大柳塔煤矿采空区预防自然发火技术应用

于永宁

(神东煤炭集团大柳塔煤矿，陕西 神木 719315)

0 引言

矿井火灾是直接危害矿井安全生产的主要灾害之一，而其中大部分火灾事故是自然发火引起的[1-4]。煤矿自燃火灾不仅释放大量有毒有害气体，还可能引发瓦斯、煤尘爆炸进而危及矿工生命安全[5-8]，不仅对矿井效益造成重大损失，而且严重阻碍高产高效矿井的建设。

1 自然发火危险性分析

大柳塔煤矿活鸡兔井12下208综放工作面为1-2煤复合区南翼最后一个工作面，所采煤层为1-2煤复合区下分层，工作面上方为1-2煤复合区上分层采空区，上下分层层间距1.5～4.7 m(平均厚度2.6 m)，煤层自燃倾向性为Ⅰ类容易自燃。

由于上分层为采空区，下分层工作面巷道采用内错式布置。下分层巷道掘进期间为确保安全，施工了一些层间距探测孔及疏放水钻孔，加之正常的锚杆、锚索支护等，虽对各类探测孔进行多次封堵，但采空区漏风仍无法完全杜绝。下分层放顶煤工作面回采时受回采工艺影响“采空区两道两线”存在较多遗煤。12下208综放工作面距离地表较近，回采时地表塌陷形成漏风通道与采空区连通，回采时工作面正压通风容易造成漏风，从而加快采空区浮煤氧化速度[9-12]，采空区遗煤自然发火危险性较大，目前未出现自然发火标志性气体。

2 预防采空区自然发火的技术措施

2.1 通风及监测

工作面风量分配及控制：①根据工作面推进情况每月1号前完成矿井风量分配计划，风量分配时严格按照公司2017年下发的《神东煤炭集团矿井风量计算标准》对12下208综放工作面进风配风，工作面实际通风量不得超过工作面配风量的10%；②每旬对工作面区域进行一次全面测风，掌握工作面进回风压力差、风量变化情况及漏风情况，并形成报表上报通风组，工作面进回风压力差及漏风量出现较大波动时每天对工作面区域进行测风。

通风系统调整及控制：①按照压入式通风在进风侧控风原则，在12下208辅运口安设控风自动风门，在12下208回撤通道设置调节密闭；②为降低工作面进回风端压力差，降低工作面漏风量，减短工作面采空区三带长度，拆除12下208工作面回风路线上的全部控风设施，确保工作面回风路线畅通；③12下208辅运口自动风门、12下208回撤辅巷自动风门、12下208运顺口自动风门安设机械闭锁装置及风门开关传感器、语音报警装置，并确保闭锁可靠，确保风门不可能全部打开，避免由于风门的同时开启造成工作面增压或失压，加大工作面漏风量或造成工作面风流短路，同时造成采空区三带反复拉长缩短引起采空区浮煤氧化自燃。

工作面及进回风巷监测监控：①12下208工作面及其回风顺槽安装各类传感器及断电控制装置，具体位置和传感器种类参见《神东煤炭集团安全监测监控管理办法》第4章第16条；②工作面回风上隅角人工吊挂甲烷、一氧化碳、氧气便携检测仪，随时观测，发现异常及时采取应急措施。所有便携检测仪每班必须更换，带班队干在领取时要检查便携仪完好情况；③在1-2煤总回设置甲烷、温度、一氧化碳、风速；在12下208回风设置甲烷、温度；12下208工作面设置甲烷、一氧化碳、粉尘、温度；12下208前隅角设置甲烷、氧气；12下208后隅角设置甲烷传感器，实时监控12下208工作面区域气体变化情况。

工作面进回风隅角挡风板：①在工作面开始回采前必须确保进回风隅角挡风板安设完好并投入使用，工作面回采时必须确保挡风板接帮接顶接底，确保严密不漏风；②工作面生产移架时严禁提前收回进回风隅角挡风板。

2.2 掘进及遗煤留设

巷道掘进时加大联巷间距：为从源头解决采空区漏风，减少由于密闭施工质量造成的采空区漏风，1-2煤复合区下分层巷道掘进时尽可能加大联巷间距，工作面4 164 m仅有38个联巷，减少了联巷数目，减少了与采空区相连的联巷数与一般防火密闭数目，减少采空区漏风。

坚持“快采快撤快闭”理念：①调度指挥中心合理安排活井综采工作面开机配合时间，尽可能优先确保12下208综放工作面开机生产，该面最大月推进度350 m，最大日推进度16 m；②加强工作面检修力度，减少设备故障造成的工作面无法推进的时间。

工作面遗煤留设：①采煤工作面回采过程中，严格控制工作面采高，在正常情况下原则上沿煤层底板回采并尽可能放净顶煤，遇特殊情况底煤厚度原则上不得超过200 mm，并且要及时清理浮煤，尽可能减少采空区遗煤；②每班清理工作面两端头20 m范围内浮煤，杜绝两端头浮煤进采空区。

隅角堆岩粉袋：工作面回采过程中对工作面进风隅角处每个联巷口处向采空区方向堆积宽2 m、长3 m、高2 m的岩粉堆，回风隅角处每隔100 m处向采空区方向堆积宽2 m、长3 m、高2 m的岩粉堆。

2.3 钻孔及喷浆

加强钻孔管理：①对工作面顺槽内施工的探层间距钻孔和探放水钻孔多次进行全面地毯式检查，若发现未封钻孔及封闭不严钻孔及时联系通风队使用罗克休进行封闭，确保封闭严实；②对接地质组探放水思路，在每个流水的探放水钻孔上好阀门和弯头，实现出水不漏风。

下分层巷道过上分层联巷处喷浆：①为防止复合区下分层巷道向上覆采空区漏风，矿内协调喷浆队伍对活井1-2煤复合区南翼工作面顺槽实施喷浆，喷浆区域主要是过上分层联巷的架棚区域；②施工标准。下分层巷道顶部喷浆宽度为上分层联巷(硐室)宽度向两侧各延伸1 000 mm，帮部为顶板向下延伸500 mm，喷浆厚度为50 mm。喷浆施工示意如图1所示。

图1 联巷处喷浆施工示意

高位观测、注浆钻孔：工作面回采前，预先在相邻工作面顺槽内向采空区施工高位钻孔，终孔位置在上分层工作面巷道顶板0.5 m处，工作面回采前可利用高位钻孔监测上分层采空区气体情况，高位钻孔注浆示意图，如图2所示，也可对上分层采空区充填膏体等材料封堵上下分层漏风通道及采空区“O”形漏风通道。工作面回采时高位钻孔随采空区冒落从而造成观测注浆高位钻孔终孔位置塌陷至复合采空区上部，可利用高位注浆钻孔使用活鸡兔井注浆站对高位观测注浆钻孔对采空区进行注浆；由于高位钻孔终孔位置较一般防火密闭措施孔高，能够加大浆液覆盖面积，加大浆液流动半径，更好地封堵复合采空区两道漏风路线，且观测、注浆钻孔施工地点灵活，是对采空区注浆点受巷道联巷位置限制的完好补充。

图2 高位钻孔注浆示意

2.4 注膏体、注氮等预防性措施

上分层采空区注膏体：为切断上分层采空区漏风“O”型圈，降低上分层12上206、208采空区氧气浓度，避免上分层采空区内浮煤氧化自燃威胁下分层工作面安全回采，实施对上分层采空区局部低洼点注入膏体进行局部封堵，已注入膏体2 000 m3。井下移动式注膏体堵漏/防灭火技术工艺流程如图3所示。

图3 井下移动式注膏体堵漏/防灭火技术工艺流程

采空区封闭前联巷口提前喷浆：为更好地封堵采空区两道两线漏风通道，在工作面回采至待封闭联巷时，使用装载机对采空区联巷堆积黄土前，提前使用喷浆机对采空区冒落浮煤、矸石及联巷采空区侧顶、帮、底板进行喷浆，尽可能的覆盖浮煤及顶帮等处。封堵联巷处采空区侧煤体裂隙漏风通道，并隔绝联巷附近煤体与空气接触，防止其氧化，降低采空区遗煤氧化速度。

采空区预防性注氮、液态二氧化碳：采空区永久防火密闭预留措施孔对采空区进行注氮，惰化上分层及两侧采空区气体，我矿现共有4套DM-1000型膜分离注氮机，每台注氮机均配备自动灭火装置。目前累计注入约800余万m3。通过地面和进行对相邻采空区直注液态二氧化碳。地面及井下液态二氧化碳直注工艺流程分别如图4、图5所示。

图4 地面液态二氧化碳直注工艺流程

图5 井下液态二氧化碳直注工艺流程

采空区预防性注浆：从地面向12下208采空区施工8个钻孔对12下208采空区切眼遗煤较多区域进行注浆，在地面设置1处注浆地点，制备浆液后通过BS2201.690-MT232型37 kW泥浆泵经钻孔直接注入采空区，浆液在采空区流动、堆积，对遗煤及煤体裂隙包裹覆盖、封堵，达到预防遗煤自燃的目的。目前12下208采面已注入黄土24 800 m3、浆液122 520 m3。

2.5 监测与巡查

采空区气体监测监控：①利用JSG4束管监测系统对12下208工作面回风隅角、采空区、回风巷及12上206、208采空区内气体成分进行实时监测，及时掌握工作面回风隅角、采空区及回风气体变化情况；②在工作面回采前预先在切眼埋设4芯束管，监测工作面后部采空区50 m、100 m、150 m气体变化情况。各观测点束管沿切眼副帮底板敷设，安设套管保护，并使用沙袋覆盖，到达切眼位置50 m、100 m、150 m处后沿帮升至距离顶板300 mm处；③束管检测工每周对12下208工作面回风隅角、后部采空区气体进行人工采气，利用SG-2003系统进行气体化验，并与JSG4束管系统进行对比。

采空区测温：①利用T335型红外热成像仪对1-2煤复合区区域进行红外扫描温度探测，掌握该区域温度变化及温度异常点，并编制测温扫描报告，为及时采取预防措施提供依据；②利用红外线测温仪对12下208辅运、12下208运顺联巷一般防火密闭进行一次测温。

地表巡查与回填：①地表裂隙、漏风检查方法。全员分散巡查，在统计裂隙具体位置做上明显标记；秋冬天易成霜时节，重点检查地表不易结霜、积雪融化快的地点，做好标记；利用无人机从空中俯瞰地表，并拍照取点；释放SF6示踪气体确定漏风通道；夜间利用红外热成像仪检查温度异常点；②地表回填。采用了重点区域集中堵漏与日常巡查堵漏相结合的方式进行地表回填。日常由通风队地表勘查员每天对地表进行巡查，组织人员对裂隙进行人工填堵，填堵后再进行夯实。针对一些裂隙较大，人工填堵难度大的，安排装载机等机械进行集中填堵。已填堵的地表经常会再次塌陷、出现裂隙、漏风，因此需要进行二次、三次乃至多次回填。

3 结语

综上，目前的煤矿防灭火技术和手段虽有了较大的发展与提升，但还需不断完善和提高防治技术水平，研发和创造新的技术手段，以便能够及时应对危机形势。有效防范火灾是煤矿安全工作的重要一环，也是杜绝重大事故、实现煤矿安全状况根本好转的关键。