普瑞特在大倾角易自燃煤层防灭火中的应用

范志堂，王士华，李洪杰，李 军，胡继周

（1.宝鸡秦源煤业有限公司，陕西 宝鸡721200；2.徐州吉安矿业科技有限公司，江苏 徐州221008）

在全国国有重点煤矿中存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%～94%〔1－4〕。近年来，随着采深的加大，工作面围岩赋存条件趋于复杂，特别是开采易自燃煤层的大倾角综放工作面采空区遗煤增多，综采工作面重型设备回撤周期长，也容易造成采空区遗煤自然发火〔5－6〕。

1 工作面概况

N104综放工作面位于秦源煤业矿井北翼采区，该工作面上部和下部为未开拓区，以北为皮带下山、轨道下山和回风下山，以南为煤层变薄区。工作面标高为＋360m～＋450m，地面标高为＋985m～＋1010m。工作面切眼长度123m，共布置84架液压支架。N104工作面平均煤厚为6.0m，煤层倾角28°～32°，平均倾角30°，工作面采高2.5m，放顶煤高度3.5m。工作面所采3＃煤层为易自然发火煤层，自然发火期一般为3～6个月，最短自然发火期只有12天。工作面采用U型通风方式，即下顺槽进风，上顺槽回风，工作面正常回采期间需要风量约894m3／min。N104工作面布置情况见图1。

图1 N104工作面布置

2 工作面发火经过

N104工作面于2015年4月3日开始铺网上绳；4月12日～4月22日扩刷大棚，扩刷大棚期间工作面回风流中CO浓度稳定在15×10－6左右；4月23日～5月3日工作面进行面内浮煤清理，拆除转载机、破碎机、煤机等拆除支架前期准备工作。准备期间，工作面回风流中CO浓度缓慢升高至20×10－6左右。5月4日夜班工作面开始拆除第1架过渡支架，至5月6日夜班工作面下端3架过渡支架拆除完毕，用时3天。在拆除工作面下端3架过渡支架过程中，工作面回风流中CO浓度升高较快，由20×10－6上升至223×10－6。5月7日8点15分，工作面回风流中CO浓度瞬时达到245×10－6，期间35＃支架架后CO浓度最高21×10－4，65＃支架16×10－4，75＃支架2×10－3，且35＃支架架后出现淡淡蓝烟。

2.1 氧化原因分析

（1）N104工作面2月份推进35m，3月份推进42m，推进距离均小于60m，推进速度均较慢。

（2）距停采线30m时，工作面架后遗煤没有放净，采空区留有大量遗煤。

（3）工作面推采至停采线附近时，工作面架后11m左右未放顶煤，致使架后采空区停采线附近留有大量遗煤。

（4）下出口巷道顶板支护质量较差，破碎较为严重，下出口断面小，大量漏风风流经下巷隅角破碎顶板裂隙进入采空区，扩大了采空区遗煤氧化范围。

（5）经中国矿业大学做的煤氧化动力学测试，煤层最短自然发火期只有12天。工作面自4月3日铺网上绳，至5月3日开始回撤支架，回撤准备周期1个月，大大超过了煤层最短自然发火期，致使采空区遗煤氧化升温加剧。

（6）工作面回撤期间仍采用上行通风方式。工作面下部过渡支架回撤后，架顶煤体垮落，造成工作面下部通风风阻增大，大量风流经工作面下部煤体垮落空间进入采空区，使采空区遗煤氧化加剧。

（7）工作面停采前所采取的预防性防火措施，虽然起到了一定的防火作用，但架前钻孔、高位钻孔终孔位置仅位于架后3～5m，防灭火材料覆盖范围较小，架间插管注水也对防灭火材料起到了一定的不良影响。

（8）高位钻孔灌注三相泡沫时，添加的黄土容易爆管子，且容易堵塞灌浆管道。灌注的防灭火材料在采空区扩散范围较小，且容易堵管，高位钻孔不能充分利用，致使高位钻孔利用率偏低。

2.2 氧化区域初步判定

根据回撤初期35＃支架架后CO浓度达到21×10－4，65＃支架16×10－4，75＃支架2×10－3，且35＃支架架后出现淡淡蓝烟的实际情况，结合工作面其它测点气体分析数据，初步推断工作面内25＃～40＃支架、51～76＃支架架后采空区遗煤氧化加剧，其中25＃～33＃支架架后采空区为重点防灭火区域，且架后采空区遗煤氧化加剧升温区域距离工作面10m以外。

3 工作面火区治理

针对N104工作面回撤初期出现的煤层氧化情况，主要采取了以下综合防灭火措施。

（1）调整通风系统

在工作面下口向外施工两道调节墙，一道板墙，一道袋子墙。在N104工作面回风巷甩道口外的北翼轨道下山布置两部局部通风机，一用一备。风筒沿工作面回风巷延接到工作面内对工作面进行局部正压通风。调整后的工作面通风系统见图2。开启局部通风机向工作面供风，风筒出风口风量为191m3／min，工作面下巷全负压通风风量86m3／min，工作面上巷回风风量280m3／min。

图2 调整后通风系统

（2）延深架前钻孔注普瑞特

根据初步推断的采空区遗煤氧化区域，利用原31＃、33＃架前钻孔，继续使用岩石电钻延深钻孔，延深后钻孔终孔位于煤层顶板架后采空区15m左右。31＃架前钻孔延深施工完毕后随即连接了普瑞特注浆系统。

（3）5月15日早班，将下巷袋子调节墙改为封闭墙，对墙体进行喷涂、抹面，通过N105甩道接入的局部通风机向下巷供风。此时工作面内的供风全由上巷局部通风机通过面内风筒进行供风，风筒出风口风量约200m3／min。5月18日早班紧挨袋子墙砌筑一道砖墙，5月21日～23日在距全负压通风口5m处，对下巷施工双层料石永久封闭墙，中间用黄土充填，并将墙内的措施孔和观测孔延伸至料石墙外，停止下巷局部通风机。

（4）继续通过下巷预埋管道向采空区24小时灌注氮气降低采空区氧气含量。注氮机产生的氮气利用气相色谱仪取样分析，确保氮气浓度高于97%。井下每班瓦斯员利用注氮管道三通阀门检查氮气中氧气含量，确保不高于3%。

（5）加快工作面撤架速度。支架撤出后及时对垮落顶煤洒水降温并喷洒阻化剂。撤架期间及时移动、拆除风筒。通风工区不定时对风筒风量、回风巷风流进行测定，确保通风系统稳定。

4 普瑞特防灭火新技术的应用

4.1 普瑞特防灭火特点及制备工艺

普瑞特防灭火新技术集氮气、凝胶、三相泡沫、阻化剂等防灭火技术优点于一体，生成的凝胶以泡沫为载体向火区的中、高位火点堆积扩散，所到之处凝胶均能有效覆盖黏附浮煤裂隙，对火区煤体吸热降温并持久保持煤体湿润冷却，同时有效封堵漏风通道；材料添加剂中含有的阻化剂能长久对煤体阻化，防治煤体氧化升温；泡沫中的水固结在凝胶体内，避免泡沫易溃浆的缺点；泡沫中的氮气缓慢释放，避免了单独注氮时氮气容易散失的缺点，持久保持火区的惰化〔7〕。

普瑞特防灭火材料由A料和B料组成，分别与水按体积比为2%和1%混合形成预混液，通过接入矿井压风系统的双液气动泵输送至普瑞特发泡成胶装置，在发泡成胶装置接入氮气管路使混合液发泡，经发泡成胶装置制备出的普瑞特直接通过钻孔注入防灭火区域。普瑞特制备工艺流程见图3。

图3 普瑞特制备工艺流程

4.2 普瑞特防灭火材料的应用

工作面架前31＃、33＃钻孔延深施工完成后，在工作面上顺槽距停采线20m开阔位置布置制浆站，生产的A、B两种浆液通过Φ19mm高压胶管输送到架前发泡成胶装置，在发泡成胶装置处接入氮气，经发泡后的普瑞特通过架前钻孔注入架后采空区，发泡成胶装置随注浆孔更换移动。

4.3 应用效果

通过连续向31＃、33＃钻孔灌注普瑞特约10t后，大量的普瑞特在采空区遗煤火区内扩散堆积，凝胶所到之处有效对遗煤吸热降温，粘附封堵浮煤裂隙，35＃架架后蓝烟迅速降低，工作面上隅角、回风巷风流中CO浓度明显降低。

通过采取以上针对性的综合防灭火技术措施后，N104工作面采空区遗煤火区得到快速控制，工作面上隅角、回风巷风流CO浓度降低至安全值以下，保证了工作面的安全回撤。

5 结语

1）根据N104工作面回撤初期采空区遗煤氧化发火情况，深入分析了自然发火原因，初步确定了煤层氧化发火区域。提出了针对性的面内正压通风，延深架前钻孔注普瑞特对发火区域吸热降温，下巷持续注氮惰化采空区的综合防灭火技术方案。

2）通过对N104工作面采空区发火经过和推断发火区域的综合分析，对31＃和33＃架前钻孔压注普瑞特防灭火材料后，采空区遗煤发火区域得到控制，回风巷CO浓度迅速降低到安全值以下。普瑞特防灭火新材料具有良好的扩散性、堆积性和稳定性，弥补了其它防灭火材料的不足。N104工作面回撤期间普瑞特防灭火新技术的成功应用为类似矿区防灭火技术提供了新的参考。

〔1〕杨晓敏，费金彪，宋大勇.液态CO2对采空区自燃隐蔽火源的控制技术研究〔J〕.同煤科技，2012，（1）：1－3、7.

〔2〕秦波涛，王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展〔J〕.中国安全科学学报，2007，（12）：80－85、193.

〔3〕鲜学福，王宏图，姜德义，等.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述〔J〕.中国工程科学，2001，（12）：28－32.

〔4〕肖 旸，文 虎，马 砺.矿井综合防灭火技术在煤自燃火灾中的应用〔J〕.煤矿安全，2008，（4）：49－52.

〔5〕田兆君.矿用防灭火凝胶的研究〔J〕.中国矿业大学学报，2010，（2）：169－172、189.

〔6〕任万兴，巫斌伟.高瓦斯易自燃超大俯采工作面的防灭火技术研究〔J〕.采矿与安全工程学报，2009，（2）：198－202.

〔7〕任万兴，周福宝，别小飞.松软巨厚煤层高冒区 自然发火原因及防治技术〔J〕.煤炭科学技术，2007，（5）：24－28.