综放工作面自燃发火防治技术现场应用研究

徐 宏，魏国山，路 鹏，高 坤

我国煤矿火灾十分严重，每年都会造成重大的财产损失和人员伤亡，而煤矿火灾中90%以上又是煤层自燃火灾［1］。铁法矿区煤层主要以长焰煤、气煤为主，煤层自燃发火期一般为1～3个月，最短20 d，煤层自燃发火现象比较严重，矿区现有8个生产矿井，所开采煤层均有煤层自燃发火危险。近年来，随着厚煤层综采放顶煤技术的推广，煤炭的产量大幅度提高。同时由于放顶煤工作面的开采强度大、采空区遗留残煤多、采空区冒落高度大、采空区漏风严重，给矿井防治自燃发火工作带来了新的问题。多年来，铁煤集团在放顶煤工作面防灭火技术研究与实践方面做了大量卓有成效的工作，积累了丰富的实践经验，为矿区安全生产及和谐发展做出了积极贡献。

1 综采放顶煤工作面自燃发火情况

铁法矿区现有大兴矿、大隆矿、大平矿、小康矿采用综采放顶煤开采技术，在开采过程中各工作面上隅角及采空区不同程度出现过一氧化碳浓度超限现象，大兴矿曾因一氧化碳浓度超限现象封闭过两个综放工作面。

1．1 综采放顶煤工作面自燃分析

任何一种煤都存在煤氧复合放出热量的属性，只是不同的煤其煤氧复合能力和产生热量能力差别较大。煤氧复合过程中能否引起自燃取决于煤体的放热和散热，当热量产生速率大于散热速率时，煤温上升就会自燃［2，3］。铁煤集团综采放顶煤工作面由于回采巷道沿煤层底板布置，巷道顶部留有一定厚度的煤炭，受采动压力影响易产生破碎;在开采过程中采空区残留有一定数量的煤炭，因此，回采巷道及采空区均存在一定的自燃发火危险。

1．2 综采放顶煤工作面易自燃发火部位分析

1)煤层巷道顶部及两帮。

综采放顶煤工作面顺槽巷道沿底板布置，巷道顶部煤层受矿压和采动影响，易破碎离层;有些巷道煤层在掘进过程中出现冒顶形成空洞区;因此，巷道顶煤自燃发火危险较大且高温点比较高［4］。

2)工作面前后端头。

综采放顶煤工作面运回顺巷道顶煤在回采前破碎区已受到长时间的氧化，煤体温度升高，由于前后端头顶煤放出率低，该顶煤垮落采空区后，会产生4～6 m宽的丢煤带，采空区这2条遗煤带相对其他地点温度更高，自燃发火隐患较大。

3)开切眼。

从工作面贯通到工作面安装、初采需经历一段时间，开切眼顶部及两帮煤体氧化时间长，易产生自燃发火。

4)采空区。

综放工作面在开采过程中，采空区留有一定量的浮煤，易产生自燃发火。

5)停采线附近。

当接近停采线时，有时为了撤架而不放顶煤，使得采空区留有大量浮煤，而撤架时间又较长，使采空区浮煤自燃性增强。而且临近停采线时开采速度慢，也增加了自燃发火的危险性。

2 防治自燃发火思路及相应技术

综采放顶煤工作面防治自燃发火是一个系统工程，根据以往专家学者的经验，防火措施主要从设计、工作面配风量、煤氧接触、降低空气中含氧量、控制煤体温度等方面入手［5］。铁煤集团在多年防灭火实践的基础上形成了一整套自己的预防自燃发火的技术措施。

1)抓好工作面设计环节。

综放工作面进行设计时，根据地质条件综合考虑防治瓦斯、防火两个方面因素，合理选择工作面巷道参数。合理地布置巷道，有条件的要设计施工瓦斯抽采巷道、消火道。

通过对大兴矿N2701工作面和N2705工作面开采过程中的瓦斯涌出量、推进速度、风量、抽放量、一氧化碳浓度等情况进行分析比较，见表1，可以看出工作面长度对工作面安全回采，尤其是防火管理有很重要的作用。在工作面设计时，应充分考虑工作面参数对瓦斯涌出量、配风量、抽放量、工作面回采速度等影响因素。

表1 N2 701工作面和N2 703工作面参数对比

2)合理配风，提高工作面瓦斯抽采率。

铁煤集团综放工作面均采用“U”型通风方式，要加强工作面瓦斯抽采力度，最大限度抽采瓦斯，工作面配风要在满足瓦斯治理的前提下尽量减少风量，降低工作面两端压差，减少采空区漏风，这是综放工作面防火技术的首要前提条件。

3)运输、回风顺槽两巷喷、注水泥砂浆封闭处理。

小康矿、大平矿属软岩矿井，煤层自燃发火期短，暴露的煤炭和空气接触极易产生自燃发火，小康矿在投产初期煤层巷道发生过多起自燃发火事故，经多年开采实践，形成了一整套软岩支护技术及防灭火技术，即在掘进施工过程中对工作面运输顺槽、回风顺槽两条煤巷中对所暴露煤壁进行喷、注水泥砂浆处理，使煤壁和空气隔离，同时对喷浆层内部注白泥、罗克修等防灭火材料，解决了煤层巷道自燃发火问题。此项技术已经推广到集团公司其他矿井。

4)工作面上下隅角用不燃性材料进行封堵，减少向采空区漏风。

工作面每完成一次作业循环对上下隅角进行一次封堵，封堵材料为珍珠岩粉或矸石。另外要求在保证安全的条件下及时卸下上下隅角顶部锚杆、锚索托盘，保证上下隅角冒落充分。

5)对工作面上下隅角及采空区进行充填河沙。

根据工作面具体情况决定充填步距，在运输顺槽及回风顺槽及架间预埋管路，通过预埋管路向采空区充填注沙。工作面正常回采时充填步距为30～50 m且只对上下隅角进行充填注沙。因放长假工作面停产时需对上下隅角及架后采空区进行充填。充填河沙时可以添加适量的三相泡沫。

6)两巷煤层顶部及两帮注凝胶、封堵剂及白泥防火。

加强两巷煤层顶部及两帮煤体温度的检查，预埋温度传感器，发现问题及时采取措施进行处理，采用注凝胶、封堵剂及白泥的防火措施，以减少与氧接触的破碎煤体。

7)采空区注氮。

氮气的气体性质不活跃，属于隋性气体，是空气中的主要成分，具有不可燃的特性，采空区注氮可以降低采空区内氧气的浓度，同时氮还具有冷却降温的作用，可以有效地防止采空区留煤自燃。目前，铁煤集团大兴矿、大隆矿均建有地面固定式制氮机厂房，制氮能力为2 000～3 000 m3/h，工作面注氮方式采用埋管、托管连续注氮方式，注氮量为1 000～3 000 m3/h，工作面埋管间距一般为30 m。

注氮口位置的选择：基于煤氧复合学说，采取向工作面采空区氧化带内注入一定流量的氮气，降低该带内的氧气含量，达到破坏煤炭自燃的一个要素，使其氧含量降到煤自燃临界值以下，达到了防止煤自燃的目的，因此，将注氮口位于采空区氧化带内。根据每个工作面采空区“三带”测试结果来决定注氮口具体位置，见表2。

表2 大兴矿N2 705、小康矿S2 S2工作面三带测试结果表

8)煤体两巷注水降温。

在运输顺槽及回风顺槽两巷中用风煤钻向两巷顶板、两帮煤层打钻注水，既可以实现软化煤体、降低煤尘，也可以使煤体降温，控制煤体温度在着火点以下，避免氧化升温的煤炭进入采空区，从而减少自燃发火隐患。

9)放顶线喷雾降温或喷洒阻化剂，后部运输机尾安设喷雾装置。

在低位放顶煤支架后部的天窗上装设喷雾装置，通过该喷雾装置可以对冒落的顶煤和采空区留煤进行除尘和湿润处理;或者在工作面支架的架间喷洒阻化剂(主要成分为MgCl2)，当工作面采过该位置后，阻化剂可以有效地抑制采空区留煤的升温自燃。

10)采空区注浆。

在工作面两顺向采空区预埋注浆管路，通过管路向采空区注黄泥或白泥浆，达到包裹浮煤及降低采空区浮煤温度的目的。也可以在工作面附近相邻巷道向采空区施工钻孔，利用钻孔进行注浆。

3 综放工作面综合防灭火的几个环节及建议

1)合理选用综放支架，应采用顶煤冒放性好的支架。这样既可提高煤炭回收率，减少煤炭资源的浪费，又可避免采空区遗煤多，从而降低采空区遗煤自燃的危险，切实保障安全生产。

2)应抓好综合防灭火技术措施的执行和管理。在正常生产过程中，应该按照作业规程和措施严格执行。

3)应抓好工作面基础参数的测试工作。加强基础参数的测定工作，工作面在开采过程中要进行工作面两端压差、采空区“三带”测试，掌握“三带”宽度，为采取注氮防火做好基础工作。

4)学习推广防火新技术。通过学习、引进国内外在防火方面的新技术，丰富矿区防火手段。

4 结论

通过分析煤炭自燃的原因，指出了综合机械化开采放顶煤工作面自燃的原因及位置，同时在防灭火经验的基础上对防灭火的技术措施进行了重点说明，指出了防灭火的关键环节，对今后综采放顶煤工作面综合防灭火提出了建设性意见，对其他具有相似状况的矿区在防灭火方面具有一定的参考价值。

［1］ 王德明．矿井火灾学［M］．徐州：中国矿业大学出版社，2008：86－87．

［2］ 徐精彩．煤自燃危险区域判定理论［M］．北京：煤炭工业出版社，2001：8－9．

［3］ 王省身，张国枢．矿井火灾防治［M］．徐州：中国矿业大学出版社，1990：25－27．

［4］ 付永水，李建新．义马矿区煤层自燃发火防治技》［M］．北京：煤炭工业出版社，1990：88－89．

［5］ 梁云涛，罗海珠．中国煤矿火灾防治技术现状与趋势［J］．煤炭学报，2008，33(02)：126－130．