下分層放頂煤開(kāi)采后采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)預(yù)防技術(shù)

白心愿

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

煤層自燃又叫煤層自然發(fā)火或煤層自燃火災(zāi)，是具有自燃傾向性的煤與空氣中的氧氣發(fā)生物理化學(xué)變化，產(chǎn)生并積聚熱量，導(dǎo)致溫度升高，最終發(fā)生燃燒的現(xiàn)象。簡(jiǎn)言之：凡是煤沒(méi)有經(jīng)過(guò)點(diǎn)燃而自行著火的現(xiàn)象，統(tǒng)稱(chēng)自燃。自燃是自然界存在的一種客觀現(xiàn)象，這種現(xiàn)象由來(lái)已久，據(jù)估計(jì)已在地球上發(fā)生了幾百萬(wàn)年。全世界大大小小煤礦都不同程度地面臨著自燃的危險(xiǎn)，這種自燃災(zāi)害不僅造成了的煤炭資源大量浪費(fèi)，影響著正常生產(chǎn)和人員設(shè)備安全，而且煤炭自燃后還將引起周?chē)鷩鷰r石變質(zhì)(簡(jiǎn)稱(chēng)“燒變巖”或“燒變層”)，這些巖石變得脆弱，產(chǎn)生大量裂隙，成為地下水流動(dòng)的通道，是煤礦最危險(xiǎn)的充水水源，會(huì)導(dǎo)致突水、淹井等次生災(zāi)害。煤炭自燃有可能引起煤礦井下瓦斯爆炸、煤塵爆炸、頂板冒落等災(zāi)害的發(fā)生，造成人員傷亡，生產(chǎn)設(shè)備被毀；淺埋煤層發(fā)生自燃后，上覆地層經(jīng)過(guò)劇烈的烘烤，土層的含水量大幅降低，從而導(dǎo)致植被枯死，農(nóng)田也不再適宜種植；煤層自燃發(fā)生后的地表塌陷區(qū)地表水流失嚴(yán)重，隨后也將成為水土流失的高發(fā)區(qū)。可見(jiàn)煤炭自燃危害十分巨大，因此各國(guó)都十分重視煤炭自燃現(xiàn)象的預(yù)防和控制。

1 產(chǎn)生煤炭自燃的影響因素

1.1 煤的自燃傾向性

煤的自燃傾向性就是煤在常溫下的氧化能力，是煤的一種自燃屬性，是對(duì)煤能夠進(jìn)行自燃的難易程度的度量指標(biāo)。不同的煤層具有不同的自燃傾向性，其強(qiáng)弱程度對(duì)煤層自燃發(fā)火的危險(xiǎn)程度具有直接的影響作用。

1.2 煤層地質(zhì)賦存條件

對(duì)于較厚的煤層來(lái)說(shuō)，其在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法全部回采，且在回采過(guò)程中會(huì)余留大量的浮煤和煤柱，由于回采時(shí)間較長(zhǎng)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)煤層的自然發(fā)火期，即煤炭從暴露在空氣中到發(fā)生自燃的時(shí)間段，所以較厚的煤層本身具有較高的自然發(fā)火危險(xiǎn)程度。此外，對(duì)于急傾斜煤層和地質(zhì)構(gòu)造破壞帶來(lái)說(shuō)，在對(duì)煤層發(fā)生擠壓以及張拉等作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致煤層出現(xiàn)裂隙等問(wèn)題，這樣就會(huì)增加煤炭與空氣的接觸面積，縮短其自然發(fā)火期，所以也具有較高的自然發(fā)火危險(xiǎn)程度。

1.3 開(kāi)拓開(kāi)采條件

在煤礦井下作業(yè)中，留設(shè)較少的煤柱，對(duì)較少的石門(mén)進(jìn)行煤層切割以及對(duì)巖巷進(jìn)行開(kāi)拓可以有效降低采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的概率。對(duì)于巖巷進(jìn)入采區(qū)的厚煤層開(kāi)采，可以采用打鉆預(yù)防性注漿的方法。影響煤炭自燃的外在表現(xiàn)為回采時(shí)間和煤炭回收效率，如果所采用的采煤方法會(huì)遺留較多的煤炭就會(huì)增加煤炭自然發(fā)火的概率，而且在開(kāi)采中采用長(zhǎng)壁式采煤方法中的留刀柱支撐頂板，留煤皮假頂，以及利用水力進(jìn)行采煤等方法都會(huì)導(dǎo)致煤炭自燃概率的增加。此外，在同一個(gè)回采工作面中如果具有較慢的回采速度，其拖延時(shí)間越長(zhǎng)，就越容易發(fā)生煤炭自燃現(xiàn)象，且不利于對(duì)火災(zāi)災(zāi)情的控制。

1.4 通風(fēng)方式

煤礦井下采空區(qū)的通風(fēng)方式對(duì)煤炭自燃的影響主要表現(xiàn)在煤壁和煤柱的裂隙問(wèn)題以及采空區(qū)的漏風(fēng)問(wèn)題上，如果采空區(qū)發(fā)生漏風(fēng)問(wèn)題，即便是具有較小的漏風(fēng)量，漏風(fēng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致兩巷和工作面出現(xiàn)斷層以及變薄帶跳面的現(xiàn)象，這樣就會(huì)大大增加煤炭發(fā)生自燃的概率。

2 防止采空區(qū)遺煤自燃的技術(shù)措施

2.1 礦井采空區(qū)火災(zāi)概況

活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)放頂煤工作面所采煤層為1-2煤復(fù)合區(qū)下分層，具體回采工作面分南北兩翼，工作面回采前施工了大量鉆孔疏放上層采空區(qū)積水，且受采動(dòng)影響，上分層采空區(qū)浮煤存在氧化自燃的可能性。同時(shí)，隨工作面推進(jìn)頂板垮落，采空區(qū)局部區(qū)域遺煤厚度變大，工作面順槽上方煤柱易壓裂破碎，復(fù)合采空區(qū)自然發(fā)火可能性隨之增加。為確?；铍u兔井1-2煤復(fù)合區(qū)系列綜放面不因煤層自燃火災(zāi)而影響生產(chǎn)，提高礦井抗災(zāi)能力。通過(guò)對(duì)1-2下202、1-2下204綜放面的防滅火技術(shù)研究結(jié)論及防滅火經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，結(jié)合大柳塔煤礦現(xiàn)有防滅火技術(shù)及裝備情況，充分體現(xiàn)“以防為主，防治結(jié)合”的思想，提出適合于綜放面安全開(kāi)采的防滅火技術(shù)應(yīng)用方案。

2.2 采空區(qū)預(yù)防性注漿技術(shù)

井下鉆孔注漿技術(shù)：通過(guò)1-2下208運(yùn)順副幫與頂板分別向1-2上206采空區(qū)、1-2上208采空區(qū)施工高位鉆孔，施工完畢后將鉆孔與活雞兔井注漿管路相對(duì)接，便可對(duì)上分層采空區(qū)局部低洼點(diǎn)進(jìn)行注漿、注膏體，在上覆采空區(qū)局部形成隔離帶，減少向上覆采空區(qū)漏風(fēng)同時(shí)阻斷采空區(qū)“ O”型圈，如圖1所示。

圖1 1-2上206、1-2上208采空區(qū)注漿高位鉆孔注漿示意圖

采用密閉措施孔注漿：1-2煤復(fù)合區(qū)系列工作面回采前在切眼敷設(shè)兩趟注漿管路，待工作面回采600 m后利用活雞兔井注漿站并結(jié)合井下臨時(shí)注漿轉(zhuǎn)換池對(duì)切眼處進(jìn)行預(yù)防性注漿。工作面回采過(guò)程中對(duì)順槽每個(gè)聯(lián)巷一般防火密閉措施孔進(jìn)行注漿，有注漿高位鉆孔時(shí)對(duì)高位鉆孔也進(jìn)行注漿，如圖2所示。

圖2 1-2煤復(fù)合區(qū)系列工作面采空區(qū)聯(lián)巷注漿示意圖

地表打孔注漿技術(shù)：1-2煤復(fù)合區(qū)煤層屬淺埋深煤層，在工作面回采結(jié)束后，極易形成地表裂縫，采空區(qū)漏風(fēng)點(diǎn)較多，為煤自燃創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件。相反，在地表打設(shè)鉆孔進(jìn)行預(yù)防性注漿也相對(duì)較容易，實(shí)施效果相對(duì)明顯。在工作面推進(jìn)800～1 000 m后，可在采面原切眼及兩順槽對(duì)應(yīng)的地面垂直部位打設(shè)鉆孔安裝垂直注漿管路，便可對(duì)采空區(qū)兩道兩線(xiàn)最直接地進(jìn)行注漿覆蓋，消除了采空區(qū)煤自燃易發(fā)點(diǎn)的著火隱患。

2.3 “以快防火”方案

大功率重型綜采設(shè)備快速開(kāi)采技術(shù)：提高回采速度，不僅需要投入一套性能優(yōu)越、組織合理、高效安全的生產(chǎn)設(shè)備，其需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)、改造，優(yōu)化，提高其服務(wù)效率，并采用“大斷面、多通道、大風(fēng)量、低風(fēng)壓”的通風(fēng)系統(tǒng)、“長(zhǎng)運(yùn)距、大運(yùn)量、軟啟動(dòng)”的主運(yùn)系統(tǒng)、“無(wú)軌膠輪化”的輔助運(yùn)輸系統(tǒng)、“地面移動(dòng)箱式變電站鉆孔直供”的供電系統(tǒng)，同時(shí)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，對(duì)各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)并達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了平均推進(jìn)度14 m/d的快速開(kāi)采，起到主動(dòng)防火的作用。

多通道快速搬家技術(shù)：此技術(shù)可以使得靠近停采線(xiàn)區(qū)域的浮煤減少煤氧化接觸時(shí)間，減少采空區(qū)大面積漏風(fēng)，浮煤在進(jìn)入發(fā)火期之前便可回撤完畢，并進(jìn)一步通過(guò)采空區(qū)封閉全面隔絕氧接觸通道，避免發(fā)生自燃現(xiàn)象。目前工作面設(shè)備回撤時(shí)間可控制在6～8 d，后期封閉時(shí)間大約在5～7 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其自然發(fā)火期，對(duì)采空區(qū)煤自然發(fā)火起到了積極的抑制作用。

快速封閉新技術(shù)：工作面設(shè)備回撤完畢后，第一時(shí)間在采空區(qū)回撤通道兩端頭、兩順槽口進(jìn)行包圍封閉，切斷大面積漏風(fēng)通道，減少該區(qū)域浮煤氧化時(shí)間，密閉施工規(guī)格為0.5 m厚磚閉，大約用時(shí)3 d。包圍封閉后，再進(jìn)一步緊靠施工1 m磚閉+3.5 m黃土填充+1 m磚閉，最后在磚閉之間注入羅克休高分子膨脹材料加強(qiáng)密閉嚴(yán)密效果，減少漏風(fēng)，有效防止煤自燃。

2.4 控制漏風(fēng)措施

采用地表封堵的方法：針對(duì)活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)煤層埋深淺，回采完畢后出現(xiàn)地表大部分跨落塌陷等嚴(yán)重問(wèn)題，特成立專(zhuān)門(mén)的地表回填小組，采用SF6氣體示蹤法精密地測(cè)量出相應(yīng)采空區(qū)的漏風(fēng)量及漏風(fēng)地點(diǎn)，組織專(zhuān)門(mén)的機(jī)械化隊(duì)伍對(duì)漏風(fēng)地表區(qū)域進(jìn)行大規(guī)模縫隙回填堵漏，達(dá)到減少漏風(fēng)的目的，杜絕采空區(qū)遺煤的氧接觸條件。

采用密閉堵漏的方法：①在工作面即將推過(guò)聯(lián)巷時(shí)，在該聯(lián)巷密閉施工位置以?xún)?nèi)堆積黃土堆，使得后期密閉砌筑之后聯(lián)巷下邊角更好地隔絕密封外界；②密閉施工完畢后，對(duì)閉間空隙進(jìn)行灌注羅克休、三項(xiàng)泡沫等高分子發(fā)泡膨脹材料，起到密封效果；③對(duì)聯(lián)巷全范圍進(jìn)行噴漿，噴漿厚度不小于7 cm，最大限度隔絕漏風(fēng)；④全工作面嚴(yán)禁在回風(fēng)側(cè)控風(fēng)，統(tǒng)一在進(jìn)風(fēng)側(cè)控風(fēng)，減少漏風(fēng)量。

2.5 加強(qiáng)遺煤管控措施

采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)防管理最有效的措施是對(duì)回采工作面開(kāi)停采線(xiàn)、進(jìn)回風(fēng)道的綜合治理，工作面在初采開(kāi)始嚴(yán)格控制頂煤的遺留，以沿頂回采為標(biāo)準(zhǔn)，最大限度減少遺煤進(jìn)入采空區(qū)。切眼兩側(cè)順槽每推進(jìn)1 m都要進(jìn)行浮煤清理，并撒布巖粉、堆積沙袋，尤其是遇聯(lián)巷口必須沙袋堆積至頂，隔絕浮煤與空氣的接觸表面。聯(lián)巷密閉施工前首先將煤幫兩側(cè)的松散煤體、邊角跨落遺煤處理干凈方可進(jìn)行密閉施工。對(duì)于順槽煤幫的片幫煤、松散煤、設(shè)備遺漏煤等均應(yīng)清理干凈，必要的時(shí)候要停產(chǎn)處理，最大限度減少遺煤進(jìn)入采空區(qū)。生產(chǎn)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)綜放面放頂效果的考核，必須反復(fù)操作后尾梁和后插板，保證放煤干凈，避免頂煤進(jìn)入采空區(qū)留下自然發(fā)火隱患。工作面回采完畢，支架回撤期間，每回撤一臺(tái)支架都應(yīng)在塌陷區(qū)域撒布沙土、噴灑泥漿或高分子阻化劑，抑制浮煤氧化。

3 束管監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

3.1 人工預(yù)埋束管監(jiān)測(cè)技術(shù)

該技術(shù)主要從采空區(qū)“兩道兩線(xiàn)”區(qū)域提前敷設(shè)束管用于后期的采空區(qū)氣體人工采集通道，從而通過(guò)氣相色譜儀化驗(yàn)分析得出采空區(qū)當(dāng)前內(nèi)部的氣體分布情況，進(jìn)一步為采空區(qū)自然發(fā)火判斷及采取相應(yīng)的正面措施提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

進(jìn)風(fēng)側(cè)：在被測(cè)工作面的進(jìn)風(fēng)順槽內(nèi)自切眼起每隔200 m布置2個(gè)束管進(jìn)氣端，然后從順槽就近聯(lián)巷中引出固定作為束管采氣端。束管的敷設(shè)路徑緊貼順槽內(nèi)副幫腳線(xiàn)，在測(cè)點(diǎn)處沿副幫煤壁平緩弧度升起至距頂板200 mm處將2根束管分開(kāi)綁扎固定，兩趟束管全部由1.5吋的鋼管套全程穿引保護(hù)，在套管連接處用150 mm長(zhǎng)的2吋鋼管段套穿連接固定，防止切斷。敷設(shè)完畢后在煤幫腳線(xiàn)的束管套身每隔1 m壓置1個(gè)小型沙袋用于固定套管，防止采空區(qū)頂板跨落大塊巖石硬性對(duì)碰砸損束管管路。束管管路預(yù)埋完畢后，隨著后期工作面推進(jìn)，采空區(qū)形成，便可隨時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)側(cè)任何一段區(qū)域范圍的氣體分布情況。如圖3、圖4所示。

圖3 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)束管敷設(shè)示意圖

圖4 采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)束管敷設(shè)示意圖

回風(fēng)側(cè)：由于回風(fēng)側(cè)只有一條巷道，無(wú)外側(cè)輔運(yùn)巷，故無(wú)法將束管短距離敷設(shè)引出至聯(lián)巷，且長(zhǎng)距離敷設(shè)束管引至順槽口采氣時(shí)因距離過(guò)長(zhǎng)無(wú)法采集到內(nèi)部真實(shí)的氣樣，因此回風(fēng)側(cè)的束管預(yù)埋僅能實(shí)現(xiàn)采空區(qū)距順槽口500 m范圍內(nèi)的區(qū)域，最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)距離限制為順槽口以?xún)?nèi)500 m區(qū)域，束管埋設(shè)方式等同進(jìn)風(fēng)側(cè)。

3.2 紅外束管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

該技術(shù)主要用于監(jiān)測(cè)活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)下分層開(kāi)采工作面系列采空區(qū)內(nèi)回風(fēng)側(cè)氧化帶(90～244 m)的氣體成分，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)回風(fēng)側(cè)氧化帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。該技術(shù)所用設(shè)備為北京中才紅外束管廠(chǎng)家提供的JSG-4紅外束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，工作程序?yàn)椋喊惭b時(shí)將測(cè)點(diǎn)引出的束管連接在系統(tǒng)抽氣泵中，設(shè)備運(yùn)行時(shí)抽氣泵將抽采的氣樣輸送至分站內(nèi)傳感器中，傳感器通過(guò)感應(yīng)自動(dòng)得出氣樣中各成分的數(shù)據(jù)結(jié)果，同時(shí)將該數(shù)據(jù)通過(guò)光端機(jī)轉(zhuǎn)換成光路信號(hào)通過(guò)光纜傳至地面的系統(tǒng)軟件，通過(guò)軟件界面可以直觀地看出測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)氣體成分，如圖5所示。

圖5 紅外束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程說(shuō)明圖

束管敷設(shè)方案：工作面形成后，一次性從紅外分站處引進(jìn)2根束管(1號(hào)和2號(hào))沿回風(fēng)順槽副幫腳線(xiàn)由外向里直至切眼，束管的敷設(shè)路徑、保護(hù)措施與測(cè)點(diǎn)位置敷設(shè)方式等同于人工預(yù)埋束管。不同的是人工預(yù)埋束管一次性埋設(shè)完畢后無(wú)需后期的調(diào)整，而該技術(shù)中敷設(shè)完畢的束管需不間斷定期地進(jìn)行斷管、重新形成新的測(cè)點(diǎn)位置，以保證采空區(qū)氧化帶始終有測(cè)點(diǎn)束管進(jìn)氣端存在。

測(cè)點(diǎn)調(diào)整方式：當(dāng)工作面推進(jìn)150 m時(shí)，2根束管的進(jìn)氣端同時(shí)第一次進(jìn)入采空區(qū)150 m位置，也就是采空區(qū)第一次出現(xiàn)氧化帶位置，這時(shí)在工作面回風(fēng)隅角處斷開(kāi)1號(hào)束管，重新布置新的測(cè)點(diǎn)位置。當(dāng)工作面再推進(jìn)150 m時(shí)，2號(hào)束管測(cè)點(diǎn)進(jìn)氣端進(jìn)入采空區(qū)300 m位置，1號(hào)束管測(cè)點(diǎn)進(jìn)氣端第二次進(jìn)入采空區(qū)150 m位置，此時(shí)在工作面回風(fēng)隅角處斷開(kāi)2號(hào)束管，重新布置新的測(cè)點(diǎn)位置。當(dāng)工作面第三次推進(jìn)150 m時(shí)，2號(hào)束管測(cè)點(diǎn)進(jìn)氣端第二次進(jìn)入采空區(qū)150 m位置，1號(hào)束管測(cè)點(diǎn)進(jìn)氣端進(jìn)入采空區(qū)300 m位置，此時(shí)再斷開(kāi)1號(hào)束管重新布置新的測(cè)點(diǎn)位置……以此類(lèi)推，2根束管以150 m為臨界距離相互交替斷開(kāi)并布置新的測(cè)點(diǎn)位置，如圖6所示。需要注意的是2根束管在敷設(shè)前必須做好區(qū)分標(biāo)記，防止后期斷管時(shí)出現(xiàn)混淆不清的現(xiàn)象。這種方法保證了采空區(qū)內(nèi)0～300 m范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿(mǎn)足氧化帶90～240 m的監(jiān)測(cè)范圍。

圖6 測(cè)點(diǎn)示意圖

3.3 鉆孔束管監(jiān)測(cè)技術(shù)

該技術(shù)是通過(guò)在可用巷道內(nèi)鉆探相應(yīng)角度、尺寸、距離的鉆孔通往備測(cè)采空區(qū)，以達(dá)到氣樣采集化驗(yàn)監(jiān)測(cè)的目的。在鉆孔閥門(mén)處安設(shè)束管連接配件，使用負(fù)壓采樣器在束管接頭處進(jìn)行氣體采集，也可將束管通過(guò)鉆孔通道伸至采空區(qū)內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行采氣，將采到的氣體進(jìn)行色譜分析得出相應(yīng)的氣體成分?jǐn)?shù)據(jù)，掌握采空區(qū)氣體分布情況及浮煤氧化情況，為防滅火措施的采取提供依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤復(fù)合區(qū)煤層極易自燃，隨著綜放技術(shù)的應(yīng)用，使得綜放面自然發(fā)火危險(xiǎn)性增大，對(duì)煤礦生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。綜采放頂煤工作面的煤炭自燃又具有其獨(dú)特性，根據(jù)復(fù)合區(qū)綜放開(kāi)采煤層自燃特點(diǎn)，結(jié)合神東公司現(xiàn)有防滅火技術(shù)條件，應(yīng)建立健全采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)，采取實(shí)用性的有效預(yù)防發(fā)火措施及研究項(xiàng)目，形成一整套較完備的“以防為主、重點(diǎn)治理、防治結(jié)合”綜放開(kāi)采綜合防滅火技術(shù)。