淺析煤礦下分層開采防滅火技術(shù)

王志榮

【摘 ?要】在煤礦開采作業(yè)過程中，安全問題始終是煤礦企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。近年來，我國發(fā)生了數(shù)起礦井火災(zāi)事故，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)多數(shù)煤炭火災(zāi)都和煤炭自燃有關(guān)。其主要原因在于，煤層被開采和破碎之后，破碎的煤體與空氣接觸，發(fā)生了氧化反應(yīng)，并放出熱量。煤發(fā)生氧化反應(yīng)后使煤堆的溫度升高，煤溫度升高后又加速了煤的氧化反應(yīng)速度，這樣就使煤堆的溫度越來越高，當(dāng)溫度超過煤的自身燃點(diǎn)時就會自燃。煤炭自燃對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，所以需要對分層開采技術(shù)加以利用。基于此，本文以某煤礦為例，從造成煤礦下分層開采發(fā)生火災(zāi)的原因入手，討論煤礦下分層開采防滅火技術(shù)的利用，最后分析如何加強(qiáng)煤礦下分層開采防滅火管理，希望對相關(guān)研究帶來幫助。

【關(guān)鍵詞】煤礦;下分層;開采;防滅火技術(shù)

通過煤礦下分層開采方式進(jìn)行采用，能夠提升開采效率和安全性，不過在煤礦開采過程中存在著空采區(qū)遺留殘余煤炭較多的問題以及漏風(fēng)情況，容易出現(xiàn)煤層以及礦井煤炭自燃的現(xiàn)象，需要加強(qiáng)管理。

一、礦井概況

某煤礦面積約124.5km2，截至2020年底，全礦井保有資源儲量7.6億噸，可采儲量4.72億噸。2021經(jīng)過產(chǎn)能核定，確認(rèn)其生產(chǎn)能力為1380萬噸/年，井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，煤層賦存穩(wěn)定，瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井。該煤礦已經(jīng)建立火災(zāi)預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)，涵蓋人工現(xiàn)場檢測、束管監(jiān)測系統(tǒng)、分布式光纖測溫系統(tǒng)及監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

（一）礦井火災(zāi)防治現(xiàn)狀

1煤自燃發(fā)火基礎(chǔ)參數(shù)

該煤礦所有煤層均為一類易自燃煤層，其中兩層煤層的最短自燃發(fā)火期分別為38天和62天。

（二）火災(zāi)預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)

某礦設(shè)立了綜合預(yù)測預(yù)報體系，其中涵蓋人工現(xiàn)場檢測、分布式光纖測溫系統(tǒng)、束管監(jiān)測系統(tǒng)。在礦井安裝了一套KSS--200礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)以及兩套JSG8礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)，主要作用在于實(shí)時監(jiān)測井下溫度和氣體情況[1]。

（三）防滅火系統(tǒng)建設(shè)

1注漿防滅火系統(tǒng)

該煤礦在立風(fēng)井廣場設(shè)置了ZLJ-80型地面灌漿系統(tǒng)，下漿管路設(shè)置在回風(fēng)立井，然后在回風(fēng)大巷鋪設(shè)DN150注漿管路，通過三通連接DN100注漿管路進(jìn)入工作面順槽。

2注氮防滅火系統(tǒng)

該礦井現(xiàn)有兩套制氮系統(tǒng)，分別由兩臺DM-1000型制氮機(jī)和兩臺ATM37000空氣壓縮機(jī)組成。

二、礦井煤自燃探查方案分析

1、溫度探測方法

在工作面巷道內(nèi)或其頂?shù)装迓裨O(shè)分布式測溫光纖，持續(xù)檢測采空區(qū)溫度變化情況，達(dá)到報警溫度時，及時報警并定位升溫區(qū)段。

2、采空區(qū)氣體探測方法

煤在氧化升溫過程中，會釋放出CO、CO2、烷烴、烯烴以及炔烴等指性氣體。這些氣體的產(chǎn)生率隨煤溫上升而發(fā)生規(guī)律性的變化，能預(yù)測和反映煤自然發(fā)火狀態(tài)。如CO貫穿于整個煤自然發(fā)火過程中，一般在50℃以上就可測定出來，出現(xiàn)時濃度較高;烷烴（乙烷、丙烷）出現(xiàn)的時間幾乎與CO同步，貫穿于全過程，但其濃度低于CO，而且在不同煤種中有不同的顯現(xiàn)規(guī)律;烯烴較CO和烷烴出現(xiàn)得晚，乙烯在110℃左右能被測出，是煤自然發(fā)火進(jìn)程加速氧化階段的標(biāo)志氣體，在開始產(chǎn)生時，濃度略高于炔烴氣體;炔烴出現(xiàn)的時間最晚，只有在較高溫度段才出現(xiàn)，與前兩者之間有一個明顯的溫度差和時間差，是煤自然發(fā)火步入激烈氧化階段（也即燃燒階段）的產(chǎn)物。因此，在這一系列氣體中，選擇一些氣體作為指標(biāo)氣體，以及準(zhǔn)確檢測，就能可靠判斷自然發(fā)火的征兆和狀態(tài)。

褐煤、長焰煤、氣煤、肥煤以烯烴或烷比為首選，以CO及其派生的指標(biāo)為輔;焦煤、貧煤和瘦煤則以CO及其派生的指標(biāo)為首選，C2H4或烯烷比為輔;無煙煤和高硫煤唯一依據(jù)是CO及其派生指標(biāo);低變質(zhì)程度煤著火征兆的靈敏指標(biāo)為C2H4。

3、同位素氡探測方法

煤自燃會析出同位素氡，氡會隨氣流及地層裂隙擴(kuò)散到地表，所以在煤層自燃方面常有采用測量同位素氡的方法。此方法所測得的氡值異常，與氡元素析出至測量位置的氡濃度有關(guān)，而同位素氡的運(yùn)移又與運(yùn)移通道有關(guān)，在存在大面積采空區(qū)的范圍內(nèi)，一般裂隙較發(fā)育且不均勻，氡元素順通道和氣流運(yùn)移輸出，所以淺表測得的氡異常并不一定和深部煤層自燃區(qū)范圍一一對應(yīng)，采用該方法探測時，要結(jié)合采空區(qū)分布情況、氡值異常特征綜合分析。

三、造成煤礦下分層開采采空區(qū)氣體異常的原因

其一，綜放面在推進(jìn)過程中遇到強(qiáng)礦壓導(dǎo)致嚴(yán)重的底鼓、漏頂問題，造成工作面近15天推進(jìn)僅為20m，并且在空采區(qū)遺留較多的碎煤，由于推進(jìn)速度慢，延長了采空區(qū)遺煤的氧化時間;

其二，工作面區(qū)域的煤柱強(qiáng)度偏低，并且松軟破碎，漏風(fēng)嚴(yán)重;

其三，地表回填受氣溫偏低的影響，加之地表存在凍土層，盡管表層間隙已經(jīng)回填，不過深部依然存在隱蔽裂縫，埋深最淺處只有27m，并且地表塌陷臨近工作面，下分層回采時存在地表塌陷情況，難以控制漏風(fēng)問題[2]。

四、煤礦下分層開采防滅火技術(shù)的利用

（一）均壓防滅火

空采區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)和密封墻的位置需要設(shè)置壓力檢測裝置，分析壓力差分布情況，在礦井通風(fēng)機(jī)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下調(diào)整井下的流量，對主要巷道風(fēng)壓分布進(jìn)行改變，然后讓空采區(qū)的進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)風(fēng)壓接近平衡，避免采空區(qū)內(nèi)部空氣流通，以此斷絕氧氣，切斷自燃條件。

（二）預(yù)防性注漿

1注漿材料選擇

在當(dāng)前的防滅火工作中，注漿材料主要采用漿砂以及粉煤灰，不同的材料的性質(zhì)以及防火效果存在差異。具體說來，注砂漿容易就地取材，并且注入空采區(qū)后堆積效果良好，主要用于封堵式防滅火注漿，缺點(diǎn)在于流動性差、容易沉淀，聚積在鉆孔周邊容易出現(xiàn)堵塞。注粉煤灰的優(yōu)勢在于原材料來源廣泛，并且封堵效果好，不容易堵塞鉆孔，材料價格低，在覆蓋式防滅火注漿施工中效果顯著。

2注漿措施

空采區(qū)滅火防控以及治理為隱蔽工程，該項(xiàng)工作開展的主要難題在于對火源位置以及著火程度進(jìn)行判斷。預(yù)防性注漿措施成為當(dāng)前礦井空采區(qū)防火的重要手段，通過地面施工，采取定向注漿鉆孔輸送漿液的方法，使其在空采區(qū)流動，進(jìn)而對空采區(qū)的煤封堵和覆蓋，阻隔氧氣、降低溫度[3]。該煤礦容易出現(xiàn)自燃的區(qū)域集中在停采線、上下分層巷道交匯處以及聯(lián)絡(luò)巷口位置，所以要通過地表打鉆的方式對以上容易出現(xiàn)自燃的地點(diǎn)進(jìn)行靶向注漿，通過該措施能夠縮短注漿工期，節(jié)約施工費(fèi)用。

（三）通風(fēng)系統(tǒng)

一方面，工作面范圍內(nèi)的通風(fēng)構(gòu)筑物需要保證風(fēng)門風(fēng)橋具有密實(shí)性，有效減少漏風(fēng);另一方面，空采區(qū)和廢棄巷道需要每周進(jìn)行防火檢查，在檢查過程中如果發(fā)現(xiàn)一氧化碳異常情況需要及時采取防滅火措施。此外，在應(yīng)急滅火方面要求制定應(yīng)急預(yù)案，設(shè)立以礦長為組長的總指揮部，由總工程師為總負(fù)責(zé)人，對火災(zāi)應(yīng)急指揮部門進(jìn)行管理，確保人員分工明確，并定期開展應(yīng)急演練。

（四）注氮

1制取氮?dú)?/p>

煤礦開采過程中防滅火工作需要對氮?dú)馐褂茫饕前芽諝庵械臍怏w成分分離獲得，所以技術(shù)人員要結(jié)合煤礦工程實(shí)際選取制氮設(shè)備。目前主要以地面移動式、地面固定式、井下移動式的設(shè)備為主。

2 注氮工藝參數(shù)選擇

一般情況下，煤礦防滅火采取埋管操作的方法，以此達(dá)到安全生產(chǎn)以及防滅火目標(biāo)，在實(shí)際操作過程中，需要把注氮管埋設(shè)在井下巷道當(dāng)中。一般采空區(qū)采用鉆孔方式，然后利用注氮管輸送氮?dú)?，要求技術(shù)人員每間隔一定距離預(yù)設(shè)釋放口，然后設(shè)置在和煤層底板以上20-30cm的位置，這樣煤層底板以上環(huán)境的石塊可以對注氮管進(jìn)行保護(hù)，避免孔口堵塞。在注氮地點(diǎn)的管理上需要以防火效果為主，采取拉管移動式，主要是利用回柱絞車向外牽引埋管，確保埋管移動周期和工作面同步運(yùn)行，進(jìn)而讓采空區(qū)注氮孔在氧化自燃環(huán)境內(nèi)。與此同時，要求結(jié)合采空區(qū)養(yǎng)護(hù)、窒息與自燃帶寬度確定埋管以及打孔方式，確保采空區(qū)注氮連續(xù)性。在煤礦巷道火災(zāi)撲滅過程中，需要在封閉后連續(xù)注入氮?dú)?，將采空區(qū)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在10%之內(nèi)，可以有效防止瓦斯爆炸事故。在氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到1%-2%能夠?qū)崿F(xiàn)快速滅火[4]。

（五）采空區(qū)地表塌陷裂縫回填

由于地表受到二次或多次采動影響，分層開采的采空區(qū)地表塌陷裂縫更為發(fā)育，采空區(qū)漏風(fēng)更為嚴(yán)重，所以地表回填的作用就尤為突出。對于淺埋深分層開采的礦井應(yīng)在采空區(qū)老頂初次來壓后安排專人每天進(jìn)行地表巡查，發(fā)現(xiàn)裂縫及時安排人員進(jìn)行回填，滯后工作面的距離不宜大于50米。對于回填后再次出現(xiàn)的裂縫要進(jìn)行二次或多次回填，直至地表裂縫充分填實(shí)，無漏風(fēng)現(xiàn)象。對于地表基巖裸露或地形復(fù)雜的裂隙，應(yīng)采用機(jī)械回填，并使用黃土進(jìn)行覆蓋，雨后要重點(diǎn)進(jìn)行復(fù)查整改。對于較大裂縫多次回填后仍無明顯效果的，可對裂縫采取高土水比注漿措施。

五、如何加強(qiáng)煤礦下分層開采防滅火管理

其一，為了有效、快速、有序的對問題整改需要成立指揮部，一旦發(fā)現(xiàn)空采區(qū)存在氣體異常情況要求煤礦企業(yè)立即成立防火領(lǐng)導(dǎo)小組，分析采空區(qū)氣體異常的原因，及時采取防滅火措施，對設(shè)備，材料、技術(shù)利用加強(qiáng)指導(dǎo)。

其二，對各級管理人員和作業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)，進(jìn)行一通三防知識宣傳，讓全體人員具有一通三防的紅線意識。

其三，需要堅(jiān)持快速掘進(jìn)、快速開采、快速回撤、快速封閉的管理措施。對地面注漿地表堵漏以及井下注氮采取預(yù)防性措施。

其四，對現(xiàn)有的管束監(jiān)測系統(tǒng)加以維護(hù)，做好氣體采樣監(jiān)控工作，以此延長氣體采樣抽氣時間，確保采集的氣體樣品具有真實(shí)性，然后比對自燃發(fā)火指標(biāo)性氣體開展化驗(yàn)工作，發(fā)現(xiàn)異常要立即采取措施。

其五，在新形成的工作面巷道內(nèi)或其頂?shù)装迓裨O(shè)分布式測溫光纖，工作面回采結(jié)束，光纖設(shè)備留在內(nèi)部，持續(xù)檢測溫度變化情況，達(dá)到可報警溫度時，及時報警并定位升溫區(qū)段。

其六，在實(shí)際工作中需要加強(qiáng)培訓(xùn)，全面提升一通三防人員的專業(yè)水平，具有敏銳的觀察能力和提前預(yù)判能力，并且需要配備齊全具有一通三防專業(yè)知識的技術(shù)管理人才，以此滿足礦井一通三防工作開展需要。

其七，方案在實(shí)際工作中需要完善防火應(yīng)急處理機(jī)制，能夠及時處置要求對注漿設(shè)備、注氮儀器等方面或裝備加強(qiáng)管理，做好維修保養(yǎng)工作，確保隨時能夠投入使用。

其八，明確責(zé)任分工，需要成立設(shè)備、材料、技術(shù)方案現(xiàn)場施工以及監(jiān)督保障等小組。

其九，合理規(guī)劃開采設(shè)計，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)，從設(shè)計源頭將煤礦防滅火工作深入其中。

結(jié)束語：

綜上所述，煤礦下分層防火技術(shù)有著重要作用，在實(shí)際工作開展中必須全面分析導(dǎo)致煤炭自燃的因素，然后采取技術(shù)性測試和管理性措施，完善礦井注漿、注氮等綜合防滅火系統(tǒng)，然后采取井上下堵漏以及空采區(qū)氣體監(jiān)測措施，通過多項(xiàng)舉措確保工作面處于安全生產(chǎn)環(huán)境狀態(tài)。此外，需要做好地表回填工作，增加資金及人員的投入，保證現(xiàn)場巡查工作的深入開展，減少空采區(qū)漏風(fēng)情況，進(jìn)而確保礦井的安全作業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄒德龍.綜放工作面通過上分層隱蔽老火區(qū)防滅火技術(shù)實(shí)踐[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2018，13（2）：188-190.

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