煤礦采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)防措施的探討與實(shí)踐

文/孫學(xué)東

礦井火情火災(zāi)是威脅煤礦安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦井火災(zāi)中自燃火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%，全國(guó)重點(diǎn)煤礦具有自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)的礦井約占47%，且大部分自然發(fā)火都發(fā)生在采空區(qū)附近。因此，要深入分析開(kāi)采工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，并采取有針對(duì)性的防滅火措施。開(kāi)灤集團(tuán)承德興隆礦業(yè)有限責(zé)任公司根據(jù)1303綜合放頂煤采煤工作面采空區(qū)自然發(fā)火特點(diǎn)，通過(guò)深入分析實(shí)踐，探索出了預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火、提高工作面安全水平的具體路徑，取得了顯著成效。

一、工作面概況

1303采煤工作面位于興隆礦業(yè)一水平東一盤(pán)區(qū)1號(hào)煤層，東至井田邊界，西接礦井開(kāi)拓大巷，北臨1305掘進(jìn)工作面，下部暫無(wú)采掘工程。1303采煤工作面傾向長(zhǎng)度為250m、走向長(zhǎng)度2400m，煤層傾角小于8°，煤層厚度為25.2m，煤層平均埋深325m，采用綜合放頂煤開(kāi)采，采高5.5m，放煤高度20.35m，采放比為1∶3.7。煤塵具有爆炸性，屬于二類(lèi)自燃煤層，煤層自然發(fā)火期為60天。

二、主要預(yù)防措施

針對(duì)工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，需采取有效的安全預(yù)防與防滅火治理措施，一般采用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、采空區(qū)注氮、采空區(qū)灌漿、均壓滅火、阻化劑防火等綜合防滅火技術(shù)措施進(jìn)行預(yù)防和治理。

1.建立火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

開(kāi)采容易自燃和自燃煤層的礦井，必須建立自然發(fā)火束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并輔以人工采樣監(jiān)測(cè)的方式，隨時(shí)監(jiān)測(cè)相關(guān)地點(diǎn)的自然發(fā)火情況，時(shí)刻掌握防止自然發(fā)火的主動(dòng)權(quán)。

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是目前最主流的連續(xù)自動(dòng)分析系統(tǒng)，分正壓輸送氣樣和負(fù)壓輸送氣樣兩種方式，其中正壓束管能夠降低管路漏氣、進(jìn)水等影響氣樣采集的不利因素，技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體取樣輸送至氣樣分析室，然后再利用色譜分析儀對(duì)氣樣進(jìn)行分析，得出甲烷、一氧化碳、氧氣、乙烯、乙炔、二氧化碳等氣體的濃度，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果對(duì)相應(yīng)地點(diǎn)的煤的自然發(fā)火階段作出判斷。具體來(lái)說(shuō)，在1303采煤工作面回風(fēng)隅角端頭支架后側(cè)、隅角風(fēng)障前側(cè)，距底板1.8m處布置一趟單芯束管，此束管與端頭支架一同固定，隨支架移動(dòng)而移動(dòng)；在工作面回風(fēng)順槽布置一趟用鐵管保護(hù)的三芯束管，其上布置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距40m。隨著采煤工作面不斷回采，預(yù)設(shè)的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次進(jìn)入采空區(qū)，當(dāng)預(yù)設(shè)的第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的氧氣濃度降低到5%以下時(shí)，斷開(kāi)第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在第三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)向外40m處重新布置新的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。依此測(cè)點(diǎn)布置方式循環(huán)布置，直到采煤工作面回采結(jié)束。

人工監(jiān)測(cè)，即每班安排專(zhuān)人對(duì)采煤工作面、回風(fēng)隅角，以及支架后部的采空區(qū)，每隔10架支架進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)反饋。

2.采取采空區(qū)注氮預(yù)防措施

采空區(qū)注氮防火是指將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)或者火區(qū)，起到惰化作用，阻止煤炭氧化自燃，提高采空區(qū)的相對(duì)壓力，使采空區(qū)呈正壓狀態(tài)來(lái)防止新鮮風(fēng)流流入，降低采空區(qū)溫度來(lái)阻止采空區(qū)煤炭氧化升溫，從而防止煤炭自然發(fā)火。

1303工作面采空區(qū)注氮管路以1303采煤工作面進(jìn)風(fēng)順槽開(kāi)始，一直布置到工作面。注氮管路采用直徑為100mm的鐵管，再利用軟管與直徑108mm的內(nèi)絲套管相連，并將套管從工作面切眼外25m處埋入，套管與接頭相連接；氮?dú)忉尫趴诓捎媒饘倩ü芘c套管相連接，金屬花管與底板垂直布置。當(dāng)工作面向外回采50m時(shí)，啟動(dòng)1號(hào)套管注氮；當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)到75m時(shí)鋪設(shè)2號(hào)套管，原理同上；當(dāng)采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)到100m時(shí)，此時(shí)應(yīng)停止1號(hào)套管注氮，2號(hào)套管開(kāi)始注氮。依上所述，采煤工作面每推進(jìn)50m，關(guān)閉前一個(gè)注氮口、開(kāi)啟下一個(gè)注氮口，直到工作面回采完畢。

注入氮?dú)獾牧髁浚喊凑詹煽諈^(qū)氧化帶漏風(fēng)量取12m3/min，注入惰性氣體的防火惰化指標(biāo)可取7%，采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧濃度取平均值14%，注入惰性氣體純度為97%，考慮到1.5的備用系數(shù)，經(jīng)計(jì)算，1303綜放工作面注氮量為1890m3/h。

3.采取均壓防火技術(shù)預(yù)防措施

均壓防火技術(shù)是指通過(guò)設(shè)置調(diào)壓或者調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，改變井下巷道中空氣的壓力分布狀態(tài)，達(dá)到抑制煤炭自然發(fā)火的目的。根據(jù)均壓區(qū)是否封閉，分為閉區(qū)均壓和開(kāi)區(qū)均壓兩種方式。

1303工作面采取開(kāi)區(qū)均壓的方式，在工作面建立了均壓系統(tǒng)，在保證工作面所需要的風(fēng)量條件下，對(duì)風(fēng)量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。主要的措施為調(diào)節(jié)風(fēng)窗均壓，減少向采空區(qū)漏風(fēng)，抑制煤炭自然發(fā)火。

4.采取注漿防滅火預(yù)防措施

注漿防滅火就是在地面建立注漿站，將不可燃性注漿原料（黏土、粉煤灰、砂等固體材料）細(xì)粒化后，與水按照一定配比制成懸浮液，利用靜壓或者動(dòng)壓，通過(guò)鉆孔或者輸漿管路水力輸送至礦井的防火區(qū)域，以阻止煤炭氧化或撲滅自燃煤體的一種防滅火方式。

1303工作面采用的是隨采隨注埋管注漿的防滅火方式，即隨著采面工作面的不斷推進(jìn)，同時(shí)向有發(fā)火危險(xiǎn)的采空區(qū)注漿。這種隨采隨注的注漿方法，不僅能有效地防止采空區(qū)煤炭自燃，還能膠結(jié)采空區(qū)冒落的矸石，形成再生頂板，為下分層開(kāi)采創(chuàng)造條件。

具體步驟：在13 03采煤工作面放頂煤之前，沿回風(fēng)順槽在采空區(qū)預(yù)先布置好注漿管路，一般預(yù)埋10～15m，預(yù)埋管路一端通向采空區(qū)，另一端接膠管連接主管路上的三通閥。膠管一般長(zhǎng)20～30m，放煤后開(kāi)始注漿。與此同時(shí)，在三通閥的另一出口接出一段灑漿軟管，漿管沿傾斜方向向采空區(qū)均壓噴灑預(yù)制好的泥漿。噴灑泥漿量要充分，要求泥漿能把采空區(qū)冒落的矸石全部包圍。

5.采取阻化劑防火預(yù)防措施

阻化劑是一種阻止煤炭氧化自燃的化學(xué)物質(zhì)，又叫阻氧劑。阻化劑防火就是將阻化劑噴灑于采空區(qū)或者壓注煤體內(nèi)，抑制或延緩煤炭的氧化，達(dá)到防止煤炭自燃的目的。

1303采面工作面在每班割煤前，把配置好的濃度為20%的氯化鈣阻化劑溶液用噴槍從機(jī)頭到機(jī)尾向采空區(qū)噴灑。每個(gè)噴灑點(diǎn)間隔10m，噴灑時(shí)間不少于10min，噴灑流量不小于35L/min，并對(duì)采煤工作面上、下隅角進(jìn)行全面覆蓋，以達(dá)到防火效果。

6.提高放頂煤工作面的采出率

對(duì)于采空區(qū)來(lái)說(shuō)，遺煤越多，發(fā)生自燃的幾率就越大，通過(guò)提高放頂煤工作面的采出率可以有效地減少采空區(qū)遺煤，從根本上降低煤炭自然發(fā)火。因此，1303采煤工作面通過(guò)合理提高工作面的采出率，減少采空區(qū)遺煤，從根本上防治采空區(qū)火災(zāi)。

三、實(shí)施成效

興隆礦業(yè)通過(guò)實(shí)施采空區(qū)自然發(fā)火超前預(yù)防舉措，獲得了顯著效果。應(yīng)用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)煤炭自然發(fā)火情況，還能隨時(shí)提供相關(guān)地點(diǎn)自然發(fā)火的過(guò)程動(dòng)態(tài)信息，掌握了防治采空區(qū)自然發(fā)火的主動(dòng)權(quán)。通過(guò)采空區(qū)注氮，發(fā)揮氮?dú)舛栊宰饔?，有效阻止了采空區(qū)煤炭自燃。實(shí)施均壓防火，降低了采空區(qū)與工作面兩側(cè)的風(fēng)壓差，減少了向采空區(qū)漏風(fēng)，達(dá)到了預(yù)防和消除火災(zāi)的目的。

礦井自燃火災(zāi)防治是一項(xiàng)長(zhǎng)期的系統(tǒng)性工程，一方面要科學(xué)地預(yù)防和處理采空區(qū)自然發(fā)火，另一方面要注重采空區(qū)防滅火措施的合理性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采空區(qū)防滅火技術(shù)不斷更新與進(jìn)步，而無(wú)論采用哪種防滅火技術(shù)，原理都是抑制采空區(qū)遺煤氧化。積極主動(dòng)地采取有效的防滅火措施，充分發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性是成功防止采空區(qū)自然發(fā)火的關(guān)鍵。通過(guò)建立火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)施采空區(qū)注氮、采空區(qū)注漿、均壓滅火等手段，可以做到安全第一、預(yù)防為主、防治結(jié)合，確保煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)和高質(zhì)量發(fā)展。