亿欣煤业综采面切顶留巷采空区防灭火技术

张 毅

（晋能控股集团晋城煤炭事业部亿欣煤业有限公司，山西 晋城 048200）

1 引言

采空区遗煤自燃是诱发矿井火灾的主要原因之一，严重危害到井下人员的生命安全[1-2]。矿井防灭火主要包括预测、防治和灭火三个部分。为了防治煤层自燃，国内外广泛采用均压、灌浆、喷洒阻化剂、注入惰性气体、注凝胶、泡沫以及剥离清除火源法等防灭火技术[3-5]。亿欣煤业开采15号煤层，煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层，工作面进行综采、切顶留巷作业时，因漏风造成采空区及停采线等地段遗煤自然发火。

2 工程概况

亿欣煤业属于低瓦斯矿井，目前开采15号煤层，呈黑色，似金属光泽，中条带状结构，层状构造，亮煤为主，暗煤次之，夹镜煤条带，下部煤质变差，为半亮型、半暗型煤，含较多黄铁矿结核，视密度1.45～1.61 t/m3，平均1.51 t/m3，燃烧时有臭味。据相关资料显示，15号煤层自燃倾向性等级Ⅱ，属自燃煤层，无煤尘爆炸危险性，最短发火期天数为89 d。目前，矿井在15号煤层共布置XV1307、XV2303两个切顶留巷工作面。其中XV1307工作面的采高为2.62 m，工作面长度200 m，走向长度670 m。如何在切顶留巷中减少漏风，从而实现采空区遗煤自燃防治工作显得尤为重要。

3 亿欣煤业15号煤层自燃风险评价

亿欣煤业15号煤层自燃风险主要从煤的炭化程度、成分、含硫量以及煤层开采方法、巷道布置等方面进行评价。

（1）从煤的炭化程度分析。井田内15号煤层为变质程度高的无烟煤，煤的自燃性随煤的变质程度增高而降低。因此，亿欣煤业15号煤层自然发火危险性较小。

（2）从煤岩成分分析。井田内15号煤层以亮煤型为主，其次为暗煤，煤层含亮煤较多时，煤的自燃倾向较大。因此，亿欣煤业15号煤层自燃倾向性比较明显。

（3）从煤的含硫量分析。井田内15号煤层属低硫-特高硫分煤，煤的硫分越多，吸氧能力愈大，越易自燃。因此，亿欣煤业15号煤层自燃倾向性高。

（4）从煤层开采方法分析。井田内15号煤层设计均采用一次采全高综采采煤法，回采率较高，采空区遗煤较少，有利于矿井防灭火。但采煤工作面采用全部垮落法管理顶板，会造成采空区漏风大，利于采空区遗煤自燃。同时，15号煤层采用切顶留巷工艺时，存在墙体接顶不实、墙体局部压裂等问题，会因漏风造成采空区及停采线等地段遗煤自然发火。

（5）从巷道布置分析。设计开拓、准备巷道沿煤层布置，开采初期，锚喷支护减少了煤壁的供氧量，开采后期，巷道局部帮、顶破碎，巷道围岩（煤体）处于微风供氧状态，易于积聚热量发生自燃。

综上所述，虽然从煤的炭化程度来分析，亿欣煤业15号煤层自然发火危险性较小，但是从煤岩成分、含硫量以及煤层开采方法、巷道布置等角度考虑，亿欣煤业15号煤层自燃倾向性比较明显，采空区遗煤自燃风险较高，需采取专门的采空区防灭火技术措施。

图1 采掘工程平面图

4 切顶留巷采空区防灭火技术

亿欣煤业15号煤层采用以预防性喷洒阻化剂为主、注凝胶为辅，同时建立健全矿井火灾监测监控系统的综合防灭火措施。

4.1 阻化剂防灭火系统

（1）阻化剂防灭火参数的确定。① 合理的阻化剂浓度和密度可降低成本、提高阻化效果，阻化剂浓度控制在10%～20%。亿欣煤业15号煤层采用浓度为10%的阻化液，密度为1.05 t/m3。② 原煤吸药液量及浮煤密度。原煤吸药液量为47 kg/t，浮煤密度为0.8 t/m3。③ 工作面一次喷洒量，可由浮煤密度、工作面长度、喷洒宽度、浮煤厚度、浮煤吸药液量等计算得到。依据矿井实际情况，工作面一次喷洒量为1 443.84 kg，所需阻化剂用量144.38 kg。

（2）采空区阻化剂防灭火系统与工艺。采空区阻化剂防灭火系统主要由供水管路、药液箱、吸液管、压力表、阻化多用泵、高压胶管、阀门、三通、喷枪等部分组成，如图2。阻化泵、药液箱和阻化剂安放在进风顺槽泵站硐室内，通过高压胶管连接至支架后立柱处的喷枪。正常回采期间采空区每天喷洒一次，喷洒宽度≤4 m，如遇日推进度大于4 m，需增加阻化剂的喷洒次数，确保工作面采空区全覆盖。

图2 采空区阻化剂防灭火系统与工艺图

（3）阻化剂防灭火设备。采用2套BH-66/15-G型煤矿用防灭火液压泵站，一用一备，其主要技术规格见表1。

表1 液压泵站主要技术参数

4.2 凝胶防灭火系统

（1）凝 胶 材 料 配 比，基 料:促 凝 剂:水=10:4:86（重量比），胶体初凝时间约2 min，胶体凝结时间30～50 s，胶体配比浓度为5‰～6‰。

（2）钻孔参数与注胶量，钻孔孔径80 mm，其他具体参数依据现场情况确定。其中，预防性注胶或火势较小时，单孔注胶量应不小于15 m3，火势较大时，单孔注胶量应不小于20 m3，上下隅角钻孔单孔注胶量应不小于30 m3。压注凝胶工艺图如图3。

图3 压注凝胶工艺图

（3）凝胶防灭火注浆设备，采用2套NJB-80/2型矿用移动式防灭火注浆装置。

4.3 矿井自燃火灾束管监测系统

采用JSG-7矿井自燃火灾束管监测系统，其工作原理如图4。系统工作时，通过气体采样控制柜中的控制开关，启动采样抽气泵，束管内形成负压，被测地点的气体通过负压进入束管，经分离器进入采样柜[6]。

图4 JSG-7矿井自燃火灾束管监测系统工作原理

在矿井的自燃危险区建立自然发火观测站，进行系统的、定期的观测，在回采面和封闭采空区设置固定观测站。

回采面固定观测站：在回风巷采空区布置3个测点、上隅角布置1个测点，束管布置在巷道外帮，随采随移，测点间距30 m，测点内安装采样器，采样器连接束管，测点采样器外加套管保护；封闭采空区固定观测站：工作面开采完毕后，在进、回风侧密闭分别设观测孔，并在密闭内各布置一个测点。固定观测站示意图如图5。

图5 固定观测站示意图

XV1307工作面回采期间，采用以预防性喷洒阻化剂为主、注凝胶为辅，同时建立健全矿井火灾监测监控系统等技术措施，采空区温度一直在16℃以下，CO2浓度在0.03%～0.05%之间，O2浓度由19.5%（回采期间）降低至17.5%（封闭后），CO浓度维持在5×10-5以内，实现了亿欣煤业15号煤层采空区遗煤自燃的有效防治。

5 结论

亿欣煤业15号煤层工作面采用切顶留巷工艺，易导致采空区漏风现象，从而诱发煤层自燃。从煤的炭化程度、成分、含硫量以及煤层开采方法、巷道布置等方面对亿欣煤业15号煤层自燃风险进行评价，研究提出采用以预防性喷洒阻化剂为主、注凝胶为辅，同时建立健全矿井火灾监测监控系统等技术措施，实现了亿欣煤业15号煤层采空区遗煤自燃的有效防治。