无煤柱分层开采综合防灭火技术

吴会平

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安710077）

矿井火灾是煤矿主要事故灾害之一，而在我国存在煤炭自燃的矿井，占煤矿总数的56%，另外因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%～94%〔1〕。其中每年因煤层燃烧而损失的煤炭约10～13.6Mt，直接经济损失超200亿元人民币〔2－3〕。煤炭自燃不但会造成极大的煤炭资源的浪费，而且会诱发煤尘和瓦斯爆炸、煤层透水等事故，还会严重污染环境，威胁人们的生命财产安全〔4〕。厚煤层的开采中，会使得层与层之间采空区连成一片大面积采空区，极容易发生煤层自燃，且如果一处出现自燃，其有害气体必然会波及整个相连的采空区，且很难控制〔5〕，影响到生产工作面，造成大量的损失。因此在无煤柱分层开采中，必须要有充分的防灭火措施。

1 山东某矿10304工作面概况

山东某矿10304工作面位于矿井西北部；工作面西部的上方为一条河，南北方向贯穿整个工作面；东部的上方为农田；北风井向北2405m为该工作面的设计停采线位置；北风井向北2818m为切眼位置；停采线上方的该河东河堤向东107m为工作面轨道顺槽，向西110m为10304面运顺。10304工作面东邻10305工作面采空区；西邻尚未开采的10303工作面；南是四采区第一轨道上山；北起切眼，是该矿井边界煤柱。工作面走向长406～416m，工作面倾斜长为217m。

开采煤层有自然发火倾向，自然发火期为3～6个月，最短为28天。煤尘有爆炸性危险，爆炸指数38.26%～42.16%。地温25℃，基本不具备冲击地压危险性，工作面在掘进过程中没有发现陷落柱和火成岩侵入。

2 分层开采防灭火必要性

10304工作面开采三号煤层，采用无煤柱分层开采的方式，分为上下两分层开采，上分层综采，下分层综放开采。三号煤层为黑色，煤层厚度在7.89～8.58m，平均厚度为8.19m，煤层硬度系数为3.5。10304工作面西北高，东南低；煤层倾角3°～14°，平均倾角为7°；该工作面东南倾角较大而西北倾角较小。工作面直接充水含水层主要为三煤顶板砂岩含水层，间接充水含水层为第四系下组含水层。因此，为了提高开采上限，同时为了消除工作面煤层开采受水害影响，必须实行分层开采。将原一次采全高的煤层分为两次回采。

厚煤层采用分层开采，采空区会存留大量的遗煤，另外工作面采空区以及层与层之间的采空区连成一片组成大面积采空区，由于受矿压影响会产生大量的裂隙，因而漏风极为严重，因而会造成采空区遗留的浮煤供氧而氧化，极易造成煤层自燃。一旦发生自燃，会产生大量有害气体，必然会波及整个相连的采空区及生产工作面，处理难度相当大。厚煤层分层开采的防灭火技术十分关键，也是煤炭科技工作者努力要解决的一个难题。

3 10304－1工作面防灭火措施

在10304－1工作面的掘进、回采、停采及封闭撤除期间，利用粉煤灰胶体、水玻璃胶体、喷浆堵漏、注MEA防灭火材料、均压等综合防灭火技术及工艺的矿井防灭火系统，不仅保障了10304－1工作面的安全生产，而且为10304－2工作面的生产创造了良好的条件。

1）回采期间防灭火

从2011年10月8日开始，直至工作面停采，主要在10304－1工作面的运顺和轨顺实施防火工程。在工作面每推进40m在两顺槽各组织一次防灭火处理，注浆量为两顺槽各压注200m3粉煤灰复合胶体。地面制浆站将制好的粉煤灰浆液（适当时加入少量悬浮剂）通过注浆管路输送到注浆地点与ZHJ－5／1.8G型矿用移动式防灭火注浆装置相连接，再利用该装置将FCJ12复合胶体添加剂与粉煤灰浆液混合（按照粉煤灰浆液∶FCJ12复合胶体添加剂＝A∶B的比例）然后通过预埋的注浆管路灌注到采空区（见图1）。

图1 粉煤灰防灭火系统工艺流程

2）停采及回撤期间

针对停采线实施的防灭火处理，在10304－1工作面运顺四叉门处。用地面制浆站按照一定比例，将原料特定的水泥、粉煤灰及水制备成粉煤灰浆，然后将粉煤灰浆通过注浆管道输送到10304－1工作面运顺注浆地点，利用泥浆压注泵XK－V型，将促凝剂小苏打与粉煤灰浆液按照比例混合，最后将浆液通过注浆管路压注到采空区内。

综采面10304－1于2012年1月中旬停采，停产后立即进行回撤，回撤完成后，进行永久性封闭。为防止发生大量漏风引起的自然发火事故，需要加强工作面回撤封闭期间的通风管理。

工作面停采回撤期间，在满足稀释瓦斯、二氧化碳及机电设备散热等要求的前提下，压缩工作面风量，通过调节10304－1消火道两道永久调节风门，将工作面风量调整至500m3／min。另外，做好两巷扫塘供风的准备工作，10304－1轨顺扫塘风机安设在五采一轨三部上山，10304－1运顺扫塘风机安设在五采一轨四部上山，工作面回撤前，将风机安装到位，风筒延接到位。两处局部通风实现“三专两闭锁”，当工作面风量不能满足最低允许风速0.28 m／s时，立即开启扫塘风机供风，直至两顺槽外密闭施工完成。

停采回撤期间，测风员每天测定1次风量，并记入测风牌板，测风牌板悬挂在顺槽距工作面不大于50m处，工作面进、回风应同时测定。在10304－1停采线两端头另设一氧化碳检查点，建立检查台帐，做好自然发火的预测、预报工作。

3）10304－1工作面封闭

工作面封闭分3个步骤：一是停采线封闭；二是停采线防灭火治理；三是外围通风系统调整。

（1）上、下顺槽紧贴停采线分别施工1道木垛，规格为3m×3m；其次紧贴木垛分别施工1道板闭，并喷堵赛福特；最后紧贴木垛分别施工1道混凝土密闭，厚度为0.8 m，其结构见图2。

图2 停采线封闭示意

（2）停采线防灭火治理，主要是向采空区注粉煤灰胶体。

（3）调整通风系统。① 在10304－2运顺卧底处至10304－1运顺30余米施工1道木垛，并喷注赛福特封堵；其次每隔5m施工1道木垛，共施工3个；② 封闭轨顺联络巷。先在开门点施工1道木垛，并喷注赛福特；再在联络巷距全风压3m处施工1道砖闭；③ 封闭10304－1运顺施工巷；④ 通风系统的均压，在联络巷设置风门，大巷布置局部风机，增大工作面风压，从而实现对10304－1工作面停采线均压，防止有害气体从上分层采空区涌入。

4 10304－2工作面防方灭火措施

一分层采空区自燃的预防。开采期间由于各种原因存在遗煤的情况下，应在分析一分层遗煤的基础上，利用粉煤灰复合胶体防灭火技术对采空区遗煤进行处理，利用新型阻化泡沫技术对煤体进行阻化和惰化，抑制煤体自燃。

研究掘进期间（两巷对掘）采取的通风安全技术措施，进行巷道喷浆堵漏，实施均压，上分层采空区自燃监测、预报和自燃的应急处理方案的制定，以及10304－2上分层采空区自燃监测、预报、工作面过上分层开切眼处、停采线处自燃预防。通过自燃隐患分析，实施10304－1工作面的封闭，调整通风系统，对5304－1工作面停采线实施均压，建立了10304－2工作面掘进、回采期间的煤自燃预防技术，顺利实施了10304－2切眼防灭火、10304轨顺联络巷和10303一号联络巷封闭技术，保障了工作面的安全生产。

1）10304－2工作面掘进期间

下分层开采会极大地影响上分层采空区漏风，因此在开采下分层时，必须制定相应通风安全技术措施、实施均压及巷道喷浆堵漏等，以减少向采空区的漏风强度。在工作面运顺、轨顺、切眼掘进时，必须随掘随喷且喷严喷实，另外喷浆范围要全面，主要包括轨顺顶板、沿空侧、运顺顶板、两帮、切眼顶板等全面喷浆。还需在工作面运顺、切眼、轨顺掘进期间，每30m施工气体观测孔一个，每隔10 m施工防灭火钻孔2个。从而可以在工作面掘进期间，通过采集气样，分析化验采空区气体变化，掌握漏风情况，对上分层采空区注凝胶封堵，从而减少采空区漏风。

2）10304－2工作面回采期间

在工作面回采期间，主要是对10304－2运顺采空区压注胶体粉煤灰浆；加强通风系统巡查，每旬至少对工作面及外围巷道进行1次风量测定，确保工作面安装、回采期间满足生产需求；加快工作面推进速度，并在回采期间每隔30m，两顺槽分别建造隔离墙。加强安全监控系统及束管监测系统，对工作面的瓦斯检查，每班检查两次，并每天检查预埋束管内气体浓度情况，定期取样化验，掌握上分层采空区气体及漏风趋向。总之，回采期间尽可能地减少向采空区漏风，防止自燃事故发生。

5 相关联络巷封闭安全技术措施

封闭10304轨顺联络巷，在10304轨顺联络巷距10304轨顺门口约1m位置施工木垛1道，联络巷用木架棚支护造假底，在10304轨顺联络巷距五采一轨门口位置施工1道混凝土密闭；另外封闭10303一号联络巷，由于该联络巷为外错巷道，当回采10303综放面时可复用，因此在10303一号联络巷距10304运顺门口位置施工0.8m砂袋隔离墙1道，紧贴砂袋隔离墙施工木垛1道，加强支护，在木垛两侧各施工板闭1道，中间充填赛福特固化堵漏，并在10303一号联络巷距五采一轨门口位置砖闭墙1道。

工作面通过10303一号联络巷时，需要充填木垛，封堵漏风，封堵完成后的一段时间里，10303一号联络巷为盲巷无风状态，因此需提前在五采一轨安设风机，确保10303一号联络巷的局部通风。

6 结语

10304工作面属于三下开采，有其工程地质特殊性，采取了分层无煤柱开采技术。根据10304工作面开采的实际，采用现场观测和理论研究相结合方式，针对10304工作面分层开采、倾角大，俯斜开采给煤层自燃带来的问题。对不同地点，建立以采空区堵漏、惰化、阻化相结合采空区自然火灾预防技术体系。掌握工作面自然发火特点及其规律，研究工作面回采期间的综合防灭火方案。为了有效的控制煤自燃，需建立适合分层开采的综合防灭火技术体系，加强工作面及邻近采空区的气体监测，及时预测预报相邻采空区煤层自燃的征兆。在整个工作面开采过程中非常顺利，没有发生异常情况。

〔1〕卢国斌，耿 铭 .采空区煤自燃机理及其防治技术研究现状，2009，9.

〔2〕胡社荣，蒋大成 .煤层自燃灾害研究现状与防治对策 .中国地质灾害与防治学报，2000，4.

〔3〕中国矿业编辑部 .煤炭自燃年损失200亿元 .中国矿业，1999，1.

〔4〕王海晖 .中国矿井火灾安全与煤自燃现象研究〔J〕.科学促进发展，2009，12：22－23.

〔5〕王志扬，张振鹏 .厚煤层无煤柱分层开采防灭火技术探讨.煤矿现代化（增刊），2009，5：16－17.