淺埋深易自燃煤層綜合防滅火技術(shù)應(yīng)用

文/李海彥

煤層自燃是煤礦主要災(zāi)害之一，在煤礦事故中占有較大的比例。內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗特弘煤炭有限公司官板烏素煤礦現(xiàn)主采6號(hào)煤層，均為綜采放頂煤工作面，采空區(qū)遺煤多、空間大、漏風(fēng)嚴(yán)重，歷史上曾多次發(fā)生采空區(qū)自燃現(xiàn)象，防止煤層自燃成為礦井安全工作的重點(diǎn)。官板烏素煤礦在處理604工作面自燃現(xiàn)象過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，采取針對(duì)性措施，運(yùn)用多種防滅火手段，有效地制止了采空區(qū)遺煤自燃，為今后的防滅火工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

一 604工作面概況

官板烏素煤礦位于準(zhǔn)格爾煤田北部，本井田自上而下主采煤層有2層，即6-1、6號(hào)煤層，目前6-1煤已經(jīng)采完，只剩下6號(hào)煤層，6號(hào)煤層位于太原組中部。煤層埋深132.05～283.72m，平均201.00m。屬富灰、特低硫、低變質(zhì)長(zhǎng)焰煤。

604工作面位于6號(hào)煤層中。該面北以采區(qū)回風(fēng)下山為界，西以605綜放工作面采空區(qū)為鄰，東以603綜放工作面采空區(qū)為鄰，南以604工作面切眼為界。采用綜采放頂煤走向長(zhǎng)壁采煤法，走向長(zhǎng)度820m，傾斜長(zhǎng)度160m，平均煤層厚度12.5m，采高3m，回采放頂煤高度9.5m。該采面于2018年元月份安裝完畢，采面配風(fēng)950m3/min，工作面采用

二 礦井綜合防滅火技術(shù)應(yīng)用

上行通風(fēng)，運(yùn)輸順槽為工作面進(jìn)風(fēng)巷。當(dāng)月開(kāi)始試采，于2019年2月份結(jié)束，3月份撤架回收，4月初完成永久性封閉。

604工作面為放頂煤工作面，放頂煤高度為9.5m，受采煤工藝的限制，實(shí)際回收率在65%左右，造成采空區(qū)空間有大量遺煤,使得大量漏風(fēng)通過(guò)采空區(qū)，給采空區(qū)自燃創(chuàng)造了條件，僅靠單一的防滅火措施很難抑制采空區(qū)自燃，必須多管齊下，多措并舉，這樣才能有效控制采空區(qū)遺煤氧化自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

1.建立完善礦井火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系

（1）束管監(jiān)測(cè)及色譜分析。沿604采面回風(fēng)順槽敷設(shè)三根束管進(jìn)入采空區(qū)，三根束管的取氣點(diǎn)分別在604采空區(qū)以里20m、40m、60m處，交替外移，利用JSG-8井下自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)604工作面采空區(qū)的氣體進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷自然發(fā)火趨勢(shì)，以便對(duì)采空區(qū)遺煤自燃作出科學(xué)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

（2）安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)。在604采面、回風(fēng)隅角、采面回風(fēng)，各安設(shè)1臺(tái)一氧化碳傳感器，監(jiān)測(cè)一氧化碳，同時(shí)在604采面回風(fēng)隅角和采面回風(fēng)安設(shè)溫度傳感器，對(duì)溫度變化進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。

（3）人工檢測(cè)與取樣分析化驗(yàn)。瓦斯員每班兩次對(duì)604采面、回風(fēng)隅角及采面回風(fēng)一氧化碳?xì)怏w和溫度情況進(jìn)行檢測(cè)，每天對(duì)上隅角進(jìn)行一次取氣，利用SP3430型煤礦專(zhuān)用氣相色譜儀檢測(cè)氣體組份。

通過(guò)上述三種預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)手段，及時(shí)填繪各種氣體組分和溫度變化曲線，根據(jù)變化趨勢(shì)，判斷采空區(qū)遺煤氧化程度，為采取相應(yīng)的防治措施提供依據(jù)。

2.注漿防滅火系統(tǒng)及應(yīng)用

利用風(fēng)井工業(yè)場(chǎng)地面注漿設(shè)備，一套FMH-60T全自動(dòng)黃土注漿防滅火系統(tǒng)，對(duì)604采空區(qū)進(jìn)行預(yù)防性灌漿。漿液經(jīng)攪拌機(jī)制成后，進(jìn)入灌漿池，由灌漿泵將漿液輸送到地表灌漿管，再流入風(fēng)井井筒灌漿管到井下灌漿管路。

根據(jù)本礦開(kāi)拓布置特點(diǎn)，井下采用隨采隨灌、埋管灌漿的注漿方法，在604輔運(yùn)順槽內(nèi)敷設(shè)注漿管路，與主管路連接，從回風(fēng)順槽向工作面采空區(qū)灌漿。重點(diǎn)對(duì)兩道、兩線（即上、下順槽，切眼和停采線）進(jìn)行預(yù)防性灌漿，灌漿時(shí)，先在采空區(qū)外圍形成密封的泥漿帶，再往深處灌漿，既保證了灌漿效果，又減少了水、土的消耗。

3.注惰防滅火系統(tǒng)及應(yīng)用

礦井下配有一套移動(dòng)式Dt-400/6碳分子篩制氮機(jī)，氮?dú)猱a(chǎn)量400m3/h，氮?dú)饧兌取?7%，氮?dú)獬隹趬毫Α?.6MPa。注氮方法為埋管式注氮：在工作面進(jìn)風(fēng)（順槽）一側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路。當(dāng)埋入一定深度后開(kāi)始注氮，同時(shí)埋設(shè)第二趟注氮管路。當(dāng)?shù)诙俗⒌芸诼袢氩煽諈^(qū)氧化帶與冷卻帶的交界部位時(shí)開(kāi)始向采空區(qū)注氮，同時(shí)停止第一趟管路注氮，并重新埋設(shè)注氮管路，如此循環(huán)，直至工作面采完為止。

注氮方式從空間上分為開(kāi)放式注氮和封閉式注氮，在不影響工作面的正常生產(chǎn)和人身安全時(shí)，可采用開(kāi)放式注氮。從時(shí)間上分為連續(xù)性注氮和間斷性注氮。工作面開(kāi)采初期和停采撤架期間，或因遇地質(zhì)破碎帶、機(jī)電設(shè)備等原因造成工作面推進(jìn)緩慢，宜采用連續(xù)性注氮。工作面正?；夭善陂g，可采用間斷性注氮。

4.噴灑阻化劑抑制采空區(qū)遺煤氧化

604綜放工作面配備2套BH-40/2.5型阻化劑噴射泵（一用一備），最高壓力：4MPa；最大流量：36～55L/min；最大射程：28m（接20m管路）；保證隨時(shí)能夠向采面、架間、隅角浮煤噴灑阻化劑。

采用來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜、阻化率高、配制容易、對(duì)設(shè)備無(wú)腐蝕的工業(yè)氯化鎂(MgCl2·6H2O)作為阻化劑。根據(jù)實(shí)踐情況，阻化劑溶液濃度控制在15%～20%之間效果最好。工作面藥液的噴灑量根據(jù)采空區(qū)的丟煤量和丟煤的吸液量而定。對(duì)易發(fā)生煤炭自燃的部位，如工作面的上下口、巷道煤柱破碎堆積帶等處進(jìn)行加量噴灑。

5.利用均壓技術(shù)減少向采空區(qū)漏風(fēng)

為了減少604采面進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)的壓差，在604采面的進(jìn)風(fēng)側(cè)構(gòu)筑一道調(diào)節(jié)風(fēng)墻，根據(jù)采面上隅角和采面的CO涌出情況，實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以降低采空區(qū)兩側(cè)的壓差，減少采面向采空區(qū)的漏風(fēng)。同時(shí)在604綜放工作面上下順槽入口處，各安設(shè)一臺(tái)風(fēng)壓傳感器，實(shí)時(shí)觀測(cè)采面上下端頭壓差，按照以往的經(jīng)驗(yàn)值，上下兩端壓差控制在10Pa以內(nèi)，一旦發(fā)現(xiàn)超過(guò)這個(gè)數(shù)值，立即采取減小壓差的措施。

6.采用科學(xué)合理的開(kāi)采工藝

（1）采用科學(xué)的巷道布置和采煤工藝。避免或減少煤體碎裂，減少孔隙度，從而可以減少氧氣向煤體內(nèi)部擴(kuò)散的通道，減小反應(yīng)面，達(dá)到降低氧化速度的目的。采區(qū)設(shè)計(jì)的原則是盡量少留煤柱，相鄰的兩個(gè)工作面留設(shè)煤柱時(shí)，適當(dāng)加大尺寸，留設(shè)17m寬的保護(hù)煤柱，這個(gè)寬度能保證煤柱在服務(wù)期內(nèi)不被壓酥。選用走向長(zhǎng)臂式綜合機(jī)械化采煤工藝，這種采煤方法巷道布置簡(jiǎn)單，準(zhǔn)備周期短，具有較大的防火安全性；工作面回采速度快，生產(chǎn)集中，單產(chǎn)高，在相同產(chǎn)量的條件下，煤壁暴露時(shí)間短，及時(shí)放頂煤，使采空區(qū)頂板及時(shí)冒落壓實(shí)，浮煤與漏風(fēng)接觸時(shí)間短；采煤工作面采用后退式開(kāi)采，根據(jù)煤層自然發(fā)火期確定采面月推進(jìn)度為60m，盡快將氧化后的遺煤及早甩入窒息帶。

（2）制定合理的放頂煤區(qū)域，加強(qiáng)頂板管理。礦井是綜采放頂煤采煤工藝，且階段連續(xù)開(kāi)采，煤柱受采動(dòng)壓力影響，在回采下一個(gè)階段時(shí)，與上一階段采空區(qū)之間的煤柱承壓較大，煤柱形成裂隙，存在漏風(fēng)和發(fā)火危險(xiǎn)，為此，采面上下端頭各留有三架不放頂煤，以減小上下兩巷頂板的壓力，盡最大限度保護(hù)兩巷煤柱的完整性，控制裂隙的形成，切斷漏風(fēng)通道，從而達(dá)到抑制氧化的目的。此外，加強(qiáng)對(duì)頂板的管理，根據(jù)礦壓在線觀測(cè)記錄,掌握周期來(lái)壓時(shí)間節(jié)點(diǎn)，提前對(duì)采空區(qū)采取加強(qiáng)型注漿注惰措施，加大阻化劑噴灑密度，應(yīng)對(duì)可能由于頂板來(lái)壓給采面正常推進(jìn)造成的影響，防患于未然。

（3）加快推進(jìn)度，優(yōu)化“三帶”管理。采空區(qū)除了橫向的“三帶”，還有豎直方向的“三帶”，把采空區(qū)浮煤盡早甩入窒息帶是制止采空區(qū)自然發(fā)火的最有效手段。在盡可能提高回收率、減少采空區(qū)丟煤的同時(shí)，加快采面的推進(jìn)度是防止604綜放工作面自然發(fā)火的重中之重，因此還要從生產(chǎn)環(huán)節(jié)來(lái)配合礦井的防滅火工作。按照束管采樣分析的結(jié)果，采空區(qū)縱深60m處的氧氣在5%以下，此處已經(jīng)具備失燃條件，結(jié)合礦自然發(fā)火期限51天，所以在制定作業(yè)計(jì)劃時(shí)，把604綜放工作面的月推進(jìn)度定在60m以上，留足了80%的冗余系數(shù)，從根本上切斷了采空區(qū)的自燃條件。

7.通風(fēng)技術(shù)手段

（1）合理配風(fēng)。調(diào)整工作面供風(fēng)風(fēng)量，破壞采空區(qū)熱量積聚的條件，盡可能減少采空區(qū)供氧量是工作面供風(fēng)的基本原則，按照《煤礦安全規(guī)程》有關(guān)工作面風(fēng)量計(jì)算的規(guī)定，按工作面氣象條件選擇適宜的風(fēng)速計(jì)算出來(lái)的風(fēng)量值最大，其計(jì)算結(jié)果為：

在實(shí)際推采過(guò)程中，受頂板壓力以及其他因素的影響，采面的有效斷面只有標(biāo)準(zhǔn)斷面的60%～70%左右，按照65%～75%的系數(shù)進(jìn)行修改，隨著工作面有效斷面的大小而調(diào)整工作面配風(fēng)，將采面供風(fēng)量調(diào)整為840m3/min～970m3/min，風(fēng)量調(diào)整后的604工作面既滿足了氣象條件，也大大減少了向采空區(qū)的漏風(fēng)現(xiàn)象。

（2）上封下堵。采空區(qū)的浮煤吸附空氣中的氧，生成不穩(wěn)定的氧化物，放出少量的熱，隨著時(shí)間的維持，煤的氧化速率會(huì)增快，發(fā)熱量會(huì)逐漸增大，如果改變供氧條件，能有效制止采空區(qū)浮煤自燃速度，因此，在604綜放工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角每隔10m用渣袋對(duì)隅角進(jìn)行封堵1次，改變了采空區(qū)的漏風(fēng)路線，如圖1所示，從而改變了正在蓄熱的浮煤的供氧狀況，打破了浮煤原有的蓄熱平衡，達(dá)到了延長(zhǎng)潛伏期的目的。

（3）量化管理。根據(jù)以往工作面治理采空區(qū)自然發(fā)火的經(jīng)驗(yàn)，制定了嚴(yán)格的CO和溫度控制指標(biāo)。

CO控制指標(biāo)：當(dāng)采面回風(fēng)一氧化碳濃度絕對(duì)量達(dá)到0.005m3/min，并有繼續(xù)上升趨勢(shì)時(shí)，立即采取密集取氣化驗(yàn)手段，分析產(chǎn)生氧化的地點(diǎn)，在架間插2寸管，利用多功能阻化泵，向采空區(qū)注射阻化劑，同時(shí)在進(jìn)風(fēng)隅角向采空區(qū)注氮?dú)猓划?dāng)采面回風(fēng)一氧化碳絕對(duì)量達(dá)到0.008m3/min時(shí)，立即撤人，采取進(jìn)一步的防治措施。

溫度控制指標(biāo)：按照以往的經(jīng)驗(yàn)，6號(hào)煤各個(gè)工作面的溫度都在14℃～17℃之間，以上限為準(zhǔn)，超過(guò)17℃而且仍有上升趨勢(shì)時(shí)，必須分析氧化發(fā)熱點(diǎn)，同時(shí)采取向采空區(qū)注氮或注漿措施；當(dāng)工作面溫度超過(guò)25℃時(shí)，立即撤人，采取進(jìn)一步的防治措施。

8.地面治理

由于煤層埋藏淺，604綜放工作面煤厚達(dá)12.5m，隨著工作面推進(jìn)，地表不斷地產(chǎn)生非連續(xù)式裂縫破壞帶，且出現(xiàn)了下沉跡象，致使采空區(qū)和地表間形成裂隙通道，礦井采用抽出式通風(fēng)，在地面與采空區(qū)通風(fēng)壓差的作用下，漏風(fēng)風(fēng)流由地面裂隙處滲入，經(jīng)過(guò)采空區(qū)，然后往工作面回風(fēng)側(cè)或其他低位能點(diǎn)滲漏，滲漏給采空區(qū)浮煤提供了供氧通道，延續(xù)了采空區(qū)深部浮煤的氧化環(huán)境。針對(duì)這些情況，采取了充填黃土的措施封堵地面裂隙，減少了通過(guò)地表和采空區(qū)之間的漏風(fēng)，并在充填黃土的基礎(chǔ)上，進(jìn)行復(fù)墾，利用農(nóng)作物根系的抗拉和抗剪切作用，既加強(qiáng)了水土的凝聚力，又保持了水土不流失。

圖1 604工作面漏風(fēng)范圍示意圖

三 效果及建議

通過(guò)采取上述一系列措施，有效防止了604綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火現(xiàn)象，604綜放工作面于2019年2月份開(kāi)采結(jié)束，3月份撤架回收，4月初封閉，安全采出煤炭150萬(wàn)噸。鑒于此，對(duì)于類(lèi)似604綜放工作面這樣的易自然發(fā)火礦井，防滅火管理要以預(yù)防為主，應(yīng)采取以下的綜合防滅火措施。

一是建立完善的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每日進(jìn)行綜合分析，警惕自然發(fā)火現(xiàn)象每一個(gè)細(xì)小變化，為防止自然發(fā)火贏得時(shí)間。二是及時(shí)采用注漿、注惰、噴灑阻化劑等防滅火措施，抑制浮煤發(fā)生氧化現(xiàn)象。三是利用開(kāi)采技術(shù)、均壓技術(shù)和通風(fēng)管理手段輔助治理，從而達(dá)到延長(zhǎng)潛伏期的目的。四是進(jìn)行地面治理，切斷地面漏風(fēng)通道。