綜放工作面自燃發(fā)火防治技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用研究

徐 宏，魏國山，路 鵬，高 坤

我國煤礦火災(zāi)十分嚴(yán)重，每年都會造成重大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，而煤礦火災(zāi)中90%以上又是煤層自燃火災(zāi)［1］。鐵法礦區(qū)煤層主要以長焰煤、氣煤為主，煤層自燃發(fā)火期一般為1～3個月，最短20 d，煤層自燃發(fā)火現(xiàn)象比較嚴(yán)重，礦區(qū)現(xiàn)有8個生產(chǎn)礦井，所開采煤層均有煤層自燃發(fā)火危險。近年來，隨著厚煤層綜采放頂煤技術(shù)的推廣，煤炭的產(chǎn)量大幅度提高。同時由于放頂煤工作面的開采強(qiáng)度大、采空區(qū)遺留殘煤多、采空區(qū)冒落高度大、采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，給礦井防治自燃發(fā)火工作帶來了新的問題。多年來，鐵煤集團(tuán)在放頂煤工作面防滅火技術(shù)研究與實踐方面做了大量卓有成效的工作，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，為礦區(qū)安全生產(chǎn)及和諧發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。

1 綜采放頂煤工作面自燃發(fā)火情況

鐵法礦區(qū)現(xiàn)有大興礦、大隆礦、大平礦、小康礦采用綜采放頂煤開采技術(shù)，在開采過程中各工作面上隅角及采空區(qū)不同程度出現(xiàn)過一氧化碳濃度超限現(xiàn)象，大興礦曾因一氧化碳濃度超限現(xiàn)象封閉過兩個綜放工作面。

1．1 綜采放頂煤工作面自燃分析

任何一種煤都存在煤氧復(fù)合放出熱量的屬性，只是不同的煤其煤氧復(fù)合能力和產(chǎn)生熱量能力差別較大。煤氧復(fù)合過程中能否引起自燃取決于煤體的放熱和散熱，當(dāng)熱量產(chǎn)生速率大于散熱速率時，煤溫上升就會自燃［2，3］。鐵煤集團(tuán)綜采放頂煤工作面由于回采巷道沿煤層底板布置，巷道頂部留有一定厚度的煤炭，受采動壓力影響易產(chǎn)生破碎;在開采過程中采空區(qū)殘留有一定數(shù)量的煤炭，因此，回采巷道及采空區(qū)均存在一定的自燃發(fā)火危險。

1．2 綜采放頂煤工作面易自燃發(fā)火部位分析

1)煤層巷道頂部及兩幫。

綜采放頂煤工作面順槽巷道沿底板布置，巷道頂部煤層受礦壓和采動影響，易破碎離層;有些巷道煤層在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)冒頂形成空洞區(qū);因此，巷道頂煤自燃發(fā)火危險較大且高溫點比較高［4］。

2)工作面前后端頭。

綜采放頂煤工作面運(yùn)回順巷道頂煤在回采前破碎區(qū)已受到長時間的氧化，煤體溫度升高，由于前后端頭頂煤放出率低，該頂煤垮落采空區(qū)后，會產(chǎn)生4～6 m寬的丟煤帶，采空區(qū)這2條遺煤帶相對其他地點溫度更高，自燃發(fā)火隱患較大。

3)開切眼。

從工作面貫通到工作面安裝、初采需經(jīng)歷一段時間，開切眼頂部及兩幫煤體氧化時間長，易產(chǎn)生自燃發(fā)火。

4)采空區(qū)。

綜放工作面在開采過程中，采空區(qū)留有一定量的浮煤，易產(chǎn)生自燃發(fā)火。

5)停采線附近。

當(dāng)接近停采線時，有時為了撤架而不放頂煤，使得采空區(qū)留有大量浮煤，而撤架時間又較長，使采空區(qū)浮煤自燃性增強(qiáng)。而且臨近停采線時開采速度慢，也增加了自燃發(fā)火的危險性。

2 防治自燃發(fā)火思路及相應(yīng)技術(shù)

綜采放頂煤工作面防治自燃發(fā)火是一個系統(tǒng)工程，根據(jù)以往專家學(xué)者的經(jīng)驗，防火措施主要從設(shè)計、工作面配風(fēng)量、煤氧接觸、降低空氣中含氧量、控制煤體溫度等方面入手［5］。鐵煤集團(tuán)在多年防滅火實踐的基礎(chǔ)上形成了一整套自己的預(yù)防自燃發(fā)火的技術(shù)措施。

1)抓好工作面設(shè)計環(huán)節(jié)。

綜放工作面進(jìn)行設(shè)計時，根據(jù)地質(zhì)條件綜合考慮防治瓦斯、防火兩個方面因素，合理選擇工作面巷道參數(shù)。合理地布置巷道，有條件的要設(shè)計施工瓦斯抽采巷道、消火道。

通過對大興礦N2701工作面和N2705工作面開采過程中的瓦斯涌出量、推進(jìn)速度、風(fēng)量、抽放量、一氧化碳濃度等情況進(jìn)行分析比較，見表1，可以看出工作面長度對工作面安全回采，尤其是防火管理有很重要的作用。在工作面設(shè)計時，應(yīng)充分考慮工作面參數(shù)對瓦斯涌出量、配風(fēng)量、抽放量、工作面回采速度等影響因素。

表1 N2 701工作面和N2 703工作面參數(shù)對比

2)合理配風(fēng)，提高工作面瓦斯抽采率。

鐵煤集團(tuán)綜放工作面均采用“U”型通風(fēng)方式，要加強(qiáng)工作面瓦斯抽采力度，最大限度抽采瓦斯，工作面配風(fēng)要在滿足瓦斯治理的前提下盡量減少風(fēng)量，降低工作面兩端壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)，這是綜放工作面防火技術(shù)的首要前提條件。

3)運(yùn)輸、回風(fēng)順槽兩巷噴、注水泥砂漿封閉處理。

小康礦、大平礦屬軟巖礦井，煤層自燃發(fā)火期短，暴露的煤炭和空氣接觸極易產(chǎn)生自燃發(fā)火，小康礦在投產(chǎn)初期煤層巷道發(fā)生過多起自燃發(fā)火事故，經(jīng)多年開采實踐，形成了一整套軟巖支護(hù)技術(shù)及防滅火技術(shù)，即在掘進(jìn)施工過程中對工作面運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽兩條煤巷中對所暴露煤壁進(jìn)行噴、注水泥砂漿處理，使煤壁和空氣隔離，同時對噴漿層內(nèi)部注白泥、羅克修等防滅火材料，解決了煤層巷道自燃發(fā)火問題。此項技術(shù)已經(jīng)推廣到集團(tuán)公司其他礦井。

4)工作面上下隅角用不燃性材料進(jìn)行封堵，減少向采空區(qū)漏風(fēng)。

工作面每完成一次作業(yè)循環(huán)對上下隅角進(jìn)行一次封堵，封堵材料為珍珠巖粉或矸石。另外要求在保證安全的條件下及時卸下上下隅角頂部錨桿、錨索托盤，保證上下隅角冒落充分。

5)對工作面上下隅角及采空區(qū)進(jìn)行充填河沙。

根據(jù)工作面具體情況決定充填步距，在運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽及架間預(yù)埋管路，通過預(yù)埋管路向采空區(qū)充填注沙。工作面正?；夭蓵r充填步距為30～50 m且只對上下隅角進(jìn)行充填注沙。因放長假工作面停產(chǎn)時需對上下隅角及架后采空區(qū)進(jìn)行充填。充填河沙時可以添加適量的三相泡沫。

6)兩巷煤層頂部及兩幫注凝膠、封堵劑及白泥防火。

加強(qiáng)兩巷煤層頂部及兩幫煤體溫度的檢查，預(yù)埋溫度傳感器，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施進(jìn)行處理，采用注凝膠、封堵劑及白泥的防火措施，以減少與氧接觸的破碎煤體。

7)采空區(qū)注氮。

氮?dú)獾臍怏w性質(zhì)不活躍，屬于隋性氣體，是空氣中的主要成分，具有不可燃的特性，采空區(qū)注氮可以降低采空區(qū)內(nèi)氧氣的濃度，同時氮還具有冷卻降溫的作用，可以有效地防止采空區(qū)留煤自燃。目前，鐵煤集團(tuán)大興礦、大隆礦均建有地面固定式制氮機(jī)廠房，制氮能力為2 000～3 000 m3/h，工作面注氮方式采用埋管、托管連續(xù)注氮方式，注氮量為1 000～3 000 m3/h，工作面埋管間距一般為30 m。

注氮口位置的選擇：基于煤氧復(fù)合學(xué)說，采取向工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)注入一定流量的氮?dú)?，降低該帶?nèi)的氧氣含量，達(dá)到破壞煤炭自燃的一個要素，使其氧含量降到煤自燃臨界值以下，達(dá)到了防止煤自燃的目的，因此，將注氮口位于采空區(qū)氧化帶內(nèi)。根據(jù)每個工作面采空區(qū)“三帶”測試結(jié)果來決定注氮口具體位置，見表2。

表2 大興礦N2 705、小康礦S2 S2工作面三帶測試結(jié)果表

8)煤體兩巷注水降溫。

在運(yùn)輸順槽及回風(fēng)順槽兩巷中用風(fēng)煤鉆向兩巷頂板、兩幫煤層打鉆注水，既可以實現(xiàn)軟化煤體、降低煤塵，也可以使煤體降溫，控制煤體溫度在著火點以下，避免氧化升溫的煤炭進(jìn)入采空區(qū)，從而減少自燃發(fā)火隱患。

9)放頂線噴霧降溫或噴灑阻化劑，后部運(yùn)輸機(jī)尾安設(shè)噴霧裝置。

在低位放頂煤支架后部的天窗上裝設(shè)噴霧裝置，通過該噴霧裝置可以對冒落的頂煤和采空區(qū)留煤進(jìn)行除塵和濕潤處理;或者在工作面支架的架間噴灑阻化劑(主要成分為MgCl2)，當(dāng)工作面采過該位置后，阻化劑可以有效地抑制采空區(qū)留煤的升溫自燃。

10)采空區(qū)注漿。

在工作面兩順向采空區(qū)預(yù)埋注漿管路，通過管路向采空區(qū)注黃泥或白泥漿，達(dá)到包裹浮煤及降低采空區(qū)浮煤溫度的目的。也可以在工作面附近相鄰巷道向采空區(qū)施工鉆孔，利用鉆孔進(jìn)行注漿。

3 綜放工作面綜合防滅火的幾個環(huán)節(jié)及建議

1)合理選用綜放支架，應(yīng)采用頂煤冒放性好的支架。這樣既可提高煤炭回收率，減少煤炭資源的浪費(fèi)，又可避免采空區(qū)遺煤多，從而降低采空區(qū)遺煤自燃的危險，切實保障安全生產(chǎn)。

2)應(yīng)抓好綜合防滅火技術(shù)措施的執(zhí)行和管理。在正常生產(chǎn)過程中，應(yīng)該按照作業(yè)規(guī)程和措施嚴(yán)格執(zhí)行。

3)應(yīng)抓好工作面基礎(chǔ)參數(shù)的測試工作。加強(qiáng)基礎(chǔ)參數(shù)的測定工作，工作面在開采過程中要進(jìn)行工作面兩端壓差、采空區(qū)“三帶”測試，掌握“三帶”寬度，為采取注氮防火做好基礎(chǔ)工作。

4)學(xué)習(xí)推廣防火新技術(shù)。通過學(xué)習(xí)、引進(jìn)國內(nèi)外在防火方面的新技術(shù)，豐富礦區(qū)防火手段。

4 結(jié)論

通過分析煤炭自燃的原因，指出了綜合機(jī)械化開采放頂煤工作面自燃的原因及位置，同時在防滅火經(jīng)驗的基礎(chǔ)上對防滅火的技術(shù)措施進(jìn)行了重點說明，指出了防滅火的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對今后綜采放頂煤工作面綜合防滅火提出了建設(shè)性意見，對其他具有相似狀況的礦區(qū)在防滅火方面具有一定的參考價值。

［1］ 王德明．礦井火災(zāi)學(xué)［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008：86－87．

［2］ 徐精彩．煤自燃危險區(qū)域判定理論［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2001：8－9．

［3］ 王省身，張國樞．礦井火災(zāi)防治［M］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990：25－27．

［4］ 付永水，李建新．義馬礦區(qū)煤層自燃發(fā)火防治技》［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，1990：88－89．

［5］ 梁云濤，羅海珠．中國煤礦火災(zāi)防治技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢［J］．煤炭學(xué)報，2008，33(02)：126－130．