高瓦斯礦井采空區(qū)防滅火及工作面端頭封堵技術(shù)研究

高 鑫

（潞安礦業(yè)<集團>有限責任公司古城煤礦，山西 長治 046100）

近幾年，為了保障煤礦采收率和人員的人身安全，國家大力推動了煤礦技術(shù)改造和煤礦設(shè)備的開發(fā)，降低了煤礦工人的數(shù)量，減少勞動強度，改善施工條件。“無人化”是大勢所趨，“減人”、“少人”是必然趨勢，“安全、高效、環(huán)保”的煤礦開采是國家中長期能源戰(zhàn)略安全的重要保證。

在高瓦斯礦井的開采過程中，由于工作面受到壓力作用，使瓦斯從煤層中逸出，有些氣體從工作面漏到了采空區(qū)，在采空區(qū)易出現(xiàn)浮煤自燃等問題。在礦井U形通風條件下，上隅角處易聚集氣體，如封堵不當，則易使瓦斯進入風巷，發(fā)生瓦斯爆炸等事故。目前，大部分礦井井口封堵方式都是用人工將煤和泥砂裝入袋口，然后再進行圍堵，這種封堵方式勞動強度大，封堵效果不佳，容易導致瓦斯超標。以上種種因素的綜合作用，限制了礦井的安全、高效的生產(chǎn)。針對高瓦斯礦井采空區(qū)容易發(fā)生自燃和工作面端部封閉不嚴密的問題，提出了采空區(qū)新的防火措施，并介紹了工作面末端封堵技術(shù)。

1 綜放工作面概況

潞安化工集團某礦2303 工作面開采煤層為二1煤層，其平均厚度為6.0m，平均傾斜角度為14°，最大的埋藏深度為650m。在此基礎(chǔ)上，利用了一種新的采礦方法——綜放式采礦法，其采場的長度為680.4m。礦山的絕對涌出量為20.39m3/min，而相對的涌出量為28.17m3/t，屬于高瓦斯礦井。2303 工作面頂?shù)装宓貙又鶢顖D見圖1。2303工作面布置圖見圖2。

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)

可燃物、助燃物、火源三個因素是造成自燃的必要條件，其中以煤炭作為可燃物，以氧作為燃料，以溫度作為火源。在傳統(tǒng)的采空區(qū)中，撲滅火災的常用方法是減少可燃物，隔離助燃物，降低著火點的溫度。

2.1.1 減少遺煤

而在高瓦斯綜合開發(fā)中，采空區(qū)有一部分殘留煤未充分釋放，從而使采煤的采出率下降。另一方面，在煤礦開采過程中，很容易造成煤層殘存的自燃，從而危害煤礦的安全。所以，降低易燃物質(zhì)，增加放煤和開采速度是第一步。當采空區(qū)浮煤厚度下降時，剩余煤體發(fā)生自燃的可能性就會下降。增加采收率可以使采空區(qū)內(nèi)的煤層厚度減少，從而減少殘留煤體的自燃幾率。從實驗結(jié)果可以看出，在煤層厚度不超過0.7m 的情況下，煤層的自燃幾率明顯降低。所以，增加采出率和減少殘留煤能降低采空區(qū)煤的自燃幾率。

2.1.2 噴灑阻化劑

阻化劑起到煤炭與氧的隔離作用，是礦井中一種常見的防滅火技術(shù)，采煤機每次割煤完畢后，都要在油壓支架之間噴上阻化劑，防止殘煤自燃。對暴露的煤層也要進行阻化劑的噴射，這是隔離氧的有效措施。

2.1.3 注氮及CO2

在一定的氧氣濃度下，采空區(qū)的遺煤容易發(fā)生自燃，所以可以通過引入空氣中的氮氣或CO2來降低采空區(qū)中的氧含量，以防止煤體自燃。根據(jù)混合氣爆炸原理，在含氧量低于12%的情況下，發(fā)生爆炸的概率較低。通過向采空區(qū)注入氮氣，可以將煤層中的含氧量降至10%以下，從而極大地減少了煤層的自燃和瓦斯爆炸的概率。

2.2 新型防滅火技術(shù)

2007 年，中國礦業(yè)大學馮光明等研制成功了一種新型的礦井充填材料——超水速凝材料，其含水量可達到97%。超水物料充填法是一種高水灰比、耗材少、充填成本較低的工藝，充填工藝簡單，充填率高，適應性強，是“三下”煤礦開發(fā)的一種行之有效的方法，并適用于全面推廣。

超高水性材料在礦井下的滅火中具有特殊的優(yōu)越性，其工作原理是將泥漿注入到井下著火點。目前，超防水材料的井下滅火技術(shù)主要有封閉式、開放式、混合式三大類。

2.2.1 封閉式滅火技術(shù)

密閉消防技術(shù)是將地下著火的火源與密閉的空間隔開，并向其灌注超水性物質(zhì)，漿液會在一段時期內(nèi)凝結(jié)固化，從而實現(xiàn)了對巷內(nèi)火災的撲救。在圖3中顯示了密閉的消防技術(shù)。

圖3 封閉式滅火技術(shù)

2.2.2 開放式滅火技術(shù)

開放式消防技術(shù)主要是適用于火災發(fā)生地點分散、難以密閉的場所，采用多個孔將著火區(qū)貫穿，并注入漿液，并將超水性物料灌輸?shù)桨l(fā)火區(qū)的上部，當泥漿與火焰相接觸時，火焰就會被撲滅。圖4顯示了開放的消防技術(shù)。

圖4 開放式滅火技術(shù)

2.2.3 混合式滅火技術(shù)

混合式消防技術(shù)采用封閉式和開放式兩種方法，分別對不同的地區(qū)、不同的火災狀況進行有效地控制，以實現(xiàn)對火災的迅速撲救。在礦井較大且起火點較多的情況下，僅采取封閉滅火技術(shù)，著火點多，造成砌筑墻體耗費時間。如果采用開放式的方式，著火面積太大，很難完全覆蓋。若采用任何一種方法都無法有效地解決火災問題，則可以將兩者相結(jié)合，首先在發(fā)火區(qū)多、封閉困難的部位打孔，然后在發(fā)火區(qū)內(nèi)注入超高水性物料的泥漿，使泥漿在發(fā)火區(qū)迅速凝固和固化，將自燃煤體包裹，填充裂縫，同時降低溫度，抑制火勢。同時，在大火發(fā)生較大、容易被封鎖的地方，先用密封的墻壁將其封住，再將超高水性的漿液注入其中，以撲滅大火，并將裂縫等縫隙填滿，從而達到全面滅火的目的。

傳統(tǒng)的消防措施成本高，見效慢，施工不便，且易造成施工延誤。與此相比，超高壓井下防滅火技術(shù)具有成本低、不會對井下環(huán)境造成污染的特點，可以針對易燃物、易燃物、著火源等三個方面實現(xiàn)滅火，既方便快捷，又能發(fā)揮良好效果[1]。

3 工作面端頭封堵技術(shù)

3.1 常用的端頭封堵技術(shù)

在礦井作業(yè)中，在掘進過程中，必須對采空區(qū)的末端進行封堵，既能擋風，又能調(diào)整風向，又能防止采空區(qū)的漏風引起火災。

目前，大部分礦井井口封堵方式都是用人工將破碎煤和泥砂裝入袋口，然后再進行圍堵，這種封堵方式勞動強度大，封堵效果差，容易導致瓦斯超限。

潞安化工集團公司2303工作面采取了傳統(tǒng)的隅角封閉技術(shù)，其技術(shù)特點是：每天8點班，在采空區(qū)一側(cè)使用煤袋進行封堵，煤袋封堵與頂板嚴密接觸，在封堵完畢后，采用廢棄的風筒密封煤袋墻，為了使煤袋墻發(fā)揮最佳的效果，為采空區(qū)的抽采創(chuàng)造了一個封閉的空間，提高了采空率，改善上隅角的瓦斯治理。

3.2 新型端頭封堵技術(shù)

針對礦井開采中，利用人工碎煤砂裝袋方法封堵礦井底端頭存在較大的缺陷，封堵作業(yè)強度大，封堵效果不佳，文章介紹了一種利用超高水材料進行充填封堵礦井端頭的工藝。

超水分材料的泵送式灌裝方式與碎煤砂灌裝方式相比，具有快速、高含水率、高流動性等優(yōu)點，可以通過管線輸送，達到地面送料和井下分配的有效交換，并且在一段時期內(nèi)，超高水性材料可以自己流動，達到與井道墻貼合的效果。這種工藝具有成本低、操作簡單等優(yōu)點，能顯著地減少人工資源浪費、增加工作的效率、減輕勞動量、改善工作條件。

3.2.1 準備工作

（1）在井下硐室建設(shè)超高水性材料配料基地和管線傳輸系統(tǒng)，該基地由入料池、攪拌器、三通連接器、控制閥和抽吸設(shè)備組成，確保了工作面物料的穩(wěn)定、持續(xù)供應。

（2）本發(fā)明提供一種具有（3500~4500mm）×100mm（寬）×3000mm（高）的彈性充填袋（如圖5中所示，可按要求改變填充袋的規(guī)格）；填充袋由可收縮的吊桿、吊鉤、吊環(huán)、注料口、封口旋鈕、排氣口、封氣旋鈕及折疊式鎖頭組成，可實現(xiàn)折疊、懸掛、注料、封口、排氣等功能。

圖5 充填袋樣式

（3）根據(jù)巷道截面的大小，采用裝料包的折疊作用，調(diào)整到合適的尺寸。該產(chǎn)品具有輕質(zhì)、柔韌性好、綠色環(huán)保等特點，并與超高水性物料在漿體狀態(tài)下的流動性相結(jié)合，可以更好地適應巷道斷面，實現(xiàn)較好的封堵效果。

3.2.2 施工工藝

（1）將S形鉤掛在巷道頂板錨網(wǎng)上，再將裝料袋上的吊桿置于吊鉤下鉤上方，使掛鉤與吊鉤相對應；裝料袋裝有六個環(huán)圈和兩個懸掛桿，該懸掛桿是用中空的鐵質(zhì)材質(zhì)，用多個套筒套入，可實現(xiàn)伸縮，便于搬運，并能適應各種大小的隧道截面。通過懸掛桿的設(shè)置，可以將負載均勻地傳遞到頂部，并且可以防止在吊袋和頂板之間留下空隙[2]。

（2）開啟填充袋上方的進料和排氣孔，從注料口向填充袋中注射超水性物料，袋中的氣體由排氣管排出，直到物料從排氣管排出為止；用密封手柄和空氣封閉手柄來封閉排氣口和進料口[3]。

工作面端頭封堵效果如圖6所示。

圖6 工作面端頭封堵效果

3.2.3 效果對比

該工藝與已有技術(shù)比較，具有下列優(yōu)勢：

（1）減少了煤礦工人的勞動強度，從人工裝填向機械裝填改變，省去了人工裝填、搬運、堆疊等繁瑣的工序，縮短了50%的工作時間。

（2）具有良好的封堵效果，超水性物料具有良好的流動性，在自身重力的作用下，能夠更好地貼合巷道墻，具有較好的密封性能和穩(wěn)定性。

（3）超防水材料是一種綠色、清潔、無污染的新型材料，可以防止破碎煤塊在包裝過程中產(chǎn)生的粉塵污染[4]。

4 結(jié)論

（1）本文就煤礦采空區(qū)遺煤易發(fā)生自燃這一問題進行了研究，并就傳統(tǒng)滅火技術(shù)的工作機理和不足進行了深入的探討，基于此提出超高水材料井下滅火技術(shù)，并指出了其在成本、效果和便捷性等諸多優(yōu)點。

（2）由于采用常規(guī)的頂板封堵技術(shù)，勞動強度大，封堵效果差，易造成瓦斯超標，本文提出采用超高水材料泵送裝袋充填封堵礦井端頭，縮短50%的工作時長，使生產(chǎn)效益得到顯著提高，既降低了工人的工作強度和生產(chǎn)成本，也改善了井下環(huán)境。