哈密一矿安全隐患治理工程防灭火工作实践

李博，赵晓夏

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

安全与环保

哈密一矿安全隐患治理工程防灭火工作实践

李博1，赵晓夏2

（1.中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁沈阳110015；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400037）

随着露天采矿技术、设备的发展,露天可采深度不断加大，然而露天煤矿煤层较浅引起的煤层自燃对许多露天煤矿的正常安全生产已经构成了很大的安全隐患。主要探讨了褐煤露天煤矿中的防灭火方法，并介绍了新型防灭火材料在哈密一矿安全隐患治理工程中的应用。

排褐煤露天煤矿；煤层自燃；防灭火方法；防灭火材料

0 引言

随着我国大型露天煤矿的不断发展，露天煤矿的煤炭自燃已经成为矿山重大自然灾害之一，露天煤矿自燃不但浪费煤炭资源，而且还会释放出大量的有毒有害气体，造成环境污染，给矿山工人的身体造成伤害。因此，防灭火工作是降低煤炭资源损失，减少和消除大气污染，保证矿山安全生产的重要手段。

1 工程基本情况

哈密一矿安全隐患治理工程（简称“本工程”）涵盖基建和生产运营。设计服务年限为9年，工程境界内剥离量10 987万m3，可采煤量2 448万t，平均剥采比4.5 m3/t。最大的年出煤量为4.4 Mt/a，剥离采用单斗-卡车间断开采工艺，采煤采用轮斗挖掘机-卡车半连续开采工艺。本工程首采一分区7#煤层厚度10 m左右，煤质为褐煤，属于容易自燃煤层，邻近矿井开采情况表明，自燃危险性大，最短自然发火期30 d左右。为了实现首采一分区的安全开采，根据一分区的基本情况和工程设计，以“降低成本、技术有效”为原则，提出了以“喷防火材料+监测监控”为主的防灭火技术路线。

2 防灭火技术路线

根据本工程煤层赋存条件和自燃特性，结合剥离回采回填工程开采工艺，形成适合本工程灾害综合治理的自燃综合防治技术：以矿用新型无机防灭火材料喷涂覆盖隔热隔氧防火为主，洒水降温、高温点处理为辅，预防为主、防治结合[1]。

项目总体技术路线为对剥离回采工程需回采的煤层进行自燃特性实验研究，并在前期结合采掘工艺和进度计划进行自燃危险性分析；在边帮煤层边坡形成后，首先进行边坡清理、平整边帮，然后喷涂矿用新型无机防灭火材料，隔绝了煤层的氧化反应，防止在氧化过程中不断积热助氧化[2]，同时预埋温度监测装置进行严格的监测监控；在剥离回采工程内排回填阶段，利用排土工程中的黏土、细砂层对防灭火喷涂层进行垫层保护。

3 喷涂实验

3.1 实验内容

实验包含2项内容，分别为堆煤实验和煤帮喷涂实验。堆煤实验即按要求准备3个煤堆，其中一堆为自然堆放，另两堆为碾压堆放，分别完成自然堆放煤堆和碾压堆放喷洒MgCl2水溶液煤堆最短自然发火期观测、碾压堆放煤堆喷涂防灭火材料后的防火效果考察。煤帮喷涂实验即按要求准备一个实验煤坑，分区域喷涂厚度为2 cm、5 cm和10 cm防灭火材料，考察不同涂层厚度与防火效果的关系，最终确定最经济可行的喷涂厚度。

3.2 实验目的

通过以矿用新型无机防灭火材料喷涂覆盖为主的防火方案的现场实验，优化施工工艺，根据实验效果，优化方案降低成本[3]，并对以下工作进行考察：

1）确定合理的喷涂工艺，保障施工简捷，涂层厚度均匀、有效密封覆盖；

2）评估干燥高温多风气候条件下材料防火性能，并根据需要调整材料配比，优化材料性能；

3）考察不同喷涂厚度防火效果，确定经济可行的喷涂厚度；

4）观测自然堆放和喷洒MgCl2水溶液煤堆最短自然发火期，考察现场气候条件下MgCl2的阻化性能，增加防灭火手段；

5）考察剥离回采回填工艺对自燃防治工艺影响，以及爆破震动对涂层的影响，包括涂层是否出现裂缝、松动滑落等现象；

6）现场取样密封进行实验室煤自燃特性实验测试，为防灭火措施提供依据。

3.3 堆煤实验

堆煤实验共准备3个煤堆，主要完成3个实验，包括自然堆放观测最短自然发火期、碾压堆放喷涂防火材料、碾压堆放喷洒MgCl2水溶液。每个煤堆中部均埋设一组温度传感器及导气管，用以监测煤堆内部温度及CO变化情况。2014年5月19日开始监测，其中1#为自然堆放煤堆；2#为碾压堆放喷洒MgCl2水溶液煤堆；3#为碾压堆放喷涂防火材料煤堆。煤堆内部温度及CO变化趋势如图1和图2所示。

图1 煤堆内部温度变化趋势图

图2 煤堆CO变化趋势图

图3 煤帮平面图

3.4 煤帮喷涂实验

煤帮暴露时间为2014年5月15日，煤帮平面如图3所示。5月20日开始煤帮喷涂实验，5月25日结束，除去22日和23日2 d沙尘天气影响暂停施工外，共用时4 d，完成喷涂面积251 m2，用料12.45 t，区域喷涂实验参数见表1。

表1 区域喷涂实验参数

经试验，在没有锚网的条件下，材料浆液能够与边帮煤层完好的粘结在一起，最终决定可省去挂网工序，直接喷涂。然后，用高压水冲洗边帮浮煤及松动的碎煤块，并对所有预喷涂表面洒水，湿润湿透煤粉，增加材料与表面的粘结性[4]。

按照煤帮喷涂实验的3种不同喷涂厚度，设置5组监测点，每组测点由温度传感器和导气管组成，用于实时监测涂层内温度及CO气体的变化情况，用以判断涂层下煤体的氧化升温情况。测点具体布置参数如图3。表面处理前，围绕煤坑不同喷涂厚度区打检测孔，孔深2 m，孔径42 mm，用于放置导气管及温度传感器，并用DN25无缝钢管作为保护套管，孔口夯实密闭，煤层破碎区域采用水泥砂浆封孔。通过温度传感器读数确认煤层内部温度的实时数据；通过气泵抽出导气管内气体，经便携仪检测孔底CO等防灭火指标气体的变化情况。测点内部温度及CO变化趋势如图4—图9所示。

图41 #测点温度变化趋势图

图52 #测点温度变化趋势图

图63 #测点温度变化趋势图

图74 #测点温度变化趋势图

图85 #测点温度变化趋势图

图9 各测点CO变化趋势图

3.5 实验结论

通过堆煤和煤帮实验，考察了在干燥高温、昼夜温差较大等气候条件下矿用新型无机防灭火材料的防火性能和MgCl2的阻化性能，获得了工艺、施工等方面的重要经验，得出了经济可行的喷涂厚度数据。

3.5.1 对材料性能的考察

1）根据堆煤实验监测情况分析，喷涂防灭火材料煤堆在涂层包裹封闭下，由于微供氧作用，长期处于缓慢氧化平衡过程中，煤堆内部温度和CO浓度基本保持稳定，并在长期时间内保持恒定[5]。煤堆喷涂防灭火材料形成结壳密封包裹体，可作为大型煤场的防火手段。

2）根据煤帮实验监测数据分析，涂层下的温度长期保持在恒温状态，隔绝了外界温度影响，保证了煤体内部低温缺氧环境，阻碍了煤体氧化进程；在微漏风作用下，涂层下煤体长期保持着低温缓慢氧化，产生了少量CO气体，并在长期供氧、耗氧平衡中基本保持稳定。上述的这些基本特征在长时间内一直处于稳定状态。

3）在戈壁滩恶劣的气候条件下，矿用新型无机防灭火材料仍表现出良好的隔热性，较强的粘结性和密闭性，能够对煤体起到良好的密封保护作用，延缓煤体氧化进程。经考察，喷涂该材料能够作为边帮煤层防火的主要手段。

4）夏季的戈壁滩昼夜温差较大，热胀冷缩作用明显，涂层出现一些裂缝在所难免。经实验考察，较小裂缝对涂层防火的整体性基本不存在影响[6]。

5）经实验验证，煤壁不必挂锚网，可直接向煤壁喷涂防火材料，煤壁与材料能够紧密的粘结成整体。受实验坑尺寸影响，长期放炮震动作用下涂层是否开裂和大面积滑落，有待在后续工程中进一步考察。

3.5.2 对MgCl2阻化性能的考察

经喷洒MgCl2水溶液实验，煤堆表层有晶体析出，保湿固水现象不明显，雨后表层湿润可维持一段时间；其阻化性能没有直接数据和表观现象体现。建议在后续工程中喷洒MgCl2水溶液后，定时洒水保湿。

3.5.3 对最短自然发火期的考察

实验期间，现场取了2份煤样送实验室检测，鉴定结果为：自燃倾向性分别为Ⅰ类容易自燃煤层和Ⅱ类自燃煤层；最短自然发火期分别为35 d和49 d。

4 矿用新型无机防灭火材料喷涂施工

4.1 防火机理

1）材料本身不燃，使被保护煤体不直接与空气接触，延迟物体着火和减少燃烧的速度，它还具有较低的导热系数，可以延迟火焰温度向被保护煤体的传递[7]。

2）固结后的材料在高温下受热分解出不燃惰性气体，冲淡被保护物体受热分解出的可燃性气体，使之不易燃烧或燃烧速度减慢。

3）该材料受热膨胀发泡，形成碳质泡沫隔热层封闭被保护的物体，延迟热量与基材的传递，阻止物体着火燃烧或因温度升高而造成的强度下降。

4.2 喷涂厚度

依据前期喷涂实验结果，兼顾可行性和经济性的原则，本工程设计喷涂厚度30 mm，也可根据现场情况调整。对于破碎区域、高温易燃区域等可适当增加喷涂厚度，保证包裹覆盖的密实性。由于施工现场气候干燥，风力及昼夜温差较大，热胀冷缩容易造成涂层开裂，本工程将开裂宽度30 mm定为影响防火效果的指标。小裂隙对防火的整体性影响较小，可不必处理，但超过30 mm的大裂隙必须补喷，确保防火效果在可控范围内。

4.3 煤层防火施工

4.3.1 煤面平整

1）施工准备。随着工作帮的推进，边帮煤层切面应及时处理成设计坡面，以便尽早开展防灭火施工。

2）边坡清理平整。在边帮边坡成型后，首先进行边坡清理、平整。边坡清理工作自上而下，将松动的浮石、浮煤、矸石逐一清理干净，最后利用水力冲刷的方式冲洗边坡。边坡清理工作应特别注意浮煤的清理，减小自然发火隐患。

3）台阶平面平整。煤台阶平面成型后，对其进行平整处理，除去表面煤块、煤矸等块状物，并洒水将表层的浮煤灰浸透压实。在必要的情况下，较深的空洞首先进行补平，对局部裂隙较为发育区域采用挖填夯实的方式处理。

4.3.2 隔氧降温施工

1）非工作帮隔氧降温施工。非工作帮煤层边坡平整完毕后，喷涂防灭火材料。施工中，向煤层顶、底板延伸喷涂0.5 m，必要的情况下适当加宽，岩层破碎区域根据实际情况增大涂层控制范围。喷涂结束后，对涂层进行检测，考察涂层的平整性和密闭性，对厚度没有达到设计标准、有裂隙或损伤的部位及时修补。对于边帮煤层较为破碎的局部区域，可根据需要，采用喷涂防灭火材料配合挂网喷浆的方式进行处理[7]。

非工作帮到界后即开始内排，为保护防火材料覆盖层实现长时间防火效果，含煤台阶内排回填首先使用上覆岩层剥离的细砂石作为垫层，垫层厚度根据台阶、边帮情况确定。垫层与上覆岩层接头处做成斜坡，角度小于自然安息角。细砂石垫层上部采用剥离回采工程内排土石统一回填，在内排回填之前，间断性对垫层洒水，或利用塑料布压实覆盖，避免春、夏季大风的影响。

2）端帮隔氧降温施工。随着工作帮的推进，在工作帮后方边帮随即喷涂防灭火材料。施工时，至少向煤层顶、底板延伸喷涂0.5 m。对于局部破碎区域必要时可采用喷涂防灭火材料结合挂网喷浆的方式，施工工艺与非工作帮隔氧降温施工相同。防灭火措施实施完成后，施工区域覆盖细砂层，细砂层覆盖厚度根据台阶、边帮情况确定。

3）台阶平面隔氧降温施工。台阶平面处理好后，随即开展喷涂防灭火材料施工，对煤体进行包裹覆盖处理。喷涂好的区域尽量较少人员、车辆等的经过，以防涂层遭到重压破坏开裂，失去整体密封性，如果必须经过的话，需在指定的线路上覆盖足够的沙土层，以减轻涂层破坏程度。

4.3.3 自燃监测

根据暴露煤体自燃特点，现场自燃监测确定采用温度监测为主、CO监测为辅的方式判断自燃趋向。结合本工程实际情况，自燃监测采用非接触式巡回监测和检测孔监测。

1）非接触式巡检。对边帮煤层、松散煤堆或煤体等，利用手持式红外热像仪监测煤体暴露区域及覆盖防灭火材料区域的温度。非接触式红外热像仪能够对煤壁、边帮、煤堆的表面快速发现高温异常位置和区域。

2）检测孔监测。在煤层边帮倾向中心、走向上每50 m设置1个检测孔，用以监测煤层温度情况，煤层破碎区域可根据实际情况减小检测孔间距。检测孔监测主要用于实体煤的内部监测，能够及时测定煤体内部温度及自燃标志性气体的变化趋势，进而可判断出煤体内部的升温氧化进程及自燃趋势。检测孔示意如图10所示。

3）监测制度。自燃监测于每天高温时段14∶00—17∶00之间进行，对上述所有区域全方位监测。当气温低于25℃时，每2 d进行1次巡检，空气温度高于25℃时，每天进行1次巡检。每次监测完成后填写监测记录表，若发现局部区域温度异常升高时，立即上报。查明温度异常升高原因，若存在自燃趋势，马上采取措施。

图10 检测孔示意图

5 结语

本工程所采用矿用新型无机防灭火材料中含有能抑制烟雾及阻断自由基链式反应的物质，与常规防灭火材料相比，大大提高防灭火效能和灭火速度，施工前制定了严格的安全施工技术措施，喷涂施工质量良好，防灭火效果显著，很好的保证了本工程的生产安全，截止目前累计完成喷涂面积12 676 m2。在实际应用中还有以下几点需要优化调整：

1）增强材料粘结强度。边帮煤层靠近施工场地，或靠近运输道路，较好的粘结强度有利于增强涂层的完整性和固结性。

2）改善材料对环境的适应性。本地区冬季寒冷、夏季干燥炎热、昼夜温差大，需提高材料的抗寒性、凝固性、热胀冷缩性，以适应现场的气候条件。

3）提高抗氧化、抗风化能力。施工区域气候干燥、多风，提高材料抗氧化、抗风化能力有利于保证涂层隔氧降温的效果。

［1］付震.浅谈露天煤矿中防灭火技术及安全措施［J］.黑龙江科技信息，2011（23）：18-20.

［2］孙喜明.露天煤矿自燃防灭火经验［J］.露天采矿技术，2011（5）：98-99.

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［4］王刚.煤自然发火模拟试验测试系统［J］.煤矿安全，2014，45（4）：103-105.

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［7］文虎，赵彦辉.实验条件下煤自然发火期影响因素研究［J］.煤矿安全，2014，45（11）：19-22.

［8］金永飞，李海涛.变氧浓度环境下煤自然发火气体预报指标优选［J］.煤矿安全，2014，45（11）：27-30.

【责任编辑：解连江】

Safety risk control project fire prevention work practice in Hami No.1 Mine

LI Bo1,ZHAO Xiaoxia2
(1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Design&Research Institute,Chongqing 400037,China)

With the development of open-pit mining technology and equipment,the exploitable depth increases in open-pit mine. However,the coal seam spontaneous combustion caused by shallow coal seam forms great safety hazard in many open-pit coal mines.This article mainly discusses the methods of fire prevention in lignite open-pit coal mine,and introduces the application of new type fire prevention materials in Hami No.1 Mine safety risk control project.

lignite open-pit coal mine;coal seam spontaneous combustion;fire prevention method;fire prevention material

TD75

B

1671－9816（2017）01－0071－06

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.01.020

李博，赵晓夏.哈密一矿安全隐患治理工程防灭火工作实践［J］.露天采矿技术，2017，32（1）：71-75.

2016-07-20

李博（1982—），男，黑龙江伊春人，注册一级建造师，注册咨询工程师，注册监理工程师。毕业于中国矿业大学土木工程专业，现就职于中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，主要从煤矿安全管理工作。