综放工作面采空区防灭火技术措施

胡 鹏

（山西潞安集团蒲县伊田煤业有限公司，山西 蒲县 041204）

1 工程概况

潞安集团伊田煤矿生产能力为1.2Mt/a。矿井开采9+10+11号煤，煤层厚度为5.78～8.16m，平均厚度6.85m，为近水平煤层，工作面采用综放开采。9+10+11号煤层经鉴定，煤的自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层。

9103工作面煤层为厚煤层，巷道沿煤层底板掘进，在长期矿山压力作用下，容易形成高冒区，该区域煤体呈破碎状态，且破碎煤体长期处于微风供氧状态，易于积聚热量发生自燃。在2017年6月中旬，监控系统监测到9013工作面上隅角一氧化碳浓度急剧上升，分析认为是采空区遗煤自燃氧化导致，必须对该工作面进行防灭火治理。

2 煤层自燃原因及治理技术

2.1 煤层自燃原因

9103综放工作面出现自燃隐患前后，发现采空区有大量松散遗煤，且两条回采顺槽采空区处有漏风现象，加速了煤层自燃。

火源隐蔽在采空区深部，煤层自然发火期较长，当矿井发现明火时，其周围已存在较大热量，若不进行有效治理，煤层自燃会越来越严重。

根据井下实际情况，虽然已扑灭明火，但自然发火隐患未彻底解决。若采空区没有有效控制和处理高温点，工作面重新投入生产使用时，恢复时间较长，仍然存在采空区遗煤复燃的可能。

2.2 煤层自燃封闭节点及措施

通过技术人员讨论分析确定，9103综放工作面自燃发火的重点区域范围在工作面下端口到第35架液压支架区间的采空区。因此，本次自燃封闭节点选在此处，封闭措施选用艾格劳尼材料对工作面下段进行喷涂封堵，并在第16～18架液压支架后方采空区灌注高分子胶体材料。为防止煤层自燃情况扩大，同时对工作面顺槽防火墙改造加固，在防火墙内部10m打临时密闭墙，在防火门处设立永久密闭墙，并在采空区处埋设气体检测装置。如下图1所示，为9103综放工作面自燃发火处及封闭位置示意图。

图1 9103综放工作面自燃发火处及封闭位置示意图

2.3 煤层自燃治理技术措施

降氧控温是煤层自燃治理的核心手段，而为了实现防灭火的目的，需要深入采空区深部寻找火源位置，进行钻孔探测，其施工难度大且不易寻找火源。

煤层自燃治理技术主要有：（1）控制氧气供应量，主要方法有利用发泡率高、堆积成型好、耐高温的材料封堵漏风通道；（2）控制采空区温度，主要方法有灌浆、高水材料等；（3）控氧与控温相结合，主要方法有注氮、凝胶等；（4）控制接触时间，主要方法是改善煤体蓄热环境，控制与氧气接触的时间，防止氧化升温。

结合本矿实际情况，决定采用向采空区松软煤体打钻，注入液体CO2和高分子胶体进行降温，以及注入氮气等进行降氧，两种方法相结合的措施。如下图2所示，为防灭火钻孔平面示意图及注入液体CO2防灭火装置。

图2 防灭火钻孔平面示意图及注入液体CO2防灭火装置

3 应用效果分析

3.1 液体CO2应用效果

针对9103综放工作面温度监测数据分析，该工作面遗煤量较大，内部积聚能量较大，导致温度较高。当工作面启封时，应首先降低采空区温度，然后再降氧防止遗煤复燃。因此，首先选取了向采空区注入液态CO2防灭火技术措施。

采用矿用CO2气体发生装置，从工作面顺槽打好的钻孔向采空区注入CO2，灌注前后采空区温度曲线图如图3所示。

图3 灌注液态CO2前后采空区温度曲线图

如图3所示，2017年7月24号之前，采空区温度在45 ℃上下。7月24号开始向采空区注入液态CO2，对采空区进行降温，采空区温度骤降，于8月初降到最低温度，最低温度为18 ℃左右。随后采空区温度开始缓慢上升，于8月10号左右趋于平衡，温度平衡在30℃左右，保障采空区温度维持在安全范围内。

分析实施注入液体CO2后的效果发现，向采空区注入液体CO2能有效地降低采空区温度，遏制遗煤自燃的发生。但弊端是液态CO2气化后比热容减小，其降温效果会减弱，导致采空区温度再次升高。

3.2 高分子胶体应用效果

采用ZHJ-5/1.8矿用灌浆装置，向工作面注入高分子胶体，采空区温度变化如图4所示，CO有害气体变化如图5所示。

图4 灌注高分子胶体前后采空区温度曲线图

由图4可知，施工前，采空区温度高达45℃左右，从2017年7月初一直持续到7月中旬。当向工作面灌注高分子胶体材料后，采空区温度开始急速下降，在8月初到达了最低点18℃。之后监测中，发现采空区温度略有回升，最终稳定在30℃左右。在8月底，再次对采空区煤体进行灌注高分子胶体，采空区温度骤降到16℃，然后再次回升并稳定至28℃左右。

由图5可知，2017年7月初未实施防灭火措施前，采空区CO浓度达到5500ppm。灌注高分子胶体后，采空区CO浓度降到接近0，使得采空区CO有害气体维持到最低点。

图5 CO有害气体变化曲线图

4 工作面启封后防灭火技术应用

注氮防灭火是向采空区氧化带内注入一定流量的氮气，达到防火、灭火的目的。具有以下特点：

（1）系统简单，原材料来源于空气，取之不尽用之不竭，机器可进行无人操作，移动方便。

（2）能够杜绝新鲜空气进入采空区，有利于控制采空区浮煤自燃；

（3）可抑制采空区瓦斯爆炸，安全性能高；

（4）可对采空区高冒落等人员不能进入的地点进行灭火；

（5）灭火速度较快，能够尽快恢复生产，生产设备不易受到损坏；

（6）注入氮气后增加了其注入空间内混合气体的总量，能够减少封闭区内外之间的压力差，减少封闭区外部向内部漏风，减少了遗煤与外部空气接触的机会；

（7）要求防漏系统严密，对漏风较大的采空区较难实施；

（8）不允许任何人正对泄氮口近距离观察，以防止窒息；

（9）前期投资大，运行成本高。

9103综放工作面通过综合应用以上防灭火技术措施，封闭火区得到良好治理。工作面通过向采空区注入液态CO2和高分子胶体材料，有效地降低采空区的氧气浓度和温度，同时也将采空区中的高温能量充分的置换，使得该工作面在11月初得以顺利启封。

结合矿井实际开采条件，可采取的注氮方式有：托管注氮和插管注氮等。在工作面启封后，恢复生产时，采用了注氮技术防止煤层自燃，有效地对采空区进行降温及降氧。在工作面启封后，确定注氮钻孔位置为9103综放工作面运输顺槽端头处，靠近采空区升热带和散热带边缘，打3个钻孔，通过钻孔向采空区注入氮气，注氮量为1000m3/h。同时，在回采期间也随着工作面的回采采取迈步式注氮工艺，不断循环地向工作面后方采空区注入氮气，做好回采期间的防灭火工作。

5 结论

针对伊田煤业9103综放工作面采空区发生煤层自燃现象，采取了综合防治措施，取得了良好效果。工作面封闭后，向采空区注入了液态CO2和高分子胶体材料，有效地降低了采空区的温度和氧气浓度，并置换出采空区积聚的高能量；工作面启封后，采用了注氮技术防止煤层自燃，降低采空区的温度及氧气含量。9103综放工作面在随后的2个月生产中，工作面上隅角CO气体浓度为0，采空区氧气浓度维持在5%以下，保障了矿井安全高效生产。