容易自燃煤层综放工作面回收期间防灭火技术研究

王军

摘 要：针对自然发火期最为22天的容易自燃煤层综放工作面，通过采取液态氮和液态二氧化碳的灌注、注胶技术有效治理了回收期间工作面自然发火。

关键词：容易自燃煤层；防灭火

1 神宁公司防灭火概况

神宁集团现有15个生产、建设矿井。开拓方式主要为斜井开拓和斜井、立井联合开拓，采煤方法为长臂式，采煤工艺为综采或综采放顶煤工艺。目前煤矿采用大采高留煤皮作假顶和综采放顶煤开采工艺，煤层自然发火期短、矿井通风系统较复杂，采空区遗留大量浮煤，自然发火灾害严重。

2 矿井自然发火规律分析

2.1 自然发火因素分析

宁东矿区侏罗纪煤层自然发火周期短，易自燃发火，呈现常（低）温氧化特性；煤层赋存条件复杂，主采煤层顶板较为破碎，为保障顶板管理安全，开采过程中留设煤皮假顶护顶；矿井主采煤层上部附近赋存不可采的煤线；采用综放工艺开采；采空区均留有大量遗煤，具备遗煤氧化自燃的条件。

2.2 自然发火规律及发展趋势

自燃特性参数测试结果表明：煤温小于临界温度时，煤自燃指标气体浓度增加缓慢，当煤体温度达到为50-70℃时CO气体出现突变，增速加快；超过裂解温度后，开始释放乙烷、乙烯等有机气体，93℃出现C2H6、110℃出现C2H4、211℃出现C2H2。

确定了不同开采条件下采空区“三带”范围和工作面防火最小安全推进速度；确定了采煤工作面CO来源及产生机理；确定了工作面编制防灭火专项措施，采取以灌浆、注氮为主，注液氮、液态CO2、注胶、堵漏及加快回撤速度相结合的综合防灭火预防技术。

3 工作面回收期间防灭火技术

3.1 采场及通风管理

一是抓超前设计，合理确定工作面停采位置。二是综放工作面在距停采线50米控制顶煤厚度不超过2m；三是合理工作面配风量，有效减少采空区漏风供氧。

3.2 工作面注水、注胶

开采容易自燃煤层的大采高、综放工作面每两个支架尾梁处施工一组注水、注胶钻孔，实施注水降温及注防灭火胶体，起到堵漏及阻止浮煤氧化的双重作用，防止松散煤体蓄热自燃。有效消除煤炭初期氧化升温。

3.3 预防性封闭工作面防火技术

对环境温度高、自然发火期短的大采高、综放工作面，为防止煤炭自燃，采取主动临时封闭工作面10天左右，强力实施注氮、液氮或液态CO2，消除煤炭初期升温氧化征兆。

3.4 提高工作面回撤效率

3.5 改进回撤工艺

（1）对于胶轮车运输线路较长工作面，采用接力搬运的方式。（2）顶板破碎、采高大于2.0m的工作面回撤挂网时，采用整体柔性树脂纤维网。（3）工作面推进到回撤通道位置后，根据不同地质、矿压条件，对顶板条件好的工作面采用采煤机施工回撤通道。（4）回撤通道采用锚网或锚网索联合支护顶板，增强顶板支护强度提高回撤效率。（5）改变劳动组织。（6）收尾期间提前在下一采面风巷施工后溜回撤通道，利用后溜回收通道快速回收后部刮板输送机，缩短回收工期。（7）大倾角工作面回撤亦采用成套机械化设备进行回撤。

3.6 液氮、液态CO2防灭火技术

3.6.1液氮、液态CO2特性

液氮、液态CO2均具有惰性强，稳定性好，无腐蚀作用。汽化膨胀倍数较高，快速降低采空区或火区内氧气含量；吸收火区中的热量，能够降低采空区温度，迅降低火区温度，实现“制冷降温”。液氮自身温度为-195.8℃，浓度99.99%、汽化膨胀倍数约800倍，惰化采空区速度快，容易积聚在采空区上部空间，随漏风释放较快。液态CO2温度-30～-40℃，膨胀倍数为600倍，浓度99.9%），汽化后比空气密度大，容易积聚在采空区下部空间，同时煤吸附CO2气体的能力比其它惰性气体大，随漏风释放较慢。

3.6.2液氮、液态CO2防灭火技术适用范围

液氮、液态CO2作为一种新型防灭火技术具有灭火迅速、效果显著等优点，可以通过地面钻孔、井下钻孔及埋管将液氮、液态CO2直接注入火区及采空区，利用地面汽化装置将液氮汽化后注入井下，适用于煤矿任何条件下的火灾处理及自燃火灾的预防。

3.6.3液氮、液态CO2防灭火系统及工艺

（1）系统组成：主要由地表钻孔、液氮储罐车、DN50不锈钢、煤柱钻孔、参数监测仪表、安全装置等部分组成。

（2）工藝流程：液氮储罐车→储罐增压装置→耐低温不锈钢管→地面钻孔套管→采空区。

（3）系统参数：地表钻孔500-600m，水平输送距离1500m，槽车压力0.2Mp，管路最大压力4Mp，流量5～20t/h。

4 综合防灭火技术研究成果应用

羊场湾煤矿120204工作面走向长3270m、倾斜长300m，设计采高5.6m，平均煤厚7.4m。2012年5月下旬工作面回采至停采线120m位置，从120205风巷向120204采空区施工，5月23日至6月3日累计向120204采空区注液氮228吨。工作面采空区温度平均可降低1℃左右，工作面上隅角CO浓度由80PPm降至24PPm以下，回风流CO浓度始终低于10PPm，实现安全回收。

羊场湾煤矿130202综采工作面2016年5月19日开采到达停采线时，为预防采空区自然发火，在工作面实施了开放式注气态二氧化碳防灭火技术。采取预防性注气态二氧化碳措施后，工作面的CO浓度由40PPm降至14PPm左右，回风流CO浓度由28PPm降至20PPm左右。工作面于6月25日进行了安全回收并封闭。

5 结语

宁东灵武、鸳鸯湖、马家滩矿区13对矿井开采煤层主要为早中侏罗纪不粘结煤，容易自燃煤层，自然发火期最短22天。针对大采高留煤皮作假顶和综采放顶煤开采工艺，煤层自然发火期短、矿井通风系统较复杂，采空区遗留大量浮煤，自然发火灾害严重，通过采取液态氮和液态二氧化碳的灌注、注胶技术治理回收期间工作面自然发火是得到了成功应用，实践证明措施是有效的可靠的。

参考文献：

[1]煤矿安全规程.2016.

[2]浅谈液氮防灭火技术在煤矿安全中的应用.煤矿技术，2013.