煤礦采空區(qū)防滅火及工作面端頭封堵技術(shù)研究

尹 豹

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

在我國(guó)能源戰(zhàn)略計(jì)劃的推進(jìn)過(guò)程中，安全問(wèn)題一直是人們較為重視的，因此兼顧高效與安全的綠色開(kāi)采成為必然趨勢(shì)。在這一形勢(shì)下，我國(guó)更加注重相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新，并在采煤裝備上不斷完善，以期在施工的條件、設(shè)備上更加優(yōu)化，旨在實(shí)現(xiàn)少人化或者無(wú)人化工作面，既能避免人員安全事故出現(xiàn)，也能夠大大提高煤炭采出率。

在高瓦斯礦井工作面的開(kāi)采中，來(lái)壓會(huì)對(duì)其造成一定的影響，導(dǎo)致煤體中會(huì)有瓦斯析出，采空區(qū)中也會(huì)因此溢入瓦斯，該類現(xiàn)象是出現(xiàn)浮煤自燃的主要原因之一。瓦斯受到通風(fēng)的影響，會(huì)聚集在上隅角，如果在封堵程序或質(zhì)量上出現(xiàn)問(wèn)題，可能導(dǎo)致高濃度瓦斯流入回風(fēng)巷，嚴(yán)重的可能引發(fā)瓦斯事故的發(fā)生?，F(xiàn)階段，依然使用較為傳統(tǒng)的方式完成煤礦工作面兩端頭的封堵工作，即將泥沙和碎煤等裝入袋中，工人將其筑墻封堵。這種傳統(tǒng)的方式，不但需要進(jìn)行高強(qiáng)度的勞動(dòng)，且效果也較差，而且存在一定的安全隱患。受到以上因素的影響，煤礦井下工作面的開(kāi)采工作在效率與安全上存在較大問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，本文有針對(duì)性地提出了相應(yīng)的改進(jìn)技術(shù)與方法。

1 工作面概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)某礦2303 工作面開(kāi)采煤層，其埋深與厚度的均值分別在650 m、6 m，平均傾角為14°，工作面頂?shù)装宓貙又鶢顖D，如圖1 所示。圖2 為工作面布置圖，以綜放開(kāi)采為主，其長(zhǎng)度是680.4 m。該礦井的相對(duì)涌出量與絕對(duì)涌出量分別為28.17 m3/min、20.39 m3/min，從該數(shù)據(jù)上可以看出此礦井為高瓦斯礦井。

圖1 2303 工作面頂?shù)装宓貙又鶢顖D

圖2 2303 工作面布置

2 采空區(qū)煤自燃防滅火技術(shù)

2.1 常用的防滅火技術(shù)

物質(zhì)燃燒時(shí)必須要具備的三個(gè)條件：著火源、助燃物、可燃物，即分別為溫度、氧氣、煤，通常采空區(qū)所制定的滅火方案主要圍繞以上三個(gè)方面展開(kāi)，即降低著火源溫度、隔絕助燃物、減少可燃物。

2.1.1 減少遺煤

由于頂煤在放出時(shí)存在一定的問(wèn)題，采空區(qū)會(huì)有殘留，因此高瓦斯綜放開(kāi)采存在以下兩個(gè)問(wèn)題：第一，無(wú)法開(kāi)采出更多的煤炭資源；第二，極易出現(xiàn)自燃事故，使得礦井的安全無(wú)法得到保障。所以，要盡可能的減少可燃物，并促進(jìn)放煤率的提升，從而可以大大提高采出率。提高回采率很大程度可以降低采空區(qū)的浮煤厚度，從而防止遺煤自燃問(wèn)題的出現(xiàn)[1]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將浮煤厚度控制在0.7 m 以下，就會(huì)極大的降低自燃的幾率。所以，要想有效防止采空區(qū)出現(xiàn)煤自燃問(wèn)題，可以從減少遺煤上入手。

2.1.2 噴灑阻化劑

煤礦開(kāi)采時(shí)通常將阻化劑作為有效的滅火手段，將氧氣接觸面與煤進(jìn)行有效隔絕，每完成一次割煤操作，都將阻化劑噴施在采空區(qū)內(nèi)，可以有效的降低安全隱患，防止發(fā)生煤自燃。同時(shí)，將阻化劑噴施在裸露的煤體上，也能夠與氧氣隔絕。

2.1.3 注氮及CO2

只有當(dāng)氧氣濃度超過(guò)某一標(biāo)準(zhǔn)后，采空區(qū)遺煤才會(huì)發(fā)生自燃，所以要想預(yù)防出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，可以對(duì)氧濃度進(jìn)行稀釋，即通過(guò)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)將二氧化碳或氮?dú)庾⑷肫渲?。如果空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)在12%以下，那么就不易發(fā)生爆炸。所以，二氧化碳和氮?dú)獾淖⑷肽軌驑O大的降低采空區(qū)中氧氣體積分?jǐn)?shù)，將其控制在10%內(nèi)，防止出現(xiàn)瓦斯爆炸、浮煤自燃等事故。

2.2 新型防滅火技術(shù)

在2007 年，馮光明團(tuán)隊(duì)研發(fā)了超高水速凝材料，作為礦山充填材料。相較于其他技術(shù)而言，這種新型的開(kāi)采技術(shù)具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)，例如適應(yīng)性較強(qiáng)、充填率高、易操作、節(jié)省材料、水灰質(zhì)量比高等，與綠色開(kāi)采的理念相符，因此得到了大力推廣。在滅火方面，超高水材料也更具優(yōu)勢(shì)，當(dāng)井下發(fā)生火災(zāi)時(shí)，該技術(shù)能夠借助于輸送管道，將超高水材料輸送到井底的起火點(diǎn)，從而達(dá)到滅火的目的?，F(xiàn)有的超高水材料井下滅火技術(shù)主要有以下三種。

2.2.1 封閉式滅火技術(shù)

該技術(shù)可以將火源隔離，從而使其處于封閉空間中，并注入超高水材料，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，漿液就會(huì)固化，這就是其滅火原理。封閉式滅火技術(shù)，如圖3 所示。

圖3 封閉式滅火技術(shù)

2.2.2 開(kāi)放式滅火技術(shù)

如果存在較為分散、數(shù)量多的發(fā)火點(diǎn)，且所處的區(qū)域無(wú)法密閉，就可以采用開(kāi)放式滅火技術(shù)，可以通過(guò)鉆孔實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的連接，并將超高水材料漿液注入著火區(qū)域的頂部及內(nèi)部，火源一旦與漿液接觸就會(huì)馬上熄滅。開(kāi)放式滅火技術(shù)，如圖4 所示。

圖4 開(kāi)放式滅火技術(shù)

2.2.3 混合式滅火技術(shù)

以上兩種滅火技術(shù)的綜合運(yùn)用就是混合式滅火技術(shù)，能夠快速的處理各種情況和區(qū)域的火災(zāi)。如果發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域較大，僅僅使用封閉式滅火技術(shù)，可能需要較長(zhǎng)的時(shí)間；而僅僅使用開(kāi)放式滅火技術(shù)，則無(wú)法覆蓋所有區(qū)域。這種情況下，就可以綜合使用以上兩種技術(shù)，對(duì)于密閉性差且有較多發(fā)火點(diǎn)的區(qū)域，可以將超高水材料漿液注入其中，并在短時(shí)間內(nèi)完成凝結(jié)固化，不但可以將裂隙填充好，也能夠?qū)⒆匀嫉拿后w覆蓋住，通過(guò)溫度的降低，達(dá)到滅火的目的。與此同時(shí)，對(duì)于密閉性好且范圍較大的起火區(qū)域，可以先進(jìn)行封閉操作，進(jìn)而將超高水材料凝液注入其中，不但能夠達(dá)到滅火的目的，還可以將之前的漏風(fēng)通道封堵好?？傊?，這種防滅火技術(shù)不但能夠直接從著火源、助燃物、可燃物這三要素上達(dá)到防滅火的目的，也不會(huì)對(duì)井下造成污染，相對(duì)而言無(wú)需投入較高的成本，因此具有較為顯著的優(yōu)勢(shì)。

3 工作面端頭封堵技術(shù)

3.1 常用的端頭封堵技術(shù)

在礦井的開(kāi)采過(guò)程中，推進(jìn)工作面的同時(shí)也要做好封堵工作，不但能夠調(diào)整風(fēng)向，起到擋風(fēng)的作用，也可以有效的防止火災(zāi)發(fā)生?，F(xiàn)階段，依然使用較為傳統(tǒng)的方式完成煤礦工作面兩端頭的封堵工作，即將泥沙和碎煤等裝入袋中，工人將其筑墻封堵。這種傳統(tǒng)的方式，不但需要高強(qiáng)度的勞動(dòng)，且效果也較差，而且存在一定的安全隱患。

傳統(tǒng)的隅角封堵措施是該礦2303 工作面所使用的，即：利用煤袋在采空區(qū)側(cè)完成封堵，注意做到嚴(yán)密接頂，然后再對(duì)煤袋墻做密閉處理，通常借助于廢舊風(fēng)筒完成，從而將煤袋墻的效應(yīng)充分體現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)營(yíng)造密閉空間，實(shí)現(xiàn)抽采量的提升，并有效改善上隅角瓦斯治理情況。

3.2 新型端頭封堵技術(shù)

上文中提到傳統(tǒng)的封堵方式存在諸多問(wèn)題，基于此，本文提出了全新的煤礦工作面端頭封堵技術(shù)，即利用超高水材料泵送裝袋完成。

由于超高水材料具有較好的流動(dòng)性，能夠在短時(shí)間內(nèi)凝結(jié)，因此相較于以往的封堵方式，這種全新的端頭封堵技術(shù)更具實(shí)用性。該技術(shù)主要借助于管道泵送完成運(yùn)輸工作，在地面完成送料，到達(dá)井下后再進(jìn)行分配，能夠極大的提高工作效率。此外，在特定時(shí)間內(nèi)，袋中的超高水材料依然具有較強(qiáng)流動(dòng)性，能夠更好的發(fā)揮其密閉作用。該技術(shù)具有較為顯著的降本增效的作用，也能夠促進(jìn)施工環(huán)境的改善。

3.2.1 準(zhǔn)備工作

1）可以將井下硐室作為超高水材料的儲(chǔ)備室，儲(chǔ)備室內(nèi)建立相應(yīng)的管道輸送系統(tǒng)以及配料基站，具體有三通連接器、攪拌器、入料池，同時(shí)也有配套的泵送裝置和控制閥，能夠接連不斷的向工作面輸送充填材料，并且具有較高的穩(wěn)定性。

2）配備相應(yīng)的矩形柔性充填袋，選擇能夠折疊的懸掛式，具體的規(guī)格可以按照實(shí)際情況而定，通常選用的尺寸為：長(zhǎng)度在3 500～4 500 mm 范圍內(nèi)，寬度為100 mm，高度為3 000 mm。充填袋樣式，如圖5 所示。從圖中可以看出，充填袋上有折疊鎖扣、排氣口、封口旋鈕、注料口、吊環(huán)、吊鉤等，具有可懸掛與折疊的功能，而且排氣、封口以及注料也能夠相互協(xié)調(diào)好。

圖5 充填袋樣式

3）由于充填袋是可折疊的，因此可以對(duì)其大小進(jìn)行靈活調(diào)整，從而能夠與巷道斷面的具體尺寸相契合。充填袋的主要制作材料是風(fēng)筒布，屬于柔性材料，因此具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如環(huán)保、韌性好、材料輕等，且超高水材料具有較高的流動(dòng)性，二者結(jié)合起來(lái)與巷道斷面的貼合度較高，因此封堵效果更佳。

3.2.2 施工工藝

1）將巷道頂板的錨網(wǎng)與S 型吊鉤上鉤相接，其下鉤則與充填袋的懸吊杠相接，且確保吊環(huán)掛到吊鉤上；充填袋上共有六個(gè)吊環(huán)，此外還有兩根空心鐵質(zhì)的懸吊杠，由多根套管套嵌面成，可以根據(jù)巷道斷面的尺寸靈活調(diào)整，在運(yùn)輸時(shí)更加便捷。同時(shí)，載荷之所以能夠到達(dá)頂板，也是由于安裝了懸吊杠，能夠讓頂板和懸掛袋更加契合。

2）首先將排氣口與注料口同時(shí)打開(kāi)，并在注料口中注入超高水材料，從排氣口將空氣排除，當(dāng)排氣口中有材料流出時(shí)表明空氣排盡，此時(shí)將其關(guān)閉，工作面端頭封堵效果示意圖，如圖6 所示。

圖6 工作面端頭封堵效果

3.2.3 效果對(duì)比

相較于當(dāng)前使用的技術(shù)，該方法有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：

1）能夠大大優(yōu)化勞動(dòng)強(qiáng)度，且用機(jī)械裝填代替了以往的人力，在節(jié)省人力資源的同時(shí)，也能夠簡(jiǎn)化過(guò)程，有降本增效的作用；

2）具有較高的封堵效果，流動(dòng)性好是超高水材料在漿體狀態(tài)下較為顯著的特點(diǎn)，因此能夠與巷道壁更為契合，相應(yīng)的也會(huì)有更好的密閉效果，且較為穩(wěn)定。

3）超高水材料較為突出的優(yōu)勢(shì)就是綠色環(huán)保，同時(shí)也能有效解決粉塵污染的問(wèn)題。

4 結(jié)論

1）本研究基于高瓦斯礦井工作面，就當(dāng)前的采空區(qū)遺煤自燃問(wèn)題展開(kāi)了深入的探究，具體闡述了普通滅火方法的原理和不足，在此基礎(chǔ)上提出了全新的滅火技術(shù)，即應(yīng)用超高水材料的滅火方法，并詳細(xì)介紹了其優(yōu)勢(shì)所在。

2）分析了現(xiàn)有的高瓦斯工作面?zhèn)鹘y(tǒng)端頭封堵方法的缺陷，并提出了全新的封堵方法，即利用超高水材料泵送裝袋完成封堵工作，具有降本增效的作用，且實(shí)現(xiàn)了工作環(huán)境的改善。