矿井自燃火灾超前协同防控技术

梁运涛，王 伟，3

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122；3.煤炭科学研究总院，北京100013）

煤炭是我国主体能源，2018 年，我国煤炭产量36.8 亿t，煤炭消费占一次能源消费总量的59.0%，预计到2050 年，煤炭消费量仍占一次能源消费总量的50%以上[1]。2018 年，全国共有煤矿5 821 处，50%以上开采自燃及容易自燃煤层。由于煤炭资源分布广泛、煤层赋存及开采条件复杂，矿井自燃火灾事故时有发生[2]。近年来，我国煤炭生产重心向晋陕蒙新等资源禀赋好、竞争能力强的地区集中，2018年，晋陕蒙新四省（区）原煤产量占全国的74.3%[3]。晋陕蒙新地区部分矿井具有浅埋深近距离煤层群赋存特征，开采初期，坚持“快掘、快安、快采、快撤、快闭”的“五快”原则，实现了以快治火。随着开采煤层向深部延伸，地表漏风、层间漏风和本层漏风等多层复合采空区的漏风过程趋于复杂化，各层采空区遗煤均存在自然发火可能性，矿井防灭火工作的重要性和难度逐渐凸显出来[4]。

目前，我国各类型防灭火技术针对性还不够强，隐蔽火源探测缺乏有效的技术手段，尚难以实现对火源的精确定位和监测预警，不能有效指导矿井火灾防治。传统火灾防治理念以被动防治为主，往往是火灾已经发生后才进行治理，造成巨大的能源浪费和设备资源损失，灾害治理和事故处理费用高昂，威胁着煤矿工人的生命安全，往往给矿井生产造成毁灭性打击[5]。

为此以浅埋深近距离煤层群自燃火灾发生发展一般规律为指导，采用理论分析、数值模拟、实验测试和现场试验等多种技术手段，提出“超前采矿工程控氧化、超前综合预防控自燃、准确多元探测易治理”的自燃火灾协同防治技术，为实现煤矿火灾防治超前主动预防、超前预警、早期发现、精确定位和有效治理奠定基础。协同防控技术从优化采掘布局、开采技术、通风系统等基础影响因素入手，完善火灾预测预报及监测预警体系，实施火灾危险评估，不断创新提高防火技术的有效性、适应性和经济性，实现超前预测预报和超前主动预防，指导矿井火灾防治，最终实现煤矿安全高产高效生产。

1 浅埋深近距离煤层群自燃火灾防治面临的难题

随着矿井开采深度的增加、开拓水平的延伸，采矿工程扰动更为明显，地温梯度显著增加，在热风压变化影响下深部煤体自燃耦合效应、煤层群开采周边小窑及上覆采空区自燃影响、环境气体本底含量异常等特殊生产技术条件下的预测预报指标、水浸及二次氧化煤自燃特性等方面提出了更高的要求[6-9]，表现在：

1）首层煤开采过程中采空区大量遗煤存在自然发火危险。开采初期受采煤装备及地质条件限制，部分浅部薄煤层未采，厚煤层回采率低，工作面初采和末采期间遗煤较多，许多矿井上层煤开采时，基本未采取注浆等预防性措施，由于工作面推进速度快，本层煤开采时未出现采空区自然发火迹象，但在下煤层开采过程中，由于上下采空区存在裂隙沟通，上覆煤层采空区遗煤在采空区漏风条件下受到二次氧化，自然发火危险性增加。

2）浅埋深近距离煤层赋存条件下，受矿井回采过程重复采动影响，本层漏风、层间漏风和地表漏风等多层复合采空区漏风过程趋于复杂化，各层均具有自然发火可能性，增大上覆采空区有害气体下泄的可能性，加大被动均压防灭火措施的不可控性。

3）矿井巷道设计方式及顶板垮落的管理方法形成了大面积的采空区，客观上增大了下层煤开采期间的防灭火压力。以神东矿区为例，各矿井多采用无盘区布置，双巷掘进，联巷较多，密闭质量较差，造成大面积采空区连通，给采空区漏风控制、自然发火监测及火区治理带来更大的难度。

4）神东、宁煤、乌海及新疆矿区受历史遗留小煤窑无序开采影响，上覆火区及老空隐蔽火灾严重，浅部小煤窑数量众多，开采状况不清，存在尚未发现的隐蔽火区，也直接威胁矿井的安全生产。

5）现有火灾监测技术手段不完善，传统色谱束管火灾监测系统的适用性不强。目前各矿井均采用传统色谱束管监测系统，存在分析周期长、操作维护复杂、实时性差等缺陷，由于有效采集气体距离较短，不能适应超大规模井田长距离采集气体的需要，导致分析结果易出现较大偏差，从而丧失火灾治理的最佳时机。

6）神东、宁煤、大雁、平庄、新疆等矿区部分开采低变质煤的矿井存在正常生产期间CO 浓度不同程度超限难题，其来源、规律与煤层自然发火之间的关联性不清，加之无轨胶轮车尾气排放等方面的困扰，导致防灭火基础工作特别是自然发火预测预报的准确性较差，客观上制约了煤矿安全生产。

7）煤矿隐蔽火源探测一直是一项困扰煤炭行业的世界性难题，现有火区探测技术总体上依然不能实现对煤矿隐蔽火源的精确定位需要。钻探法工程量较大，费时、费力、成本高，性价比低；物探法易受大地杂散电流、磁场强度变化因素影响，准确性需进一步提升；同位素测氡法探测精度易受采动影响以及围岩裂隙漏风干扰，适用性低、探测经度差；遥感法受地表辐射背景、上覆岩层岩性、地质构造等因素影响较大，成本高、操作复杂。

2 超前协同防控技术内涵

基于上述问题，构建了以“基础条件调研-采矿工程优化-超前预测预报-超前监测预警-火灾危险评估-超前主动预防-隐蔽火源探测-高温有效治理”为一体的火灾防控框架技术体系，突出了火灾防治的“以防为主、防治结合、因地制宜、综合实施”原则，突破了以往煤矿火灾被动防治的观念，逐步建立了自燃火灾超前协同防控技术体系，为煤炭企业安全、高效持续发展提供了可靠保障。自燃火灾超前协同防控技术体系如图1。

图1 自燃火灾超前协同防控技术体系Fig.1 Advanced cooperative prevention and control technology system of spontaneous combustion fire disaster

其主要技术内涵包括：

1）制定有利于煤自燃防治的采矿工程技术方案，分析煤层层位关系、工作面布置方向、工作面参数对生产系统的影响规律，从预防煤矿自燃火灾的角度，分别提出在矿区、矿井、工作面尺度下最优采掘部署方案的设计原则、防控条件与控制参数，建立超前采矿工程控氧化技术体系[10-16]。

2）确定各主采煤层自然发火标志气体及临界值，开发井下原位光谱在线检测技术，提出复杂灾变地质体影响下自燃火灾威胁程度评估方法，集成创新了气体流场动态平衡多点调控技术，提出井上下联合区域性注浆技术，建立超前综合预防控自燃技术体系[17-22]。

3）研究隐蔽火源的燃烧特征与蔓延规律、高温状态下烧变煤岩体视电阻率、介电常数、剩余磁化强度及磁化率随温度的变化规律，确定隐蔽火源范围及深度定量描述指标，研制隐蔽火区电磁探测专用装备，开发电磁探测数据解释系统，建立电磁探火技术方法[23-26]。

3 超前协同防控关键技术

3.1 超前采矿工程控氧化

3.1.1 矿区尺度

在矿区尺度下，根据煤层自燃倾向性、自然发火期、层间距、埋深、周边小窑状况等将矿井分为3 类火灾危险等级进行管控，矿井自燃火灾等级划分标准如图2。确定神东公司大柳塔活鸡兔井等5 个煤矿为Ⅰ类自燃火灾危险矿井，保德等4 个煤矿为Ⅱ类自燃火灾危险矿井，锦界等5 个煤矿为Ⅲ类自燃火灾危险矿井，神东矿区矿井自燃火灾划分见表1。

图2 矿井自燃火灾等级划分标准Fig.2 Classification standard of mine spontaneous combustion fire disaster

3.1.2 矿井尺度

在矿井尺度下，得出有利于矿井防灭火的采掘部署优化原则。指出了寸草塔等5 个煤矿在生产后期应采用分区式或对角式通风方式，同一盘区的工作面应按煤层走向（或倾向）统一布置，连续推进长度尽量一致，回采时应选择顺序开采，避免间隔跳采形成孤岛工作面。工作面在回采过程中漏风量大（如榆家梁煤矿52211 和52402 工作面）、受上覆采空区有毒有害气体侵入影响（如石圪台煤矿31204工作面）或工作面出现大范围低氧情况（如补连塔煤矿22308 工作面、上湾煤矿22102 工作面）时，可使用调节风窗与调压风机均压技术措施。

3.1.3 工作面尺度

在工作面尺度下，分析了工作面采高、长度、隔离煤柱的影响因素，研究了煤层厚度、采高、推进速度、采空区氧化带宽度、自然发火期等参数与工作面长度之间的函数关系，建立工作面长度计算模型：

表1 神东矿区矿井自燃火灾划分Table 1 Division of spontaneous combustion fire disaster in Shendong Mining Area

从预防自燃的角度得出顶煤留设厚度应小于30 cm，首层煤开采时煤柱理论留设理论宽度为16 m 左右，下层煤开采时回采巷道应采用相错布置，煤柱留设宽度为18～21 m，相错布置塑性区范围和垂直应力分布如图3。

3.2 超前综合预防控自燃

3.2.1 自燃火灾超前预警技术

采集神东矿区典型矿井煤层煤样，采用程序升温实验对煤样氧化特性进行测定，采用人工取气、束管监测方法对工作面进风、回风、架间、采空区进行现场观测，经过统计对比分析建立的神东矿区煤层自燃预警分级指标体系见表2。

图3 相错布置塑性区范围和垂直应力分布（21 m 煤柱）Fig.3 Plastic zone range and vertical stress distribution under phase mismatch arrangement（21 m pillar）

表2 神东矿区煤层自燃预警分级指标体系Table 2 Coal seam spontaneous combustion early warning grading index system in Shendong Mining Area

发明了本安型、宽量程（相对于分辨率的104级）、高精度（检测线达1×10-7）的井下原位在线光谱束管监测成套技术（图4）。克服了传统色谱束管系统无法下井的缺陷，创新性的将气体分析仪移入井下近工作面端待监测点，大大缩短了束管采气距离，集成了光纤环网传输技术，成套系统具备了原位在线监测（分析周期≤5 s）、数据实时上传（上传周期≤2 s）、井上下设备无人值守、自动控制及报警功能。配套发明了煤矿井下束管管路监测系统及监测方法，开发了样品预处理装置，实现了管路内气体压力、流量的实时监测和异常点快速定位。

3.2.2 自燃火灾超前预防技术

提出了神东矿区复杂灾变地质体影响下工作面受自燃火灾威胁程度评估方法。通过数值模拟和现场实测相结合的方法，分析近距离煤层群开采上覆岩层破坏程度及采动裂隙分布，研究周边采空区与工作面之间复合裂隙的气体流动规律，推导了火区下采煤工作面不受火区影响的最小相对静压计算式。

式中：pmin为最小安全相对静压，Pa；Hr为火火风压，Pa；ρ 为空气密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2；Zw0为工作面埋深，m。

图4 井下原位在线光谱束管监测成套技术Fig.4 Downhole in-situ on-line spectral beam tube monitoring technology

建立了煤田火区、小窑火区、多层采空区、隐蔽高温区域等分类评估量化指标，对于工作面受上覆火区威胁程度主要以火区与工作面之间的安全层间距、断裂带发育高度及垮落带高度作为评估指标；对于上部煤层采空区，以上部采空区氧气浓度、上覆采空区遗煤厚度、CO 等自然发火标志气体浓度、安全层间距、断裂带发育高度及垮落带高度作为评估指标，建立受限流场条件下上覆火区气体对工作面安全开采影响程度评估方法，将工作面安全开采威胁程度划分为安全、威胁和危险3 个等级，为工作面安全开采提供科学依据，评估流程如图5。

图5 评估流程Fig.5 Evaluation process

集成创新气体流场动态平衡多点调控技术体系。以矿井通风角联漏风理论为基础，以漏风汇为调控基点，采用关键层注氮增压、风窗-风机基点调压、漏风通道封堵等技术，通过观测多层采空区的压能动态分布变化规律实现动态平衡多点调控，实现漏风流场与工作面间的多点平衡，减少了多层采空区漏风量，抑制了上覆火区有害气体侵入。

针对神东矿区煤层近水平赋存及超大采空区特点，发明了井上下联合区域性注浆技术，确定了注浆范围、注浆方式、水土比等关键参数，引入煤体碎胀系数、孔隙率等参数，建立了近水平超大采空区区域注浆量计算公式。

式中：Q 为注浆量，m3；Ks为冲刷管路防止堵塞涌水量的备用系数，一般取1.10～1.25；δ为土水比的倒数；H 为顶煤厚度，m；Kp为碎涨系数，一般取1.3；Lt为注浆区走向长度，m；Ls为注浆区倾斜长度，m；n为孔隙率；p 为泥浆制成率系数，一般取0.88。

具体工艺为：在地面每隔50 m 向上覆采空区采动裂隙“O 形圈”区域施工钻孔进行井上补充注浆，在井下采用插管或埋管方式向本层采空区注浆，注浆范围为工作面初采段和末采段300 m，注浆管路示意图如图6。

图6 注浆管路示意图Fig.6 Schematic diagram of grouting line

3.3 准确多元探测易治理

钻孔测温受人员经验限制较大；钻孔测气只能定性判定是否存在火区，不能圈定火区范围和燃烧层位；同位素测氡只能给出火源平面范围。针对以上缺陷，研究隐蔽火区多元电磁探测技术。

研究圆回线源在水平层状地表形成的频域及瞬变电磁场，建立了瞬变电磁一维正演模型，开展煤岩3 层及4 层模型燃烧前、燃烧中及燃烧后电磁响应数值计算，得到煤自燃作用对煤岩层电阻率和瞬变电磁响应频率变化的影响规律，3 层及4 层模型瞬变电磁响应对比如图7。煤岩层电阻率ρ 变小后，瞬变电磁响应晚期频率衰减变慢；煤岩层电阻率变大后，瞬变电磁响应晚期频率衰减变快，瞬变电磁响应差异特征△Hz可作为识别煤岩层自燃的标志。

图7 3 层及4 层模型瞬变电磁响应对比Fig.7 Comparison of transient electromagnetic responses between three-layer and four layer models

在3 层及4 层模型的正演响应中引入高斯随机误差，采用Occam 一维反演算法分别对模型自燃前、自燃初期、自燃后的响应数据进行反演，识别出了煤岩层中的高阻区，反映了自燃前后的电阻率变化。3 层及4 层模型Occam 一维反演结果如图8。

图8 3 层及4 层模型Occam 一维反演结果Fig.8 Three-layer and four-layer Occam one-dimensional inversion results

先后对神东矿区石圪台煤矿等6 个疑似火区对应地表开展了中心回线方式瞬变电磁和总地磁现场测试，采用interpex ix1dv3 软件进行了5 层模型反演计算，在近地表50 m 范围内存在低阻区，50 m 以下为高阻区，并一直延伸至100 m 左右，表明该区域存在高温异常，并通过施工地面钻孔得到了验证。

4 结 语

“以快治火”防治理念在神东矿区开采初期效果显著，但随着采掘的不断深入，火灾防控难度逐渐加大。如不改变“头痛医头脚痛医脚”的火灾防治现状，改被动治理为主动预防，近距离煤层群开采上覆采空区将出现“一片火海”。提出以“超前采矿工程控氧化、超前综合预防控自燃、准确多元探测易治理”为内涵的自燃火灾超前协同防控技术，构建“基础条件调研-采矿工程优化-超前预测预报-超前监测预警-火灾危险评估-超前主动预防-隐蔽火源探测-高温有效治理”的技术体系，期待能为近距离煤层群开采自燃火灾防治提供一定的参考。针对隐蔽火源精确探测进行了尝试，但仍面临探测技术相对薄弱，探测精度差的局面，基于红外遥感、磁法和电法的煤田火灾多元信息探测技术及装备是今后煤田火灾探测的发展趋势，仍需在研究煤田火区热辐射、热磁及热电地球物理参数耦合特征，开发火区温度分布特征正演与反演解释系统，研制高精度、高灵敏度、高分辨率和高频率的多元信息专用探测装备，建立基于红外遥感、磁法和电磁法的煤田火灾多元信息探测技术等方面进行探索。