近距离煤层群正压通风矿井自燃防治技术

何 敏

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

近距离煤层群正压通风矿井自燃防治技术

何 敏

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

通过分析研究近距离煤层群正压通风矿井自然发火的规律，提出对于近距离煤层群正压通风矿井煤自燃的治理，宜使用以注氮为主，堵漏、灌浆、加快回采速度为辅的综合防灭火技术。矿井的应用实践证明，这种技术能有效控制上部采空区的遗煤自燃，取得有效的火灾防治效果。

近距离煤层群；正压通风；自然发火；注氮

我国煤矿煤炭自然发火事故十分严重，全国煤矿中有56%的矿井存在煤层自然发火危险，其中厚煤层开采自然发火更为严重[1]。矿井发生火灾后，会产生大量的有毒、有害气体，致使井下工作人员受到伤亡；除火灾本身的破坏性以外，还可能诱发瓦斯、煤尘爆炸，从而酿成更大的灾难[2-3]。因此，矿井火灾防治技术一直是国内外科研人员研究的重要课题，但因绝大部分矿井采用抽出式通风，使得对于正压通风矿井的火灾防治技术研究较少[4]。本文针对大同矿区近距离煤层群正压通风矿井开采的典型特征，对其煤自然发火规律、火灾防治技术进行了研究，以期为同类矿井的火灾防治提供借鉴。

1 大同矿区煤自燃概况

大同煤矿集团公司本部矿井火区17处，火区面积约435.237×104m2，井田内含煤地层有侏罗系大同组和石炭二叠系太原组、山西组上、下两套煤系。开采的煤层自然发火危险性较为严重，特别是一些老矿井，由于开采年代长，且周边小煤窑乱采乱挖，造成其邻近煤层存在大量采空区，而采空区的位置、开采状况又难以准确掌握。为保障矿井的安全开采，部分矿井采用了压入式通风，以减少老火区的有害气体对矿井的威胁。目前主要有大斗沟、四老沟、王村、挖金湾、雁崖等5个矿井采用正压通风。

这些矿井主采煤层均为14号煤层，其自然发火期为3～6个月，正常开采时本煤层采空区遗煤自燃的可能性较小，发火的主要原因是上层采空区的遗煤自燃。由于上层煤层采用的是刀柱式开采或小煤窑的乱采滥挖，采空区的遗煤比较多，再加上煤层上下顶板普遍较硬，在受到下层煤开采采动影响下，煤柱大部分已被压垮，导致了遗煤与漏风氧气的接触面积增大，大大增加了遗煤自燃的可能性。此外，14号煤开采时，上部11号煤层已封闭，采空区距离14号煤层较近，在采动的影响下顶板断裂与上层采空区直接沟通，上层采空区与周边小窑采空区又相互坍塌贯通，与地面形成漏风通道。又由于矿井采用压入式通风，漏风流向地面，从而使老采空区遗煤自燃的早期发现非常困难，一旦在本煤层开采区域发现自燃指标气体就标志着老采空区自然发火已经比较严重，给矿井的安全生产带来重大威胁。

2 煤自燃规律

针对大同矿区近距离煤层群正压通风矿井开采的典型特征，本文结合大斗沟矿的实际情况，对该种特征下的自然发火规律进行了研究。

2.1 采空区煤自燃特点

大斗沟矿的主采区为14号煤416盘区，其距离上部11号煤采空区只有3～20m，因此，在这种近距离煤层群开采方式下，火灾威胁的来源主要有两个：一是本煤层采空区的遗煤自燃；二是近距离上部采空区的遗煤自燃。本煤层在正常开采时采空区自然发火的可能性较小，主要威胁来自后者，火情具有向本煤层漏风源蔓延的趋势，发火位置通常出现在本煤层工作面上方与巷道顶部。在正压通风条件下，本煤层发现火情一般具有很强的突然性，因为上部采空区自然发火已经比较严重。

2.2 采空区“水平三带”划分

采空区的“水平三带”划分考察在大斗沟矿14号煤81616工作面进行。该工作面煤层厚度0.6～4.22m，平均2.28m；煤层倾角1～5°，平均3°。工作面走向长1346m，倾向长126m。该工作面与上部11号煤层层间距为3.2～17.5m，开口处层间距3.2m，切眼处层间距为17.5m。

采用在采空区内进、回风侧及采空区埋设束管的方法测定采空区内O2含量的变化，从而划分采空区“三带”的宽度。在工作面上、下隅角及采空区分别埋入φ50mm钢管1趟，并随着工作面的推进加长钢管，管内穿入束管单管，在钢管的出口端加工1个长度为200mm，直径为108mm的采样头，用变径头连接φ50mm埋管和采样头，采样头出口堵严，并加工成花管，以便气体流入，采样头内伸入束管单管。在埋设钢管时，出口处抬高0.5m，以防管内进水。用矿井束管监测系统配套的气相色谱分析仪每天分别测埋管内的2根束管的气体值1次(人工取样)；每天早班在工作面上、下隅角用二连吸气球吸束管内气体，在现场用便携式仪器测定束管内的O2浓度，以便同色谱分析结果对比。历时一个月，束管埋入采空区共计150m，O2浓度测定结果如图1和图2所示。

图1 进风侧O2含量随采空区深度变化态势

图2 回风侧O2含量随采空区深度变化态势

通过上述考察结果，依据采空区“三带”按O2浓度划分的一般原则，划分的采空区“水平三带”的范围为：散热带在工作面后方至采空区进风侧32m，回风侧25m的区域；氧化带在工作面后方进风侧32～135m，回风侧25～130m之间；窒息带在工作面切顶线进风135m，回风130m至开切眼区域。

2.3 采空区“纵三带”划分

近距离煤层群开采时，顶板冒落会造成下部采掘巷道、采空区与上部采空区沟通，导致火区连通，因此，研究工作面采动影响形成的煤自燃“纵三带”危险区域对掌握矿井自然发火的规律具有十分重要的意义。

采空区“纵三带”的划分考察在大斗沟矿14号煤81616工作面进行。钻孔布置方法见图3。

图3 采空区“纵三带”考察钻孔布置

在该工作面回风巷选择一段压力较小的区域，上部对应区域为未采动的煤体，在其右帮(面对工作面)掘1个2.1m×2.1m×2.1m的钻场，从钻场施工5个直径为50mm的取气钻孔，钻孔参数如表1所示。

表1 钻孔参数

此外，还利用一个距底板5m的一般穿煤层钻孔，共6个钻孔进行取气样考察。为便于取气，在钻孔内插入直径为25mm的套管，并下到终孔位置，其出口端1m加工成花管，内部插入束管单管并用皮塞固定，便于与取气系统相连，其进出口端均封严。钻孔的封孔距离6m，长度为2m。当工作面推进到离钻场50m时，开始通过束管取气分析，并记录取气数据，一直到工作面推到钻场为止，期间每个钻孔的平均O2浓度如图4所示。

图4 采空区“纵三带”考察结果

按照采空区“水平三带”划分的原则，划分采空区“纵三带”的范围为：散热带在距煤层底板8m往下区域；氧化带在距煤层底板8～33m区域；窒息带在距煤层底板33m往上区域。

3 煤自燃防治技术

3.1 采空区煤自燃监测预报技术

(1)煤自燃指标气体检测分析预报法 大斗沟矿配备了束管监测系统并有巡检员巡检，通过检测分析CO等指标气体的浓度、变化趋势，对采空区煤自燃发展趋势做出预报。

(2)测温预报法 采用正压通风的大斗沟矿，当指标气体生成量较小时，本煤层检测效果不好。为了及时发现煤自燃，该矿通过测上部采空区下水温度、本煤层工作面顶板和煤体温度，根据温度的变化特性及煤所处的环境和条件对自燃发火的可能性进行预报。

3.2 煤自燃防治技术

近距离煤层群开采方式下多层采空区间隔太小，采空区遗煤自燃非常容易相互蔓延，在本煤层保持适宜回采速度使采空区不易发火的条件下，主要的火灾威胁基本上来自上部采空区的遗煤自燃。而在正压通风条件下，上部采空区的O2浓度又非常容易处在导致煤自燃的范围内。因此，近距离煤层群正压通风矿井火灾治理工作的关键是控制上部采空区的遗煤自燃。

根据大斗沟矿井的实践经验，对上部采空区煤自燃治理，无论采用注阻化剂、注凝胶、亦或黄泥灌浆，都很难将采空区所有的浮煤包裹，这些技术方法的防灭火效果都不佳。比较有效的技术方法是通过注氮降低浮煤所处区域的O2含量来防止其产生自燃。通过不断地总结经验得出：对于近距离煤层群正压通风矿井火灾的治理，宜使用以注氮为主，堵漏、灌浆、加快回采速度为辅的综合防灭火技术。

4 81610工作面煤自燃防治实践

4.1 81610工作面发火情况

14号煤81610工作面在推进距停采线6m处时，发现第53号支架位置的顶板裂隙中有烟气冒出，经检测，CO浓度达到150×10-6。随即采取了往上部采空区注水、注凝胶等措施。但5d之后，火势并未得到控制，在该裂隙处发现了火光，且第46号支架后方开始有烟气冒出、回风流中CO浓度最大值超过1500×10-6，已经严重威胁到了生产安全。为防止事态进一步恶化，对该工作面实施了封闭。

4.2 81610工作面火区治理

(1)注氮 为防止81610工作面火区火情蔓延至416盘区其他工作面，影响矿井生产，在该工作面封闭后即开始进行注氮防灭火工作，注氮系统如图5所示。

图5 火区注氮系统

经过10个月的注氮，累计注氮量为320×104m3，在上部采空区形成了有效的惰化区。注氮一方面置换了上部采空区中的氧气；另一方面在上部采空区形成了一个“高压区”，从而有效减弱了14号煤层向11号煤层的漏风量。

(2)堵漏 对14号煤层416盘区3条盘区巷进行喷浆维护，隔绝与上部11号煤层的连通通道，共喷浆1800m。在裂隙明显位置打孔注马力散封堵漏风，共灌注11t马力散。对11号煤层相应的巷道位置进行打孔注洛克修隔离上层火区，共灌注洛克修45t。此外，还对与14号煤层81610工作面有连通的地表裂缝进行了充填。

(3)灌浆 81610工作面封闭后，因14号煤层与11号煤层煤层间距近，14号煤层其他工作面在回采的过程中，曾检查有CO气体，为防止采空区出现自然发火，影响矿井安全，对14号煤层416采空区进行灌浆，共灌浆200000m3。

4.3 火灾治理成果

经过上述一系列措施之后，从上部采空区下到14号煤层416盘区的水温由火灾初期的70℃以上降低到28℃，达到了正常状态下的水温，火区治理取得了成功。在此过程中，14号煤层416盘区81614和81616两个工作面在保持每月102m回采速度的条件下，顺利完成回采，保证了矿井的经济效益。

5 结束语

结合矿井实践经验，通过分析研究近距离煤层群正压通风矿井自然发火的规律，提出对于近距离煤层群正压通风矿井火灾的治理，宜使用以注氮为主，堵漏、灌浆、加快回采速度为辅的综合防灭火技术。实践证明，这一技术能有效控制上部采空区的遗煤自燃，取得有效的火灾防治效果。

[1]牛立东.废弃小煤窑采空区自燃火区治理关键技术的应用研究[J].煤矿安全，2010(1)：92-97.

[2]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.

[3]牛会永.基于物证分析的煤矿火灾事故调查技术研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2010.

[4]吴 兵，郭 海，赵 灿，等.正压通风矿井自燃防治技术研究及救灾实践[J].矿业安全与环保，2012，39(5)：69-74.

[责任编辑：邹正立]

Prevention Technology of Mine Spontaneous Combustion with Positive Pressure Ventilation in Contiguous Coal Seam Group

HE Min

(1.Tiandi (Changzhou) Automation Co.，Ltd.，Changzhou 213015，China)

The prevention method of mine spontaneous combustion with positive pressure ventilation in contiguous coal seam group was put forward according analysis of mine spontaneous combustion law with positive pressure ventilation in contiguous coal seam group，nitrogen injection was the main prevention method，and lading stoppage，injection and accelerate mining speed and so on were the subsidiary methods.The practical showed that coal spontaneous combustion of upper goaf could be controlled effectively，and fire prevention and control was effectively.

contiguous coal seam group；positive pressure ventilation；spontaneous combustion；nitrogen injection

2016-08-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.024

常州市科技支撑计划(工业)项目(CE20150068)

何 敏(1983-)，男，湖北天门人，助理研究员，工学博士，主要从事矿井通风防灭火与安全监测方面的工作。

何 敏.近距离煤层群正压通风矿井自燃防治技术[J].煤矿开采，2017，22(1)：98-100，59.

TD75

A

1006-6225(2017)01-0098-03