煤矿孤岛煤柱掘进回采综合防灭火技术的应用

摘要：针对开滦集团蔚州矿业公司单侯矿5104N工作面从掘进、回采直至回撤封闭期间存在自燃风险这一情况，本研究借助先进的技术手段，在对矿井进行安全监测的基础上，对煤矿孤岛煤柱掘进、回采、收尾、回撤和封闭等工艺环节采取了相应的自燃发火预防措施。经实践，此项技术应用达到了预期的防灭火效果，可为此类情况提供有价值的参考。

关键词：煤矿；孤岛煤柱；防灭火技术

DOI：10.12433/zgkjtz.20233437

单侯矿井田位于河北省张家口市蔚县涌泉庄乡和南留庄乡之间，地处蔚县矿区的南部。本区地形为北高南低的山前平原，海拔高度+950m～+1170m。北西向冲沟密布，最深可达15m。蔚县煤田西部，煤层埋藏较浅，早在宋朝就有小煤矿开采，至今已有七百年的开采历史。市属煤矿有西细庄、郑家湾、玉峰山等煤矿，县属煤矿有水西矿及南留庄等煤矿。目前，矿井的北邻煤矿有公司已建成投产的崔家寨矿井和崔家寨原井田内众多的小煤矿，西部有南留庄煤矿，东部为北阳庄井田。

根据蔚县矿区邻近生产矿井的瓦斯资料，各矿均属低瓦斯矿井。在地质勘探过程中采取的煤层瓦斯样，CH4最高含量为0.38mL/g.r，故设计确定本矿井属低瓦斯矿井。勘探过程中进行的大量测温工作证明，本井田内无地温异常区，也无地温超过31℃的高温区，故本矿井开采工程中无热害区存在。

开滦集团蔚州矿业公司单侯矿的5104N工作面为五煤首采区最后一个工作面，东为5105N工作面，西为5103N工作面，目前都已结束回采。5104N工作面为孤岛煤柱掘进、回采，工作面与采空区保护煤柱为10m，煤炭自燃发火为二类自燃发火，为确保工作面的安全开采工作，需要做好回采的防灭火安全措施。

一、矿井地质概况

开滦集团蔚州矿业公司单侯矿井田内第四系厚度75～330m，由北向南逐渐增大，分为全新统、上新统马兰组和下新统泥河湾组。岩性：全新统为卵砾石及砂土堆积物；更新统上部为风积黄色亚粘土、冲、洪积砂土、亚粘土间夹砾石薄层和透镜体；下部为浅灰、灰褐、绿灰色亚粘土间夹粉砂砾石薄层及砖红色亚粘土间夹砂砾石薄层；近底部为亚粘土与砂砾石互层。

单侯矿井田的构造形态总体上呈一宽缓不对称的向斜，并在此基础上发育多个次级向、背斜构造，呈波状起伏，地层走向曲折多变，一般倾角为5～15°，区内断层发育，有近南北、北东和北西向三组断层。以正断层为主，并发育有较大的逆掩断层，使煤层（地层）大面积重复。

根据煤层的赋存厚度和分布区域，矿井的主要开采煤层为6、5、1号煤层。此三层煤的开采范围较大，除局部区域的煤层厚度小于1.5m外，大部分较适于进行综合机械化开采，是矿井进行经济性开采的储量保证，其余煤层虽然厚度达到了可采厚度要求，但由于其煤层厚度较小，煤层生产能力较低，受地质构造和煤质特点的影响，开采的经济性较差。

二、单侯矿5104N工作面采煤工艺

5104N工作面主要采用走向长壁综合机械化采煤法，一次采全高。走向长度1870.3～1842.6m，倾斜长144.2m，煤层最大厚度5.4m，最小厚度3.1m，平均厚度4.5m。工作面进回风巷及切眼沿煤层顶底板布置。循环方式为沿工作面采煤机每割一刀煤，即完成割煤、移架、移溜等工序为一个循环；通风方式为工作面通风方式为U型通风，工作面需风量计算为961m3/min。

该工作面建立了注浆管路系统，注浆材料采用粉煤灰，地面制浆站制浆能力为65.5m3/h，灰浆比为1：5。注浆管路采用108mm铁管，在低洼处设置三通放水阀门，用于注浆后清理管道。在回采过程中，注浆管的末端铺设到距离采空区20m的位置，端口接软管到工作面，随工作面的推进回撤管路。

三、综合防灭火技术的应用

孤岛煤柱在掘进、回采过程受相邻工作面采空区动压影响较大，主要表现为巷道两帮部分煤体破碎、部分地点裂隙发育，向巷中鼓起形成网兜，风流通过裂隙后形成微风，进入煤体后氧化产生热量且不易扩散，容易造成煤体自燃。上述自然发火隐患自5104N工作面巷道从掘进至100m到回采直至回撤封闭期间一直存在，隐患存在时间约为2年。针对上述自燃发火隐患，具体采取的防止自燃发火的安全技术措施如下：

（一）安全监测系统保障

安全监测系统由KJ83N（A）矿用本安型安全监控分站、KDW660/21B矿用隔爆兼本安型稳压电源、通讯控制器和系统软件KJ83N（A）安全监测管理系统组成。煤矿安全监测系统分站是对现场传感器、设备、断电器等进行数据采集的装置。

结合单侯矿的实际情况，安全监控系统主要实现的功能和相关的性能指标如下：第一，在分站至中心站数字化传输的基础上，将传感器（模拟量）至分站升级为数字传输，实现安全监控系统的数字化，促进智能传感器发展。第二，实现分级报警功能，根据毒害其他的浓度及持续时间、范围及通风机故障等设置不同的报警级别，实现分级响应。第三，实现地面与井下的有线和无线网络传输融合技术以及实时监控与GIS技术的有机融合。第四，系统中的主干网络、分站至主站、传感器至分站等通讯及传输均采用先进的工业以太网，无线网络传输采用无线传输采用WiFi、RFID等传输通道，系统改造后支持数据联网并能够按照省煤监局要求的数据格式进行上传。第五，全监控系统具有大数据的分析与应用功能，伪数据标注及异常数据分析，给出数据分析和统计报告，根据采掘变化结合监测数据分析瓦斯、CO未来趋势，并对风险值较高地点预测及时报警。第六，在5104N工作面进回风巷巷口往里10～15m安设CO传感器并往后每隔500m安设一个CO传感器直至5104N工作面上下超前支护位置。对巷道实施CO实时分段在线监控，缩小隐患分析判断范围，及时发现CO异常区域。

（二）热成像仪系统排查

YRH300本质安全型红外热成像仪是用来，在区域发生煤炭自燃前，利用红外热成像技术将煤层表面的温度变化情况通过图像形式呈现，以此发现高温区域，采取预防措施。

井下回采工作面或个别巷道受动压影响巷道变形、煤体裂隙发育，容易造成煤体高温自燃，对井下防火带来安全隐患，影响矿井正常生产。采用红外成像技术及红外测温技术相结合的方式，从面到点地检查隐患区域的温度变化，对高温地点及时做好预测预报工作，提前对高测地点进行处理，防止煤体自燃。

利用热成像仪定期对5104N工作面区域进行全面排查，重点排查地点为：巷道内煤体破碎严重、裂隙发育、出现网兜区域；巷道内煤体裂隙内温度超过28℃区域；巷道内煤体裂隙内一氧化碳浓度超过24PPm区域；巷道内煤体低洼或突起，容易形成窝风的区域。

（三）预防性注浆

对巷道两帮进行预防性注浆。利用风钻配套使用42mm钻头及钻杆钻孔注氯化镁阻燃剂与水泥混合浆液，钻孔深度1.8m，眼距为1.5～2m，角度向下不小于10°，注浆液采用风动注浆泵通过注浆封孔器注入浆液，注完浆液孔口用木塞封堵，如表1所示。混合浆液的配比浓度为氯化镁15%～20%，水泥5%，提前制作好配比浆液专用工具，浆液未渗透区域必须采取补钻孔加注的补充措施。对重点隐患区域注入浆液后加喷MT防火材料。钻孔注浆技术参数如表1所示。

1.注浆方法

第一，注浆前，井上注浆工必须检查砂浆池过滤网是否完好，如果不完好，及时维修或更换。

第二，掌握好浆液浓度，及时清理过滤网处的杂物和大块，不得堵塞过滤网，否则暂停注浆工作，待处理好后，继续进行注浆工作。

第三，井上注浆工在注浆前必须和井下注浆人员电话联系，听从井下专责注浆人员指挥，做到要水给水，要浆给浆，密切协调好井上下注浆工作。如果是间断性注浆，工作结束后，要及时用清水冲洗注浆管路，冲洗时间不少于30min，填写注浆日志，向通风区调度站和值班人员汇报。如果是连续性注浆，班末时填写注浆日志，向通风区调度站和值班人员汇报，并认真落实现场交接班制度，上一班人员向下一班人员交待清楚注浆量、注意事项等。

2.注浆管路布置

注浆管路由地面注浆站从回风井至回风井底，再由回风井底延至各采区回风巷，直至各回采工作面。从地面注浆站至各采区集中回风巷安设专用注浆管路，主注浆管路直径不小于分支管路。输送倍线系数计算为倍线系数=井下注浆路线管路长度/地面与井下水平垂直落差。

3.注浆措施

注浆前疏水和注浆后防止溃浆、透水的措施为：第一，注浆前，在注浆密闭前设置水窝，完善排水系统，注浆过程中及时排水。第二，在密闭外侧打设不少于3道防止溃浆的墙垛，墙垛高度不少于密闭高度一半，厚度不少于37cm。第三，封闭注浆区域为水平区域时采用分次注浆，待粉煤灰沉淀、完成排水后再进行注浆，防止溃浆或透水事故发生。通过以上注浆措施可确保5104N工作面注浆系统的可靠完善，同时在设计停采线往采空区方向，随着5104N工作面回采在进、回风巷预留40m的注浆管，预留管路沿巷道底板敷设，注浆管接口不安装密封圈，以防止5104N工作面采空区出现高温时及时的进行注浆。在断层丢煤区段预埋设直径30mm的胶管，在断层丢煤开始位置，工作面沿下山方向埋设第一根，每推进5m，相隔5m埋设第二根，直到断层结束。

（四）工作面封闭后防火措施

由于客观原因5104N工作面进行收尾、回撤完毕最后进行封闭，历时5个月，远超《煤矿安全规程》第二百七十四条规定。经商讨研究在收尾时安排生产单位在5104N工作面回风巷非采面侧设计停采线位置各施工规格为3m×4m×5m的钻窝，由地测防止水服务中心负责对5104N工作面进、回风巷非采面侧保护煤柱钻窝内进行打钻，每个钻窝处设计打设注浆孔6个，钻孔深度分别为10m、20m、30m，每种深度的钻孔各2个，同一深度的钻孔沿工作面走向对称分布，其中10m深度的钻孔与工作面走向水平角度为38°，垂直角度为8°，20m深度的钻孔与与工作面走向水平角度为21°、垂直角度为4°，30m深度的钻孔与与工作面走向水平角度为14°，垂直角度为3°。5104进风巷与原5105进风巷联巷处设钻点，打设注浆孔6个，深度分别为65m、55m、45m，其中，65m钻孔水平角度为2.5°、垂直角度为1.2°，55m钻孔水平角度为3°、垂直角度为1.3°，45m钻孔水平角度为4°、垂直角度为1.5°。具体位置及钻孔设计方向、深度如表2所示。打钻完成后由通风区在钻孔内注入防灭火材料发泡水泥，防止保护煤柱发生火灾事故。

（五）采空区管理

第一，按正常速度回采，满足采空区标志性气体CO符合规定的浓度，严防CO气体浓度呈上升趋势，回采期间正常推进速度不得低于作业规程规定的速度，回采单位在工作面试采、回采期间严禁丢浮煤，清理干净浮煤，对因地质条件变化的地带造成丢浮煤的，要对采空区煤体采取喷洒阻化剂措施，防止煤炭自燃。

第二，加强防火预测预报分析工作，每7天对上隅角气体情况进行取气样化验分析。每班由瓦斯检查员负责检查两次上隅角及回风流中CO气体、温度情况，发现异常及时汇报，并及时采取有效措施。

第三，工作面在收尾工作时，制定专门的收尾安全措施，确保尽快回撤设备和封闭采空区，防止煤炭自燃。

第四，不能直接灭火时，应立即予以封闭。封闭前，必须撤离封闭区内的所有人员。

第五，在5104N工作面回撤完毕后，通风区对5104N工作面进、回风巷两个出口施工土垛密闭，厚度规格为100cm，土垛要求加设措施管及观测管。在此基础上，对两个出口施工永久密闭规格为50cm，密闭外喷浆，要求加设措施管及观测管，留反水池。

四、结语

（1）在掘进过程中，巷道回风口往里10～15m位置CO浓度达15ppm，气体来源是煤壁破碎氧化产生的CO，温度较高，达到25℃，需要每班排查高温点，发现高温点后由专人按措施处理。

（2）5104N工作面走向1870.3～1842.6m，工作面掘进期间采用28kW大功率局部通风机通风，确保工作面降温、稀释CO浓度和人员用风量满足要求。

（3）5104N工作面在回采过程中，严格控制推进度，确保每月推进度不小于120m。

（4）5104N工作面在回采期间，每天对回采工作面上下两巷超前20m将要进入采空区的巷道进行高温点排查，防止有高温点的巷道进入采空区。

（5）5104N工作面回采结束收尾前离停采线至少30m要保持不丢顶煤。保持通风系统稳定，5104N工作面风量稳定在960m3/min左右，不能出现较大波动，直至回采收尾结束。

通过采取一系列的防灭火预防措施防止5104N工作面在掘进、回采、收尾和回撤封闭过程的煤层自燃发火，为单侯矿的安全生产提供有力的安全保障。目前来看，此项技术取得了良好的防灭火效果和经济效益，在自燃发火煤矿具有推广与应用价值。

参考文献：

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作者简介：章少峰（1967），男，安徽省枞阳县人，通风安全工程师，主要研究方向为矿井一通三防管理。