浅埋深易自燃煤层综合防灭火技术应用

文/李海彦

煤层自燃是煤矿主要灾害之一，在煤矿事故中占有较大的比例。内蒙古准格尔旗特弘煤炭有限公司官板乌素煤矿现主采6号煤层，均为综采放顶煤工作面，采空区遗煤多、空间大、漏风严重，历史上曾多次发生采空区自燃现象，防止煤层自燃成为矿井安全工作的重点。官板乌素煤矿在处理604工作面自燃现象过程中，结合现场情况，采取针对性措施，运用多种防灭火手段，有效地制止了采空区遗煤自燃，为今后的防灭火工作积累了宝贵的经验。

一 604工作面概况

官板乌素煤矿位于准格尔煤田北部，本井田自上而下主采煤层有2层，即6-1、6号煤层，目前6-1煤已经采完，只剩下6号煤层，6号煤层位于太原组中部。煤层埋深132.05～283.72m，平均201.00m。属富灰、特低硫、低变质长焰煤。

604工作面位于6号煤层中。该面北以采区回风下山为界，西以605综放工作面采空区为邻，东以603综放工作面采空区为邻，南以604工作面切眼为界。采用综采放顶煤走向长壁采煤法，走向长度820m，倾斜长度160m，平均煤层厚度12.5m，采高3m，回采放顶煤高度9.5m。该采面于2018年元月份安装完毕，采面配风950m3/min，工作面采用

二 矿井综合防灭火技术应用

上行通风，运输顺槽为工作面进风巷。当月开始试采，于2019年2月份结束，3月份撤架回收，4月初完成永久性封闭。

604工作面为放顶煤工作面，放顶煤高度为9.5m，受采煤工艺的限制，实际回收率在65%左右，造成采空区空间有大量遗煤,使得大量漏风通过采空区，给采空区自燃创造了条件，仅靠单一的防灭火措施很难抑制采空区自燃，必须多管齐下，多措并举，这样才能有效控制采空区遗煤氧化自燃现象的发生。

1.建立完善矿井火灾预测预报体系

（1）束管监测及色谱分析。沿604采面回风顺槽敷设三根束管进入采空区，三根束管的取气点分别在604采空区以里20m、40m、60m处，交替外移，利用JSG-8井下自燃火灾束管监测系统，对604工作面采空区的气体进行不间断监测分析，根据分析结果判断自然发火趋势，以便对采空区遗煤自燃作出科学的预测预报。

（2）安全监控预警系统。在604采面、回风隅角、采面回风，各安设1台一氧化碳传感器，监测一氧化碳，同时在604采面回风隅角和采面回风安设温度传感器，对温度变化进行连续监测。

（3）人工检测与取样分析化验。瓦斯员每班两次对604采面、回风隅角及采面回风一氧化碳气体和温度情况进行检测，每天对上隅角进行一次取气，利用SP3430型煤矿专用气相色谱仪检测气体组份。

通过上述三种预测预报手段，及时填绘各种气体组分和温度变化曲线，根据变化趋势，判断采空区遗煤氧化程度，为采取相应的防治措施提供依据。

2.注浆防灭火系统及应用

利用风井工业场地面注浆设备，一套FMH-60T全自动黄土注浆防灭火系统，对604采空区进行预防性灌浆。浆液经搅拌机制成后，进入灌浆池，由灌浆泵将浆液输送到地表灌浆管，再流入风井井筒灌浆管到井下灌浆管路。

根据本矿开拓布置特点，井下采用随采随灌、埋管灌浆的注浆方法，在604辅运顺槽内敷设注浆管路，与主管路连接，从回风顺槽向工作面采空区灌浆。重点对两道、两线（即上、下顺槽，切眼和停采线）进行预防性灌浆，灌浆时，先在采空区外围形成密封的泥浆带，再往深处灌浆，既保证了灌浆效果，又减少了水、土的消耗。

3.注惰防灭火系统及应用

矿井下配有一套移动式Dt-400/6碳分子筛制氮机，氮气产量400m3/h，氮气纯度≥97%，氮气出口压力≥0.6MPa。注氮方法为埋管式注氮：在工作面进风（顺槽）一侧沿采空区埋设一趟注氮管路。当埋入一定深度后开始注氮，同时埋设第二趟注氮管路。当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时开始向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面采完为止。

注氮方式从空间上分为开放式注氮和封闭式注氮，在不影响工作面的正常生产和人身安全时，可采用开放式注氮。从时间上分为连续性注氮和间断性注氮。工作面开采初期和停采撤架期间，或因遇地质破碎带、机电设备等原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮。工作面正常回采期间，可采用间断性注氮。

4.喷洒阻化剂抑制采空区遗煤氧化

604综放工作面配备2套BH-40/2.5型阻化剂喷射泵（一用一备），最高压力：4MPa；最大流量：36～55L/min；最大射程：28m（接20m管路）；保证随时能够向采面、架间、隅角浮煤喷洒阻化剂。

采用来源广泛、价格便宜、阻化率高、配制容易、对设备无腐蚀的工业氯化镁(MgCl2·6H2O)作为阻化剂。根据实践情况，阻化剂溶液浓度控制在15%～20%之间效果最好。工作面药液的喷洒量根据采空区的丢煤量和丢煤的吸液量而定。对易发生煤炭自燃的部位，如工作面的上下口、巷道煤柱破碎堆积带等处进行加量喷洒。

5.利用均压技术减少向采空区漏风

为了减少604采面进回风两侧的压差，在604采面的进风侧构筑一道调节风墙，根据采面上隅角和采面的CO涌出情况，实时进行调节，以降低采空区两侧的压差，减少采面向采空区的漏风。同时在604综放工作面上下顺槽入口处，各安设一台风压传感器，实时观测采面上下端头压差，按照以往的经验值，上下两端压差控制在10Pa以内，一旦发现超过这个数值，立即采取减小压差的措施。

6.采用科学合理的开采工艺

（1）采用科学的巷道布置和采煤工艺。避免或减少煤体碎裂，减少孔隙度，从而可以减少氧气向煤体内部扩散的通道，减小反应面，达到降低氧化速度的目的。采区设计的原则是尽量少留煤柱，相邻的两个工作面留设煤柱时，适当加大尺寸，留设17m宽的保护煤柱，这个宽度能保证煤柱在服务期内不被压酥。选用走向长臂式综合机械化采煤工艺，这种采煤方法巷道布置简单，准备周期短，具有较大的防火安全性；工作面回采速度快，生产集中，单产高，在相同产量的条件下，煤壁暴露时间短，及时放顶煤，使采空区顶板及时冒落压实，浮煤与漏风接触时间短；采煤工作面采用后退式开采，根据煤层自然发火期确定采面月推进度为60m，尽快将氧化后的遗煤及早甩入窒息带。

（2）制定合理的放顶煤区域，加强顶板管理。矿井是综采放顶煤采煤工艺，且阶段连续开采，煤柱受采动压力影响，在回采下一个阶段时，与上一阶段采空区之间的煤柱承压较大，煤柱形成裂隙，存在漏风和发火危险，为此，采面上下端头各留有三架不放顶煤，以减小上下两巷顶板的压力，尽最大限度保护两巷煤柱的完整性，控制裂隙的形成，切断漏风通道，从而达到抑制氧化的目的。此外，加强对顶板的管理，根据矿压在线观测记录,掌握周期来压时间节点，提前对采空区采取加强型注浆注惰措施，加大阻化剂喷洒密度，应对可能由于顶板来压给采面正常推进造成的影响，防患于未然。

（3）加快推进度，优化“三带”管理。采空区除了横向的“三带”，还有竖直方向的“三带”，把采空区浮煤尽早甩入窒息带是制止采空区自然发火的最有效手段。在尽可能提高回收率、减少采空区丢煤的同时，加快采面的推进度是防止604综放工作面自然发火的重中之重，因此还要从生产环节来配合矿井的防灭火工作。按照束管采样分析的结果，采空区纵深60m处的氧气在5%以下，此处已经具备失燃条件，结合矿自然发火期限51天，所以在制定作业计划时，把604综放工作面的月推进度定在60m以上，留足了80%的冗余系数，从根本上切断了采空区的自燃条件。

7.通风技术手段

（1）合理配风。调整工作面供风风量，破坏采空区热量积聚的条件，尽可能减少采空区供氧量是工作面供风的基本原则，按照《煤矿安全规程》有关工作面风量计算的规定，按工作面气象条件选择适宜的风速计算出来的风量值最大，其计算结果为：

在实际推采过程中，受顶板压力以及其他因素的影响，采面的有效断面只有标准断面的60%～70%左右，按照65%～75%的系数进行修改，随着工作面有效断面的大小而调整工作面配风，将采面供风量调整为840m3/min～970m3/min，风量调整后的604工作面既满足了气象条件，也大大减少了向采空区的漏风现象。

（2）上封下堵。采空区的浮煤吸附空气中的氧，生成不稳定的氧化物，放出少量的热，随着时间的维持，煤的氧化速率会增快，发热量会逐渐增大，如果改变供氧条件，能有效制止采空区浮煤自燃速度，因此，在604综放工作面进、回风隅角每隔10m用渣袋对隅角进行封堵1次，改变了采空区的漏风路线，如图1所示，从而改变了正在蓄热的浮煤的供氧状况，打破了浮煤原有的蓄热平衡，达到了延长潜伏期的目的。

（3）量化管理。根据以往工作面治理采空区自然发火的经验，制定了严格的CO和温度控制指标。

CO控制指标：当采面回风一氧化碳浓度绝对量达到0.005m3/min，并有继续上升趋势时，立即采取密集取气化验手段，分析产生氧化的地点，在架间插2寸管，利用多功能阻化泵，向采空区注射阻化剂，同时在进风隅角向采空区注氮气；当采面回风一氧化碳绝对量达到0.008m3/min时，立即撤人，采取进一步的防治措施。

温度控制指标：按照以往的经验，6号煤各个工作面的温度都在14℃～17℃之间，以上限为准，超过17℃而且仍有上升趋势时，必须分析氧化发热点，同时采取向采空区注氮或注浆措施；当工作面温度超过25℃时，立即撤人，采取进一步的防治措施。

8.地面治理

由于煤层埋藏浅，604综放工作面煤厚达12.5m，随着工作面推进，地表不断地产生非连续式裂缝破坏带，且出现了下沉迹象，致使采空区和地表间形成裂隙通道，矿井采用抽出式通风，在地面与采空区通风压差的作用下，漏风风流由地面裂隙处渗入，经过采空区，然后往工作面回风侧或其他低位能点渗漏，渗漏给采空区浮煤提供了供氧通道，延续了采空区深部浮煤的氧化环境。针对这些情况，采取了充填黄土的措施封堵地面裂隙，减少了通过地表和采空区之间的漏风，并在充填黄土的基础上，进行复垦，利用农作物根系的抗拉和抗剪切作用，既加强了水土的凝聚力，又保持了水土不流失。

图1 604工作面漏风范围示意图

三 效果及建议

通过采取上述一系列措施，有效防止了604综放工作面采空区自然发火现象，604综放工作面于2019年2月份开采结束，3月份撤架回收，4月初封闭，安全采出煤炭150万吨。鉴于此，对于类似604综放工作面这样的易自然发火矿井，防灭火管理要以预防为主，应采取以下的综合防灭火措施。

一是建立完善的预测预报系统，每日进行综合分析，警惕自然发火现象每一个细小变化，为防止自然发火赢得时间。二是及时采用注浆、注惰、喷洒阻化剂等防灭火措施，抑制浮煤发生氧化现象。三是利用开采技术、均压技术和通风管理手段辅助治理，从而达到延长潜伏期的目的。四是进行地面治理，切断地面漏风通道。