煤矿采空区自然发火预防措施的探讨与实践

文/孙学东

矿井火情火灾是威胁煤矿安全生产的五大灾害之一。据统计，矿井火灾中自燃火灾占矿井火灾总数的90%～94%，全国重点煤矿具有自然发火风险的矿井约占47%，且大部分自然发火都发生在采空区附近。因此，要深入分析开采工作面采空区自然发火规律，并采取有针对性的防灭火措施。开滦集团承德兴隆矿业有限责任公司根据1303综合放顶煤采煤工作面采空区自然发火特点，通过深入分析实践，探索出了预防采空区自然发火、提高工作面安全水平的具体路径，取得了显著成效。

一、工作面概况

1303采煤工作面位于兴隆矿业一水平东一盘区1号煤层，东至井田边界，西接矿井开拓大巷，北临1305掘进工作面，下部暂无采掘工程。1303采煤工作面倾向长度为250m、走向长度2400m，煤层倾角小于8°，煤层厚度为25.2m，煤层平均埋深325m，采用综合放顶煤开采，采高5.5m，放煤高度20.35m，采放比为1∶3.7。煤尘具有爆炸性，属于二类自燃煤层，煤层自然发火期为60天。

二、主要预防措施

针对工作面采空区自然发火规律，需采取有效的安全预防与防灭火治理措施，一般采用监测监控系统、采空区注氮、采空区灌浆、均压灭火、阻化剂防火等综合防灭火技术措施进行预防和治理。

1.建立火灾监测监控系统

开采容易自燃和自燃煤层的矿井，必须建立自然发火束管监测系统，并辅以人工采样监测的方式，随时监测相关地点的自然发火情况，时刻掌握防止自然发火的主动权。

束管监测系统，是目前最主流的连续自动分析系统，分正压输送气样和负压输送气样两种方式，其中正压束管能够降低管路漏气、进水等影响气样采集的不利因素，技术优势较为明显。束管监测系统将井下监测点气体取样输送至气样分析室，然后再利用色谱分析仪对气样进行分析，得出甲烷、一氧化碳、氧气、乙烯、乙炔、二氧化碳等气体的浓度，根据数据分析的结果对相应地点的煤的自然发火阶段作出判断。具体来说，在1303采煤工作面回风隅角端头支架后侧、隅角风障前侧，距底板1.8m处布置一趟单芯束管，此束管与端头支架一同固定，随支架移动而移动；在工作面回风顺槽布置一趟用铁管保护的三芯束管，其上布置三个监测点，每个监测点相距40m。随着采煤工作面不断回采，预设的三个监测点依次进入采空区，当预设的第一个监测点监测的氧气浓度降低到5%以下时，断开第一个监测点，同时在第三个监测点向外40m处重新布置新的监测点。依此测点布置方式循环布置，直到采煤工作面回采结束。

人工监测，即每班安排专人对采煤工作面、回风隅角，以及支架后部的采空区，每隔10架支架进行监测并记录，建立数据库，并对数据进行分析，发现异常及时反馈。

2.采取采空区注氮预防措施

采空区注氮防火是指将氮气注入采空区或者火区，起到惰化作用，阻止煤炭氧化自燃，提高采空区的相对压力，使采空区呈正压状态来防止新鲜风流流入，降低采空区温度来阻止采空区煤炭氧化升温，从而防止煤炭自然发火。

1303工作面采空区注氮管路以1303采煤工作面进风顺槽开始，一直布置到工作面。注氮管路采用直径为100mm的铁管，再利用软管与直径108mm的内丝套管相连，并将套管从工作面切眼外25m处埋入，套管与接头相连接；氮气释放口采用金属花管与套管相连接，金属花管与底板垂直布置。当工作面向外回采50m时，启动1号套管注氮；当工作面继续推进到75m时铺设2号套管，原理同上；当采煤工作面继续推进到100m时，此时应停止1号套管注氮，2号套管开始注氮。依上所述，采煤工作面每推进50m，关闭前一个注氮口、开启下一个注氮口，直到工作面回采完毕。

注入氮气的流量：按照采空区氧化带漏风量取12m3/min，注入惰性气体的防火惰化指标可取7%，采空区氧化带内的原始氧浓度取平均值14%，注入惰性气体纯度为97%，考虑到1.5的备用系数，经计算，1303综放工作面注氮量为1890m3/h。

3.采取均压防火技术预防措施

均压防火技术是指通过设置调压或者调整通风系统，改变井下巷道中空气的压力分布状态，达到抑制煤炭自然发火的目的。根据均压区是否封闭，分为闭区均压和开区均压两种方式。

1303工作面采取开区均压的方式，在工作面建立了均压系统，在保证工作面所需要的风量条件下，对风量进行适当调节。主要的措施为调节风窗均压，减少向采空区漏风，抑制煤炭自然发火。

4.采取注浆防灭火预防措施

注浆防灭火就是在地面建立注浆站，将不可燃性注浆原料（黏土、粉煤灰、砂等固体材料）细粒化后，与水按照一定配比制成悬浮液，利用静压或者动压，通过钻孔或者输浆管路水力输送至矿井的防火区域，以阻止煤炭氧化或扑灭自燃煤体的一种防灭火方式。

1303工作面采用的是随采随注埋管注浆的防灭火方式，即随着采面工作面的不断推进，同时向有发火危险的采空区注浆。这种随采随注的注浆方法，不仅能有效地防止采空区煤炭自燃，还能胶结采空区冒落的矸石，形成再生顶板，为下分层开采创造条件。

具体步骤：在13 03采煤工作面放顶煤之前，沿回风顺槽在采空区预先布置好注浆管路，一般预埋10～15m，预埋管路一端通向采空区，另一端接胶管连接主管路上的三通阀。胶管一般长20～30m，放煤后开始注浆。与此同时，在三通阀的另一出口接出一段洒浆软管，浆管沿倾斜方向向采空区均压喷洒预制好的泥浆。喷洒泥浆量要充分，要求泥浆能把采空区冒落的矸石全部包围。

5.采取阻化剂防火预防措施

阻化剂是一种阻止煤炭氧化自燃的化学物质，又叫阻氧剂。阻化剂防火就是将阻化剂喷洒于采空区或者压注煤体内，抑制或延缓煤炭的氧化，达到防止煤炭自燃的目的。

1303采面工作面在每班割煤前，把配置好的浓度为20%的氯化钙阻化剂溶液用喷枪从机头到机尾向采空区喷洒。每个喷洒点间隔10m，喷洒时间不少于10min，喷洒流量不小于35L/min，并对采煤工作面上、下隅角进行全面覆盖，以达到防火效果。

6.提高放顶煤工作面的采出率

对于采空区来说，遗煤越多，发生自燃的几率就越大，通过提高放顶煤工作面的采出率可以有效地减少采空区遗煤，从根本上降低煤炭自然发火。因此，1303采煤工作面通过合理提高工作面的采出率，减少采空区遗煤，从根本上防治采空区火灾。

三、实施成效

兴隆矿业通过实施采空区自然发火超前预防举措，获得了显著效果。应用束管监测系统，不仅实现了连续自动监测煤炭自然发火情况，还能随时提供相关地点自然发火的过程动态信息，掌握了防治采空区自然发火的主动权。通过采空区注氮，发挥氮气惰性作用，有效阻止了采空区煤炭自燃。实施均压防火，降低了采空区与工作面两侧的风压差，减少了向采空区漏风，达到了预防和消除火灾的目的。

矿井自燃火灾防治是一项长期的系统性工程，一方面要科学地预防和处理采空区自然发火，另一方面要注重采空区防灭火措施的合理性。随着科学技术的发展，采空区防灭火技术不断更新与进步，而无论采用哪种防灭火技术，原理都是抑制采空区遗煤氧化。积极主动地采取有效的防灭火措施，充分发挥主观能动性是成功防止采空区自然发火的关键。通过建立火灾监测监控系统，实施采空区注氮、采空区注浆、均压灭火等手段，可以做到安全第一、预防为主、防治结合，确保煤炭企业安全生产和高质量发展。