复杂条件下自然发火隐患治理研究

文/杨明 陈福辉

山东能源枣矿集团柴里煤矿是一个煤炭自然发火十分严重的矿井，煤层自然发火期最短仅为35天,煤炭自燃倾向性为二类，为自燃煤层。自矿井投产以来，自然发火累计46次，出现高温发火点100余次，给煤矿的安全生产带来极大的威胁。随着开采范围扩大，矿井开采向深部、边远地点延伸，通风系统和地质条件都变得更加复杂，对防灭火隐患治理具有更大的挑战性。特别是柴里煤矿今后多数采掘工作面在三下煤层开采，在火区周围布置，随着矿井煤炭可采储量逐步枯竭，向火区要炭是今后柴里煤矿煤炭开采的方向。

复杂条件使一些自然发火隐患在区域通风系统保持稳定状态下处于深度隐藏，但随着外部开采的进行，受矿井局部通风系统变化等外部条件影响，该隐患会突然爆发。由于是在采空区内部深处，平常处于监测监控盲点，采取常规防灭火技术治理难度大。因此，必须采取综合防灭火技术并制定有效的防灭火治理措施来消除隐患。

一、复杂条件下自然发火隐患特点

1.自然发火隐患区域矿井通风系统复杂。随着柴里煤矿矿井开采年限延长，开采范围扩大，矿井开采向深部、边远地点延伸，造成自然发火隐患区域矿井通风系统复杂，通风压力分布不均衡，极易受到相邻区域通风系统变化和通风设施影响，使自然发火区域及其采空区内风流压力发生变化。受煤炭自然发火特性影响，即使该区域内微量风流流动，也会给自然发火区域提供自燃需要的氧气，危害矿井安全生产。

2.随着外部开采的进行，特别是矿井矿压较大，现在较多工作面属于孤岛开采，致使采空区周边封闭巷道产生裂隙，为采空区内部提供了供风蓄氧条件。

3.常规防灭火技术手段在矿井复杂条件下不能做到有效治理，同时具有治理进度慢的特点。由于复杂条件下自然发火隐患隐藏能力强，使用常规防灭火技术不能在早期将高温点及时消除。

二、复杂条件下自然发火隐患治理技术研究

复杂条件下，自然发火隐患治理在采取综合防灭火技术基础上，还需采取特殊措施，才能达到治理的目的。

1.通风系统优化调整。合理稳定的通风系统是防止自然发火的前提条件，也是防止自然发火的关键，特别是复杂条件下自然发火隐患的特点决定着对通风系统有特殊要求。

2.均压通风技术。均压通风是矿井通风的一项重要技术，其核心是在保证井巷系统正常通风的条件下，对漏风控制区域周边特定的点、线、面的风压加以控制，使密闭区内外的风压差保持在尽可能低的水平上，特别要尽可能平衡漏风控制区域周边的通风压差，以此实现有效遏制漏风的目的，合理利用均压通风技术，在处理井下火灾和瓦斯灾害能够起到事半功倍的作用。漏风也遵循着阻力定律，即：

△H=R*△Qn

△H—漏风风路两端风压差，pa；△Q—漏风量，m3/s；R—漏风风路的风阻，N·S2·M8；n—漏风风路的流动指数。

由上可知漏风量和漏风风路两端压差成正比，两端压差越大，漏风量越大，均压技术应用就是减少漏风风路两端压差，使其尽量小或者为零。

3.精确探温技术。精确探温技术也叫钻孔探温技术，以现场自燃状态为依据，通过理论推测高温大致位置来布置钻孔，使用热敏探头配合温度传感器插入钻孔内壁，利用热量传导性来测量温度，进而获得温度沿钻孔分布情况，再通过资料的综合分析来确定自然发火隐患位置，达到精确定位自然发火隐患，使之得到有效治理。

4.堵漏风技术。采空区、断层带、破碎带自然发火的关键原因在于漏风供氧，因此找出漏风通道和漏风规律，才能使防灭火工作做到有的放矢。堵漏风就是对探测到的漏风通道进行封堵，使风流不能到达自然发火隐患区域，杜绝通风供氧，从而达到防止自然发火的目的。

5.多向分布式钻孔覆盖技术。通过综合分析自然发火区域及其周边采空区位置关系图，结合探温基础参数、漏风通道判断、通风系统情况设计多向分布式钻孔，使其钻孔能全面覆盖自然发火区域，利用钻孔进行灌浆、发泡、注氮气等，从而达到覆盖自然发火区域，对高温火点进行覆盖窒息。

三、复杂条件下自然发火隐患防灭火技术应用

1.23上605东工作面基本状况

23上605东工作面位于236采区东部采区中部，西部为23605、23310、23606工作面采空区，东、北、南部均为未开采区。23上605东工作面为小屯搬迁后第一个生产工作面，对柴里煤矿生产接续和经济效益都发挥着重大作用。该工作面通风方式采用U型通风，采用走向长壁式综采工艺，在掘进时先掘进23上605东运输巷和23605东集运贯通构成通风系统。为确保该工作面早日生产，在23上605同时开工23上605东轨道和西轨道巷，利用原23605外段施工23上605补运输巷、23上605切眼，因此该区域通风系统复杂，通风巷道较多。根据三煤层自燃倾向性鉴定报告，三煤层属自燃煤层，自然发火期为35天，23605西工作面一、二分层停采线和23310原老火区对该面自然发火治理影响较大，因此防灭火重点在23上605东工作面切眼及其后部西面一、二分层停采线。

2．复杂条件下自然发火隐患治理

（1）通风系统优化调整。当工作面开采到靠近2365转运适当位置，首先在原2365转运与23605轨道巷四岔门挡风墙位置建筑永久密闭1道，留设0.5m×0.5m回风窗一个，然后在236东轨联络巷道巷口（南轨绕道处）建筑永久密闭1道，最后在2365转运内封堵原留设回风窗。当工作面开采到靠近23605转运适当位置，在2365转运与23310北运输巷三岔门口处以南适当位置建筑永久密闭1道；同时在23310南通道与23310材联三叉门处靠近23310南通道位置建筑永久密闭1道；2365转运与23605东面轨道巷四岔门靠南方向适当位置建筑调节挡风墙1道；在2365转运与23310北运巷三岔门靠南方向施工调节挡风墙1道。

（2）均压技术。均压通风在井巷系统中，矿井通风的目标在于力求合理和充分的风量分配以满足环境控制与安全保障的要求，对于采空区和封闭的火区,则力求将漏风控制在尽可能低的程度。根据23上605东工作面具体情况，认真分析通风系统和周边密闭封堵情况，对关键区域23310南轨道巷密闭、23310中间巷密闭、23310运输巷密闭进行均压通风管理，合理控制23上605东工作面风量，使其两巷间的压差科学合理，风量在合适范围。具体见图1所示。

图123上605东备用工作面均压通风系统图

（3）多向分布式钻孔注浆覆盖技术。通过分析23上605东工作面和原23605西工作面停采线位置关系，创新实施了多向分布式钻孔注浆覆盖技术，在切眼施工φ42mm多向分布式压浆孔12个，切眼延接注浆管路180米，通过23上605东切眼向原23605西停采线施工多向分布式钻孔进行灌浆，使其全面覆盖停采线遗留和破碎的积炭。

（4）精确探温技术。精确探温技术步骤为：通过理论和经验分析高温大致位置—布置典型钻孔—钻孔测温综合技术分析—设置新钻孔位置—绘制高温区域示意图—锁定自然发火位置区域—采取针对性防灭火治理措施。测温设备主要有本质安全电源、灵敏温度探头、信号线、显示仪器、钢丝线等。该设备具有探测灵敏，探测范围大，在0～300摄氏度之间精度高、测温时间短、易操作等优点，最高能到达60米深测孔深度。通过精确探温技术，探测到23上605东工作面切眼自然发火隐患主要在原23605西面一、二分层停采线处，需要重点加强自然发火防治。

（5）高分子材料进行发泡技术。高分子材料发泡具有发泡快、输送距离远、防灭火效果好的特点，高分子发泡材料在输送过程中形成泡沫通过氮气带动逐步向前移动，能够将浅部 （外部）空间充填覆盖后向深部（里部）充填覆盖，也可根据巷道起伏状况从低向高充填覆盖，具体见图2所示。这克服了常规压浆防灭火只能覆盖底部堆积碎炭引起高温点和泥浆从高向低流动的缺点。

图2 高分子材料发泡压浆系统

（6）封堵漏风通道。由于该地点巷道压力大，巷道深部通过裂隙与采空区沟通，同时23上605补运输巷与老硐沟通联系，因此对23上605补运巷透老巷处巷道进行喷堵约50m，通过综合防漏风措施杜绝采空区气体向外部泄露，达到了治理目的，取得了较好效果。

（7）自然发火标志性气体指标确定。强化气体现场监测检查，对闭内及闭前巷道探气孔进行取样分析，确定一氧化碳为自然发火标志性气体，为现场安全施工和下一步采取措施提供技术支持。

四、治理效果

1．复杂条件下自然发火隐患治理研究较好地解决了23上605东工作面在掘进施工、备用面安装期间自然发火隐患，为下一步安全生产打下了坚实基础。

2．在自然发火隐患治理上针对性强，效果突出，防灭火材料和人力投入少，降低了防灭火费用，具有较大推广价值。