株柏煤矿急倾斜煤层采空区防灭火技术研究

苏利国，夏文营，王自波，王运动，史志军

（临矿集团东山矿业有限责任公司株柏煤矿，山东 临沂 276112）

0 引言

我国煤炭资源丰富，在全球占有重要地位，资源总量居世界第二[1]。有关研究预测表明，至2050年煤炭在我国能源中的比例仍能达到50%左右，依然占据主导地位[2]。随着我国煤炭开采技术不断发展，劳动生产率大幅提高[3]，但煤矿安全形势依然严峻，尤其经过多年开发，浅部煤炭资源已近枯竭，煤炭开采开始向深部转移[4]。深部煤层开采具有高地温、高岩溶水压、高地应力、强扰动等显著地质特征[5]，对煤炭资源的安全回采构成威胁，极易诱发生产事故，严重危害作业人员安全，阻碍煤矿绿色高效开采的发展进程[6]。

煤炭自然发火是深部矿井生产过程中的主要灾害之一[7]。根据煤炭倾角的不同，可以将其分为水平、缓倾斜及倾斜煤层三类[8]。与水平煤层和缓倾斜煤层相比，急倾斜煤层倾角大，工作面留设保护煤柱较少，致使采空区易与外界形成裂隙通道，使得开采过程中更易诱发煤炭自燃[9]。随着开采工作不断进行，采空区范围扩增，空室体积加大，漏风量增加，遗留煤柱自然发火倾向越趋严重[10]，威胁矿井的安全生产。所以要从根本上消除诱发煤矿火灾事故的隐蔽致灾因素，解决煤矿火灾问题，需结合矿井实际以及生产实际，制定相应的应急防控方案，以保障矿井工作人员的安全，维持煤矿的正常安全生产作业，进而最大程度降低灾害事故造成的经济损失[11，12]。

株柏煤矿十三采区31306工作面所在煤层属Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为83 d，自然发火可能性较大。为保障31306工作面回采期间的安全，降低或消除煤层自然发火的潜在诱因，本文对株柏煤矿十三采区31306工作面采空区火灾监测系统及防灭火技术进行研究。

1 工程概况

1.1 十三采区概况

东山矿业有限责任公司株柏煤矿驻地位于山东省临沂市郯城县，行政区划归李庄镇管辖。矿区地理经纬坐标范围118°20′19″E～118°22′02″E、34°47′42″N～34°50′25″N，区域南北长约4.2 km，东西宽约0.36～2.6 km，总面积约5.37 km2。

株柏煤矿回采十三采区的地质构造类型属于单斜构造，走向大致呈近南北方向，倾向东。开采煤层为山西组2煤和3煤，煤层倾角起伏较大，一般处于25°～65°之间，平均约45°，属急倾斜煤层。根据相关地质条件勘察资料，确定十三采区水文地质条件类型属于中等类型，为裂隙充水矿床。本区预计正常涌水量为233.73 m3/h，最大涌水量为278.14 m3/h。

株柏煤矿井田开拓方式为立井开拓，上下水平之间采用暗斜井进行延深开拓，采用柔性掩护支架采煤法。当前，矿井所用通风方式为中央边界式、抽出式，由东立井进风，西立井辅助少量进风，专用回风井回风，风井设有2台FBCDZNO.22/2×110型轴流式通风机，1台工作，1台备用。掘进作业中采用风钻湿式设备打眼，爆破落煤（岩），挖掘式装载机装（煤）岩，运输设备采用标准载重为1 t的矿车。对于上山运输采用串车提升的方式，对于平巷运输采用电瓶车进行牵引。

1.2 31306工作面概况

31306工作面位于十三采区北翼-849.0～-816.5 m区段，南部以留设的十三采区主、副下山保护煤柱线为界，北部边界延伸至DF17断层保护煤柱线处。31306工作面南部为相邻十二采区，距离该工作面所处十三采区较远，目前处于正在回采的状态；北部九采区现已停止掘进，西部31302工作面已回采结束，东部为尚未进行采掘的区域。

工作面设计开采煤层为二叠系山西组3煤。通过对十三采区地质资料和31306工作面回采资料进行总结分析可知，工作面范围内3煤赋存较为稳定，煤种为肥煤，普氏硬度f=1，具有条带状结构，节理较发育。煤层多属低灰～中灰，特低硫、低磷，发热量高。工作面内煤厚约2.81～3.45 m，平均为3.13 m，直接顶主要为砂质泥页岩，无伪顶，属2类直接顶，平均厚8.0 m，硬度较大，水平层理发育；基本顶主要为粉细砂岩，属Ⅱ级基本顶，平均厚度3.34 m，水平层理发育。伪底主要为炭质泥岩，局部为粘土岩，平均厚0.4 m。基本底为灰色砂岩，成分以石英为主，砂泥质胶结，局部含泥砾，属Ⅳ类底板，平均厚度35.73 m。含煤地层柱状图（部分）如图1所示。

图1 工作面地层柱状图（部分）

2 诱发采空区火灾的关键因素

基于对株柏煤矿地质资料及防灭火资料的分析，可以明确31306工作面采空区火灾频发的主要原因在于煤的自燃，同时存在瓦斯、废弃材料等引发的火灾。具体原因分析如下：

1）采空区存在数量较多的遗煤，且未能及时封闭采空区或封闭不严导致进风较多，煤体氧化，容易发生自燃；

2）瓦斯在采空区或工作面隅角处积聚，当积聚浓度达到爆炸条件后爆炸起火；

3）工作面回采过程中所用可燃材料在废弃后丢进采空区，经长时间氧化自然发火；

4）采煤工作面停采线和开切眼附近，由于浮煤大量堆积，长时间经受风流的氧化，容易发生自燃；

5）保护煤柱在采动压力和地应力耦合作用下易被压裂，发生破碎和坍塌，形成大量堆积浮煤，形成煤体自燃的基本条件。

3 采空区火灾预测预报监控系统

为对采空区自然发火灾情进行全方位的监测，采取束管监测系统、安全监测监控系统和人工监测等手段，构建矿井自然发火预测预报监控系统，对采空区自然发火趋势进行及时有效的监测、反馈和处置。

3.1 束管监测预报系统

矿井采空区及巷道装备有KSS-200C型、JSG6N型2套火灾束管监测预报系统，主要用于对井下采空区气体成份的分析，实现CO、CO2、CH4、O2、N2、C2H2、C2H4、C2H6（计算值）气体含量的监测监控，对其含量变化情况进行实时预测。束管监测点设置在工作面上隅角及采空区，对井下采空区等相对密闭空间内的气体进行采集、分析和监测。系统监测点布置如图2所示。

图2 工作面测点布置

该系统采用高精度、低漂移的气体分析仪，能够在早期监测到自燃的临界点。系统在地面中心站设有监测控制工控机，工控机可实现对所有设备的控制以及采样气体分析结果的输出和存储。

KSS-200C型火灾束管监测预报系统包括地面抽气泵、气体采用控制柜、束管专用色谱仪、分析仪器柜、双通道24位A/D转换器、8路输出控制柜、工控机及相应软件等。另外，井筒及井下巷道需敷设抽气束管，并配置分路器对束管进行分支。JSG6N型火灾束管监测预报系统配接KXH12矿用本安型PLC控制箱、BQM80气体采样泵、485总线设备等，该系统由PLC对进样点控制，每次进行单点单路进样，进样时间可设置，逐点循环。样气的抽取通过外置大功率真空泵进行，分析点样气通过三通分流，一部分直接由真空泵排空，分析部分通过电磁阀控制进入预处理单元。分析样气进入预处理单元后先通过汽水分离器除水除尘，然后进入冷凝器除湿，最后进入干燥罐干燥处理，干燥后的样气经过湿度确认后进入气体分析仪。分析后的样气进入稳压罐汇总，由真空泵排空。

3.2 安全监控系统

矿井安装有KJ70X型安全监测系统，该系统为自然发火监测的辅助系统。利用该系统的一氧化碳传感器、烟雾传感器和温度传感器对井下观测点的观测内容进行24 h监测，一旦气体超限或温度超高，能及时反馈到安全监控系统上，便于采取相应措施对突发情况进行应急处理。该系统布置位置及相应的用途说明如下：

1）采煤工作面回风巷：布置在回风巷距离回风出口10～15m处，用于防灭火预测预报；

2）皮带运输巷：在带式输送机滚筒下风侧10～15 m处安设烟雾传感器，主要用于皮带运输巷皮带着火的防灭火预测预报。

3.3 人工检测

人工检测是对煤层自然发火进行监测的重要手段，由人工直接在采掘工作面、各类进回风巷、皮带巷、机电硐室等处设置的测点进行气体和温度检测，并定期采集气样送地面进行气相色谱分析。此方法实用性较强，投入设备少，简单易行，但人工取样工作量大，间隔时间长。

相较于信息系统检，人工检测更加灵活、便利，具有更高的适用性，可在不同区域开展防灭火检测。人工检测地点及方法如下：

1）采煤工作面回风隅角、回风顺槽，掘进工作面迎头和回风流。瓦斯检查员每班2次检查气体情况，发现CO、O2、CO2或温度出现异常，增加检测频次，并及时汇报；

2）密闭墙观测孔和防火墙外。瓦斯检查员每周检查1次气体情况，采集气样送化验室化验分析；

3）采区回风巷、总回风巷。瓦斯检查员每班检查1次，若发现异常，采集气样送化验室化验分析；

4）其他临时观测地点，如巷道高冒区、断层带附近、自然发火隐患地点等，严格按专项防灭火技术措施执行。

4 采空区防灭火措施

工作面不同的推进状态对采空区自然发火的形成具有不同的影响程度。将回采期间的31306工作面划分为3个阶段：回采前、回采期间和回撤期间。工作面在不同的回采阶段采空区内的浮煤厚度、漏风强度和氧气浓度等参数均会发生变化，采空区自然发火区域也随之改变，故结合不同回采阶段的工程技术特征，针对不同回采阶段采空区发火问题，提出相应的防灭火措施。

4.1 工作面回采前防灭火措施

切眼形成后，为避免切眼位置发生自然氧化现象，对切眼处顶板和支架后部煤壁及时采取有效的阻化剂喷洒措施；加强工作面开采期间巷道高冒点、煤体松散区等位置的自然发火隐患监查力度，对存在的发火隐患问题，及时采取快速、有效的处理措施；工作面两侧顺槽应高标准遵循灭火器材放置数量及位置规定，保证洒水管路时刻正常供应，确保工作面消防洒水管路正常供水；为杜绝自然发火隐患，应采取合理调整供风量、缩短开切眼位置及两帮侧破碎煤体的氧化时间等措施。

4.2 工作面回采期间采空区防灭火措施

快速的开采速率可有效防止采空区发生浮煤氧化自燃问题。加强采煤管理举措，实施切实可行的技术方案，提高放煤量，提升顶煤回收率，降低空区遗煤量；统一回收处理施工过程中留下的可燃性材料，以防堆积的可燃性材料发生氧化自燃。基于实际瓦斯涌出量，合理调整工作面通风系统，保证通风系统时刻处于稳定运行状态；加强并完善上隅角落顶工作，在回撤工作面回风巷超支护前，需及时将支护范围内巷道顶板支护锚杆、锚索进行退锚处理；正常回采期间，每天开展1次喷洒预防工作，每次喷洒量需大于7.29 kg，依据现场实际情况确定合理的喷洒次数；提前开展注氮预防火灾举措，注氮工作每周进行1次，每次注氮量不得低于300 m3，当回采工作面遇断层、陷落柱等构造阻滞工作面推进速度时，应合理提高注氮频次；强化理论研究，对易诱发火灾地点进行科学预判，掌握自然发火趋势，有针对性的采取防控措施。对出现升温、异味等特殊现象时，瓦斯检查员应及时向通风管理部门和通风调度中心汇报并采取相应的应急处理方案；回采期间，需对进风巷、回风巷的冒落空洞问题作及时的阻燃性材料填充处理，严格执行挂牌管理，定期检查分析，消除隐患。

4.3 工作面回撤期间采空区防灭火措施

工作面回撤期间，通过合理调整风量的方式来减少采空区漏风，进一步降低遗煤发火的安全隐患，并确保回撤区域内瓦斯、温度等符合《煤矿安全规程》规定，全断面封堵工作面上下隅角，保证两顺槽的防火门正常工作；每班次需安排巡检人员对工作面角落、工作面架间等位置的气体浓度进行严格检查，做好实时监测和记录，获取不同气体浓度与采空区发生火灾等级关联性，从而做好预测预防工作。完成工作面回撤工作后，需1.5个月内永久封闭与采空区连通的所有巷道。

5 结语

本文分析了株柏煤矿31306工作面采空区火灾发生的主要诱因，并结合煤矿实际情况，设计了采空区火灾监测系统，对火灾发生前后进行全过程检测；分别有针对性的提出了工作面回采前、回采期间和回撤期间3个阶段的采空区防灭火方法，为本矿区及同类型矿井采空区防灭火提供技术参考和借鉴。