极软易燃特厚煤层综放面立体化防灭火技术

陈 贵

(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116;2.淮北矿业股份有限公司朱仙庄煤矿，安徽宿州234111)

煤层自燃是我国矿井的主要自然灾害之一［1］。对于极软特厚易自燃综放工作面，采空区遗煤多、漏风量大，煤层自然发火事故越来越频繁［2］。因此，开展研究此类自燃火灾的发生规律与防治技术势在必行。

1 概述

朱仙庄矿主采8煤层，煤厚7～13m，平均厚度9.98m，倾角12～40°，f=0.2～0.5，煤层具有自燃倾向性，自然发火期短，约为1～2个月 (最短为21d)，属于极软易燃特厚煤层。顶底板以泥岩或泥质胶结的岩层为主，加之煤层松散，在开采过程中极易造成片帮、漏顶，产生裂隙和空洞，造成漏风，形成自然发火隐患点。在1981—1998年累计发生低温氧化现象及自然发火事故高达40次，严重威胁矿井安全生产。

针对上述问题，朱仙庄矿打破传统模式，提出了立体化综合防灭火技术，并成功应用，有效地控制了煤层自燃，确保了工作面安全高效开采。

2 主煤层地质特征及自然发火原因

2.1 主采煤层地质特征

(1)煤层赋存极不稳定 8煤层总厚度变化幅度大，从4.8～18.5m，煤厚变异系数平均高达30%以上，可用于连续开采的块段小，造成采煤工作面搬家频繁，接替紧张，自然发火形势严峻［3］。

(2)属于“三软”易自燃煤层 8煤层有自然发火倾向性，煤层软，顶底板也软，易片帮冒顶，形成高冒区;矿压大，巷道维护困难、围岩裂隙发育，封闭墙墙体时常被压坏，同时，因巷道失修严重，通风断面缩小，通风阻力增大，采空区压差大，加大了漏风，易发生采空区、巷旁和高冒区等地点的自然发火［4－5］。

(3)主采煤层为高瓦斯煤层 煤层瓦斯含量大，在开采过程中，为应对高瓦斯危险，必须对采空区进行瓦斯抽采，但抽采的同时会加大采空区漏风量，极易使残留煤炭氧化形成自热，使发火因素增加［6］。

2.2 自然发火原因

8煤层在开采过程中发生过多起自然发火，历史上较严重的煤层自然发火统计如表1所示。

表1 朱仙庄矿主采煤层8煤较严重的煤层自然发火统计

从表1可以看出，发火地点多为采空区，除了煤层着火内因外，其主要外因有:综放面煤炭回收率低，采空区遗煤量大;一次开采厚度大，顶板垮落高度加大，采空区漏风通道增多;放顶煤时，通过放煤口向采空区漏风量加大;工作面推进速度慢，每天只能推进2～3m，煤体与空气接触的时间长，煤体容易着火;煤体长期暴露，停采回收设备时间长等［7］。

3 立体化防灭火技术

立体化防灭火技术是针对朱仙庄矿煤层自然发火期短、煤层极松软、断层构造多的防灭火难点研发提出的，是以高冒区快速充填－上下隅角快速堵漏－采空区大流量注复合阻化泡沫为主的煤自燃灾害立体化综合防治技术。

3.1 高冒区快速充填防火技术

极软特厚煤层在开采时，煤体易破碎和冒顶，形成空洞，因此，防治煤层自然发火的重点是防止形成微风供氧和蓄热条件。朱仙庄矿发明运用MCA高分子材料防灭火技术。

3.1.1 MCA高分子材料的特点

MCA高分子黏度好，凝固时间和硬度易调节，无需喷浆堵漏，工艺简单。具体注胶工艺见图1。

图1 高冒区注胶示意

3.1.2 MCA高分子材料应用效果

(1)水玻璃溶液和MCA高分子促凝剂溶液混合后，形成果冻状塑性胶体，充填堵漏效果好。混合液易渗入煤体裂隙中。可充分包裹煤体使不连续的小煤块融为整体，从而使煤体与氧的接触面积大大减少、煤的氧化放热速度降低，达到隔绝漏风，杜绝供氧的目的，效果显著。

(2)该材料在成胶过程中为吸热反应。果冻状的胶体含水率在94%左右，能起到理想的降温灭火效果，且具有很强的保水、阻燃和受压性能。

(3)该材料最大的优点在于可以对未喷浆的高冒处直接实施充填，能解决喷浆所引起的工期紧、材料运输难度大、材料投入多等不利因素。

因此，新型 MCA高分子材料在851，853，873，II865及876机、风巷等巷道冒高处进行应用，成功地消灭了冒高处自然发火隐患，取得了很好的效果。

3.2 隅角快速堵漏防火技术

利用加10%的快速垒砌材料的碎煤袋快速封堵工作面上、下隅角，从而减少采空区漏风，减缓采空区遗煤的氧化速度，达到防灭火目的。

(1)工作面初采期间，用快垒料碎煤袋作隔离垛对上、下隅角进行封堵。垛墙厚度在1m以上。每间隔10m封堵一道，至切眼进入滞息带为止;正常回收后，向上、下隅角内洒高分子材料;对采空区不能垮实的地点，用艾格劳尼进行充填。

(2)在工作面机、风巷距停采线50m开始，加强工作面上、下隅角的充填堵漏，每间隔10m采用快垒料碎煤袋进行封堵，垛墙厚度大于2m。

(3)工作面收作完成后，在工作面停采线上、下端头用快垒料碎煤袋各施工一道5m垛墙，然后紧贴垛墙施工永久封闭，垛墙与闭墙之间用胶充填，外墙采取气密性处理，先喷浆，再用胶喷涂，同时对预留的注浆管进行保护，最后施工总封闭。

(4)过断层时，工作面上、下隅角除正常的回柱充填外，在工作面机、风巷分别距断层10m位置开始，在跨断层范围内每隔10m采用快垒料碎煤袋垛墙对上、下隅角进行封堵，垛墙厚度大于2m。封堵范围:下隅角由机巷下帮至第1架架尾，上隅角由风巷上帮至最上一架架尾。见图2所示。

图2 垛墙布置示意

3.3 复合阻化泡沫防灭火技术

3.3.1 复合阻化泡沫的制备

复合阻化泡沫是由固态不燃物、惰性气体(N2)和水三相防灭火介质组成。其制备过程为:在制浆站里将水与粉煤灰按一定比例搅拌混合，通过压力泵和定量螺杆泵将发泡剂输送到注浆管路，浆液与发泡剂和阻化剂在混合器中混合后，再与接入的氮气相互作用产生含固体颗粒的复合阻化泡沫，复合阻化泡沫利用注浆管路注入防灭火区域。

3.3.2 复合阻化泡沫的工艺流程

根据复合阻化泡沫的制备工艺以及朱仙庄矿井下的实际情况，制定了注复合阻化泡沫的工艺流程，如图3所示。在风巷离停采线60m处，利用原交替埋设的2趟灌浆管对上隅角采空区灌浆，同时工作面每推进15～20m距离再铺设一趟灌浆管路向采空区和上隅角进行灌浆或灌注三相泡沫。

图3 注复合阻化泡沫的工艺流程

3.3.3 工程试验结果分析

在873综放工作面采空区进行工业试验。总共向采空区注黄泥浆约 1830m3，复合阻化泡沫57000m3，浆液从采空区流出量很小。23d后，从综放面支架后面采空区各个地方的煤体裂隙中看到了复合阻化泡沫扩散出来。

试验结果表明复合阻化泡沫已经均匀充满了整个采空区，并进入了煤体的裂隙和漏风通道，有效地包裹了整个采空区低、高处的浮煤，封堵了采空区的煤体裂隙，对采空区内存在的自然发火隐患进行了有效地控制。

3.4 注氮防灭火技术

注氮防灭火的实质是向采空区氧化带内或火区内注入一定量的氮气，使其氧含量降到10%或3%以下，以达到防灭火的目的。

具体做法是在工作面停采前60m开始，从下隅角埋设一趟直径50mm的注氮管路，然后每隔15m再预埋一趟，并从架尾向工作面上方延伸4m左右，最里端的1m处预埋管用花管并用钢丝网缠绕保护，以利于氮气的溢出及扩散。同时，风巷预接一路φ50mm注浆管，管口与发泡器相联，做好注三相泡沫的准备。如图4所示。

图4 注氮管路布置示意

3.5 其他辅助防灭火技术

3.5.1 预测预报技术

(1)在综放工作面上隅角及回风流中安装温度和CO传感器，实时监测工作面温度、CO浓度变化情况。综放工作面各传感器安装见图5。

图5 综放工作面传感器布置示意

(2)采煤工作面测气员配备CO便携仪，对工作面上隅角、束管、架尾、架间、回风流等中CO情况随时进行检查。

(3)利用上隅角埋设的束管，对采空区CO进行检查，并定期取样化验，同时，利用CO检测管对架尾、架间进行检测。

3.5.2 防火钻孔

工作面防火收作期间，在工作面风巷或高位钻场煤层顶板处设计施工防火钻孔，并且使钻孔覆盖停采线，同时，将防火钻孔联管向采空区内灌注三相泡沫或灌浆。工作面停采收作期间，必要时可利用高位钻场瓦斯抽排钻孔，向工作面采空区进行注浆 (三相泡沫)，以消除现存煤层自然发火隐患。

3.5.3 调整工作面风量

适当调整通风系统，降低工作面通风阻力。工作面回采至停采线约10m处时，在满足需风量要求的前提下，尽量降低工作面风量 (由1200m3/min降至600m3/min左右)，从而减少采空区漏风量。

3.6 立体化综合防灭火技术效果

采取立体化综合防灭火技术，矿井Ⅱ863综放工作面采空区自然发火隐患能得到有效地控制。采用综合防灭火技术后Ⅱ863工作面采空区内CO，O2，N2变化情况如图6所示。

图6 Ⅱ863工作面采空区气体变化曲线

经过传统的防灭火技术、连续灌注复合阻化泡沫和采空区注氮，从采空区的气体分析可看出，O2和 CO浓度持续下降，O2的浓度长期保持在5%以下，实现了极软易燃特厚煤层立体化综合防灭火，有效控制了煤炭自燃的发生。

4 结论

针对自然发火期短、断层多、煤质极软的特厚煤层，朱仙庄矿打破传统模式，提出了立体化防灭火技术，并在矿井进行了广泛应用，取得了显著效果。

(1)通过向顶部高冒区注MCA高分子材料，降低了煤的氧化放热速度，达到隔绝漏风，杜绝煤炭自然发火。

(2)采用加有10%的快速垒砌材料的碎煤袋等对工作面上、下隅角进行封堵，能有效控制采空区的漏风。

(3)通过向高瓦斯采空区灌注复合阻化泡沫，消灭了高位火源，有效控制了采空区自然发火，实现了采空区埋管－钻孔－架间插管的全方位大流量注复合阻化泡沫防灭火。

(4)辅以其他传统的防灭火技术，实现了高瓦斯极软易燃特厚煤层立体化综合防灭火，有效控制了煤炭自燃的发生，取得了显著的经济效益。

［1］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.

［2］刘 谦，林柏泉，朱传杰，等.采空区自燃火灾防治技术［J］.煤矿安全，2012，43(9):68－70.

［3］袁胜军.综放工作面回收期间自然发火原因理论分析［J］.科技情报开发与经济，2009，19(2):208－209.

［4］陈宝成，刘 涛，刘起余.注氮技术在轻放面收尾期间防治自然发火的运用［J］.华北科技学院学报，2010，7(2):28－29.

［5］戴广龙，朱贵旺，方恩才，等.多漏风汇高瓦斯综采工作面采空区防火技术实践［J］.煤矿安全，2004，35(7):18－22.

［6］李文峰，张明富.易自燃特厚煤层综放面采空区防灭火技术［J］.中州煤炭，2011(11):117－118.

［7］戴芝礼.采煤工作面收作期间防治自然发火综合技术应用［J］.科技情报开发与经济，2010，20(10):39－40.