综放工作面上覆采空区自然发火防治技术

力尚全

（大同煤矿集团有限责任公司 通风处，山西 大同 037000）

矿井因内火灾是指由于煤炭或其他易燃物自身氧化积热，发生燃烧引起的火灾，是矿井火灾防治的重点。因为自燃火灾不仅发生次数居多，而且它的火源较隐蔽，常发生在人们难以进入或不能进入的采空区或煤柱内，致使灭火难度加大，很难在短时间内扑灭，以致有的自燃火灾持续数月、数年之久，甚至更长时间，这不仅严重危及人身安全，而且导致大量煤炭资源损失。

防治煤炭自燃的技术措施很多，合理的开拓系统与采煤方法对于防止煤炭自燃起着决定性的作用。选择合理的通风系统，减少采空区漏风对于预防采空区自然发火极为重要。通过预防性灌浆、阻化剂、均压、凝胶、注惰气均可有效防止煤炭自然发火。

1 工作面概况

小峪煤矿5#煤层402盘区8206工作面，工作面走向长度1980 m，倾向长度144.7 m，煤层平均厚度9.5 m，与上覆3#层采空区间距10 m。2016年底圈出，为综采一队备用工作面。

2017年7月20日夜班6点切巷内发现CO浓度达21 PPm。经瓦斯员排查，5206巷切巷低洼处补打的探放水钻孔，有CO大量涌出，经测定浓度达3700 PPm。7月21日早班在该处向上覆采空区施工垂直探放钻孔，钻孔施工在3.5 m后，经检查孔内气体和温度均未发生变化，钻孔施工过6 m，遇5#煤层岩石顶板，现场用比长式测定管检查CO浓度为2700 PPm，孔内温度为21℃，伴有少量青烟；9.2 m后探通，探通后孔内有大量烟雾溢出，经取样化验分析，采空区气体CO浓度为1559 PPm，O2浓度为8.8%，CH4浓度为1.6%，C2H4浓度为295 PPm。现场测定孔内温度达到42℃～280℃。确定该工作面上覆采空区存在自然发火现象。

2 自然发火原因分析

对8206面地表东道沟西山坡（芦子沟矿界）原东Ⅳ盘区2013年采后形成的旧裂缝进行了现场排查，目前距离8206面切眼50～250 m之间共有三条宽0.4 m，长150 m，平均深度2～3 m的地表裂缝。该区域均为山体岩石层无充填黄土，原充填的零星碎石及草坪效果不佳，存在进风现象。8206工作面地表存在裂隙，因工作面切眼附近位于山脊和山坡，地表为裸露的粗砂岩，无黄土覆盖层。裂缝充填施工困难，前期只是进行了简单的人工填埋，经雨水冲刷后裂缝依然暴露，客观上为采空区漏风提供了进风通道。8206工作面于2016年1月30日圈出，工作面闲置时间已有一年零六个月，时间较长，煤体出现离层裂隙，形成了地表→地表裂隙→3#煤层采空区→5#煤层裂隙→8206工作面开切眼风流的漏风通道，在长达1年多的缓慢氧化中，使开切眼上部3号煤层采空区浮煤氧化自然发火。

8206工作面开切眼上覆3#煤层采空区高温火点面积较大，工作面推进后，开切眼垮落，开切眼上部3#煤层采空区将大量漏风，使采空区高温煤炭很快复燃，由于3#煤层采空区瓦斯浓度较大，火与瓦斯并存，因此工作面推进后存在较大的隐患。通过钻孔数据可知，3#煤层采空区氧浓度较高，很多钻孔的氧浓度均在18%左右，因此在8206工作面开采过程中，3#煤层采空区高温火点很可能向前发展，对3#煤层采空区必须坚持长期防灭火，以确保工作面安全开采。

3 自然发火治理技术

由于工作面开切眼上部3#煤层采空区火源点不祥，加上采空区已被压实，因此尽管目前从开切眼向上覆3#煤层采空区打了60多个钻孔注粉煤灰，但还是有部份高温煤炭无法覆盖到浆水，通过打钻注粉煤灰要想将全部高温火点扑灭难度太大。因此，采取惰化3#煤层采空区高温区域的方法，使高温火点长期缺氧窒息，从而保障工作面的安全推进。在工作面未推进时保持高温火点的惰化比较容易，工作面推进后，当上部采空区大量漏风后，须保持上部3#煤层采空区的继续惰化。

准确判断自然发火原因及范围，针对自然发火的根本原因及时封堵漏风通道，通过地面充填与井下封堵同步进行，最大程度将采空区供风条件消除，确保采空区内以最快速度达到惰化效果，同时结合注氮系统。主动治理手段以地面打钻孔注液态CO2对采空区进行惰化为根本性治理措施，同时优化采煤工艺，减少工作面与上部采空区的顶板裂隙，减少治理过程中工作面生产出的新发育裂缝，为治理工程和推进工作提供了安全条件，为工作面实施下一步的开采工作打下了坚实的基础。

总体方案为：调整采煤工艺、地面封漏风、优化工作面通风、加大注氮流量、地面打钻注CO2、工作面端头封堵漏风。具体措施如下：

3.1 调整采煤工艺

（1）延缓开切眼顶板垮落距离。由于工作面推进35 m后，支架后部形成采空区注氮气才有效，因此如果开切眼上隅角顶板在工作面刚开始推进时就垮落，在此处向上覆采空区打的钻孔也很多要垮落，这样开切眼将无有效的注氮地点，为此，必须延长开切眼垮落的距离，其方法为：用木垛支护开切眼上隅角顶板。在开切眼上隅角构筑2～3个木垛，支护上处顶板，尽量将开切眼上隅角顶板支护到工作面推进35 m后才垮落。如果时间允许，还可将开切眼上隅角进行喷浆，加固此处顶板，并减少工作面开切眼风流漏入上部3#煤层采空区。

（2）工作面推进100 m不放煤。工作面推进的100 m不放煤，不仅可以延长开切眼上隅角顶板垮落的距离，还可以在支架后部形成一道煤墙，减少采空区的漏风，从而减少上部3#煤层采空区的漏风。

3.2 地面堵漏风

8206工作面地表存在裂隙，因工作面切眼附近位于山脊和山坡，地表为裸露的粗砂岩，无黄土覆盖层。裂缝充填施工困难，前期只是进行了简单的人工填埋，经雨水冲刷后裂缝依然暴露，客观上为采空区漏风提供了进风通道。为了减少地表向井下3#煤层采空区漏风，在工作面推进期间，必须继续对地面裂隙进行充填堵漏，其方法为：对于小的裂隙，人工用黄土充填，大的塌陷坑，使用挖掘机进行充填。用烟雾管检查充填的效果，如果烟雾向裂隙里面扩散，则证明此裂隙还继续向采空区漏风，如果烟雾不向裂隙里面扩散，证明此裂隙已经充填好。裂隙充填好后，用黄土覆盖裂隙，其厚度为1～2 m。

3.3 合理工作面配风

8206工作面在安装支架期间的风量为1300m3/min，工作面推进后将增加到2300 m3/min，这样大的风量，将增加采空区的漏风，使开切眼上部采空区高温点易复燃，为了减少采空区的漏风，在工作面推进的前100 m，工作面风量减少为1500 m3/min。工作面风量减少后，为了防止工作面瓦斯超限，应加强工作面顶板瓦斯巷的瓦斯抽放，并在上隅角前的支架挂风帘，将风流导入回风隅角，同时进行工作面上下端头封堵。

3.4 优化采空区注氮技术

根据经验，火区中明火在O2含量为3%时仍能阴燃，故注入火区中的氮气纯度应高，根据变压吸附制氮机不能制取高纯度氮气的特点，将灭火氮气纯度定为≥98.5%。

工作面防火所需注氮流量取为2800 m3/h，局部阻力损失取为管内阻力损失的20%，为28841 Pa，氮气注入采空区所需压力200000 Pa，因此制氮机所需压力为373048 Pa，所选制氮机的压力为0.6MPa，能满足输送氮气的要求。矿井输氮管路主管直径为Φ150 mm，顺槽支管为进、回风顺槽各一趟Φ108mm的无鏠钢管，两趟管路同时联接钻孔向3#煤层采空区注氮。

工作面推进35 m前向上覆采空区打孔注氮，工作面推进前采用开切眼钻孔注氮，同时注氮钻孔为5个， 即4-1#钻孔、5-4#钻孔、1-3#钻孔、1-2#钻孔和3-1#钻孔。根据钻孔气样进行调整。

工作面推进35 m后，工作面的采空区基本形成，其注氮方法为：

（1）钻孔注氮。在工作面推进前、推进时和推进35 m后，5个钻孔一直连续注氮，一直注到工作面推进100 m后才停止钻孔注氮。在工作面推进过程中，钻孔可能垮塌，但垮塌后管路注入的氮气仍在开切眼一带，由于氮气比空气轻，向上扩散，仍对惰化3#煤层采空区高温点起作用。

（2）埋管注氮。工作面采空区形成后，采空区的漏风均可能扩散到上覆3#煤层采空区，因此必须在采空区埋管注氮，降低氧化带的氧浓度，使扩散到上覆采空区的气体为低浓度的混合气体，保持3#煤层采空区的继续惰化，其方法为：在工作面进风顺槽埋设Φ104mm的无缝钢管两趟，随着工作面的推进，钢管被埋入采空区进风侧，两趟管路交替注氮，每隔一定距离卡断一趟管路，让采空区氧化带永远有一趟管路埋入。这种方式虽然浪费大量的管材，但能将氮气注入采空区的深部，适合于工作面风量大、采空区冷却带宽或采空区涌水较大的工作面，本工作面风量较大，故将注氮防火方法选为采空区埋管注氮。为了防止采空区的积水涌入埋管，将埋管出口端做成45°的弯头，氮气出口端高于采空区底板0.5 m（见图1）。

埋管注氮时，必须保证采空区内35～90 m范围一直有注氮埋管，保证将氮气注入采空区氧化带，埋管步距为35 m，当第一根埋管进入采空区35 m时，应即时埋入另一趟注氮管。埋管进入采空区90 m后应断掉这趟管路，换成刚进入采空区35 m的埋管注氮，这样在采空区的70～90 m实际上有两趟埋管共同注氮。

3.5 地面钻孔注液态CO2

图1 采空区注氮

CO2气体具有较高的密度，在常压下，液态的CO2会立即汽化，一般1 kg的液态CO2可产生约0.5m3的气体。灭火时，CO2气体可以排除包围在燃烧物体的表面空气，降低可燃物周围或防护空间内的氧浓度，产生窒息作用而灭火。CO2灭火作用主要是增加空气中不燃烧、不助燃的惰性气体成分，使空气中的氧气含量减少。实验表明：燃烧区域空气中氧气的浓度小于等于7%，CO2的浓度为40%～45%时，绝大多数的燃烧都会熄灭。

在单一使用井下注氮系统不能达到有效的惰化效果，且氮气流量受限，注氮位置不能达到自然发火点时，结合地面注液态CO2气体进行目标惰化。

地面钻孔准确打入8206工作面开切眼回风隅角冒烟地点的上覆3#煤层采空区内，并下Φ108 mm套管到孔底，钻孔联接管路设置Φ108 mm阀门。

注液态CO2的时间为2017年9月15日10时～9月19日10时。为了防止大量CO2气体涌入工作面，因此将注CO2的流量定为1.5 t/h，可汽化为流量为900 m3/h的气体CO2。每天注液体CO2一车，注CO2的时间定为4天。注液态CO2工艺见图2。

4 治理效果分析

图2 地面向井下火区注液态CO2工艺

经过综合治理后，通过观测通上采空区1-1#观察孔、1-2#等8个观察孔及工作面巷道中CO气体浓度大幅下降，上覆采空区内氧气浓度均低于3%，高温点区域温度也逐渐下降。说明上覆火区已经得到有效治理。气体情况见表1。

表1 各观测点相关气体情况

5 结语

1）通过合理开采工艺，控制顶板状态，同时结合目标注氮，最后利用地面注液态CO2根本性的消除发火点，最后消除自然发火隐患，确保开采工作面安全，是一次成功的综采工作面采空区自然发火的综合性治理案例。

2）由于CO2气体比重相对空气大，通过向火区注入CO2气体，可以排除包围在燃烧物体的表面空气，降低可燃物周围或防护空间内的氧浓度，惰化火区，加速自燃煤炭的熄灭。