門靠南方向施工調(diào)節(jié)擋風(fēng)墻1道。

（2）均壓技術(shù)。均壓通風(fēng)在井巷系統(tǒng)中，礦井通風(fēng)的目標(biāo)在于力求合理和充分的風(fēng)量分配以滿足環(huán)境控制與安全保障的要求，對(duì)于采空區(qū)和封閉的火區(qū),則力求將漏風(fēng)控制在盡可能低的程度。根據(jù)23上605東工作面具體情況，認(rèn)真分析通風(fēng)系統(tǒng)和周邊密閉封堵情況，對(duì)關(guān)鍵區(qū)域23310南軌道巷密閉、23310中間巷密閉、23310運(yùn)輸巷密閉進(jìn)行均壓通風(fēng)管理，合理控制23上605東工作面風(fēng)量，使其兩巷間的壓差科學(xué)合理，風(fēng)量在合適范圍。具體見圖1所示。

圖123上605東備用工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)圖

（3）多向分布式鉆孔注漿覆蓋技術(shù)。通過分析23上605東工作面和原23605西工作面停采線位置關(guān)系，創(chuàng)新實(shí)施了多向分布式鉆孔注漿覆蓋技術(shù)，在切眼施工φ42mm多向分布式壓漿孔12個(gè)，切眼延接注漿管路180米，通過23上605東切眼向原23605西停采線施工多向分布式鉆孔進(jìn)行灌漿，使其全面覆蓋停采線遺留和破碎的積炭。

（4）精確探溫技術(shù)。精確探溫技術(shù)步驟為：通過理論和經(jīng)驗(yàn)分析高溫大致位置—布置典型鉆孔—鉆孔測(cè)溫綜合技術(shù)分析—設(shè)置新鉆孔位置—繪制高溫區(qū)域示意圖—鎖定自然發(fā)火位置區(qū)域—采取針對(duì)性防滅火治理措施。測(cè)溫設(shè)備主要有本質(zhì)安全電源、靈敏溫度探頭、信號(hào)線、顯示儀器、鋼絲線等。該設(shè)備具有探測(cè)靈敏，探測(cè)范圍大，在0～300攝氏度之間精度高、測(cè)溫時(shí)間短、易操作等優(yōu)點(diǎn)，最高能到達(dá)60米深測(cè)孔深度。通過精確探溫技術(shù)，探測(cè)到23上605東工作面切眼自然發(fā)火隱患主要在原23605西面一、二分層停采線處，需要重點(diǎn)加強(qiáng)自然發(fā)火防治。

（5）高分子材料進(jìn)行發(fā)泡技術(shù)。高分子材料發(fā)泡具有發(fā)泡快、輸送距離遠(yuǎn)、防滅火效果好的特點(diǎn)，高分子發(fā)泡材料在輸送過程中形成泡沫通過氮?dú)鈳?dòng)逐步向前移動(dòng)，能夠?qū)\部 （外部）空間充填覆蓋后向深部（里部）充填覆蓋，也可根據(jù)巷道起伏狀況從低向高充填覆蓋，具體見圖2所示。這克服了常規(guī)壓漿防滅火只能覆蓋底部堆積碎炭引起高溫點(diǎn)和泥漿從高向低流動(dòng)的缺點(diǎn)。

圖2 高分子材料發(fā)泡壓漿系統(tǒng)

（6）封堵漏風(fēng)通道。由于該地點(diǎn)巷道壓力大，巷道深部通過裂隙與采空區(qū)溝通，同時(shí)23上605補(bǔ)運(yùn)輸巷與老硐溝通聯(lián)系，因此對(duì)23上605補(bǔ)運(yùn)巷透老巷處巷道進(jìn)行噴堵約50m，通過綜合防漏風(fēng)措施杜絕采空區(qū)氣體向外部泄露，達(dá)到了治理目的，取得了較好效果。

（7）自然發(fā)火標(biāo)志性氣體指標(biāo)確定。強(qiáng)化氣體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)檢查，對(duì)閉內(nèi)及閉前巷道探氣孔進(jìn)行取樣分析，確定一氧化碳為自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，為現(xiàn)場(chǎng)安全施工和下一步采取措施提供技術(shù)支持。

四、治理效果

1．復(fù)雜條件下自然發(fā)火隱患治理研究較好地解決了23上605東工作面在掘進(jìn)施工、備用面安裝期間自然發(fā)火隱患，為下一步安全生產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2．在自然發(fā)火隱患治理上針對(duì)性強(qiáng)，效果突出，防滅火材料和人力投入少，降低了防滅火費(fèi)用，具有較大推廣價(jià)值。