千米深井防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

李星坤

（山東能源臨礦集團(tuán)古城煤礦，山東 濟(jì)寧 272100）

古城煤礦井田面積16.66km2。3#煤為主采煤層，平均厚度8.49m。由于煤層埋藏較深現(xiàn)開(kāi)采深度已達(dá)-1200m，煤層具有自然發(fā)火傾向，礦井的自燃最短發(fā)火期52d，實(shí)際揭露最短發(fā)火期為48d。沖擊地壓、地溫、自然發(fā)火等影響因素給煤炭生產(chǎn)帶來(lái)一定困難。

1 煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體

在正常氧濃度(21%)下，CO首次出現(xiàn)的溫度為56.4℃，濃度為1.21ppm，76.5℃以前，CO濃度增加比較緩慢，76.5～108.8℃溫度時(shí)，CO濃度表現(xiàn)出加速之勢(shì)頭，134.5℃后CO濃度的增加表現(xiàn)出急劇上升的趨勢(shì)。C2H4首次出現(xiàn)的溫度為108.8℃，163.3℃以前，C2H4濃度增加比較緩慢，278.5℃增至最大，其濃度為43.6ppm。C2H2首次出現(xiàn)的溫度為 278.5℃。因此，煤層自然發(fā)火應(yīng)以CO、C2H4作為主要指標(biāo)。

2 古城煤礦發(fā)火特點(diǎn)

（1）突發(fā)性：緩慢氧化階段顯現(xiàn)不明顯，進(jìn)入加速氧化階段時(shí)才檢測(cè)到發(fā)火征兆。監(jiān)測(cè)過(guò)程中沒(méi)有顯現(xiàn)高溫發(fā)熱征兆（煤體導(dǎo)熱性差），無(wú)明顯風(fēng)流通道難以監(jiān)測(cè)到CO（內(nèi)部發(fā)火區(qū)域的CO需靠風(fēng)流通道帶出），直接出現(xiàn)煙霧的發(fā)火現(xiàn)象。

對(duì)2107上軌道聯(lián)絡(luò)巷（斷層附近）頂板冒煙原因分析，因斷層裂隙出現(xiàn)通道，巷道左幫出現(xiàn)高溫氧化現(xiàn)象，雖然氣體檢測(cè)工發(fā)現(xiàn)了煤體表面溫度有所上升，但無(wú)CO溢出，還未采取處理措施，在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了冒煙現(xiàn)象。

（2）隱蔽性：綜采放頂煤工作面上下端頭、切眼、停采線附近遺留碎煤，以及受斷層和采動(dòng)影響，采空區(qū)內(nèi)煤巖渾沌、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)火區(qū)域難以定位。2103面推進(jìn)30m左右時(shí)，切眼附近出現(xiàn)高溫發(fā)火，在治理過(guò)程中只能判斷大體區(qū)域，鎖定不到發(fā)火點(diǎn)，隱蔽性強(qiáng)。

（3）治理難度大：采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)發(fā)火點(diǎn)后，現(xiàn)有鉆孔工藝在采空區(qū)破碎煤巖體難以達(dá)到有效防治目的，無(wú)法點(diǎn)對(duì)點(diǎn)處理，只能針對(duì)發(fā)火區(qū)域治理，擴(kuò)大了治理范圍，治理效果不明顯。

（4）CO涌出持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)：采空區(qū)內(nèi)一旦出現(xiàn)高溫氧化，生成大量的CO等氣體，由于采空區(qū)CO氣體消除慢，沿漏風(fēng)通道（架間、回風(fēng)隅角）向外擴(kuò)散的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成回風(fēng)巷CO超標(biāo)。

3 不同時(shí)期不同地點(diǎn)的發(fā)火原因分析

（1）回采工作面開(kāi)采前

回采工作面開(kāi)切眼跨度較大，一般在6m以上，且施工結(jié)束后煤體暴露時(shí)間較長(zhǎng)，頂部煤體受壓易產(chǎn)生松動(dòng)離層，離層區(qū)容易發(fā)生煤炭自燃，開(kāi)采前必須進(jìn)行防火處理，例如，2202工作面安裝完后約6個(gè)月未回采，60#架至74#架頂出現(xiàn)高溫點(diǎn)。

（2）回采工作面正常開(kāi)采期間

因沖擊地壓影響，加強(qiáng)了工作面順槽支護(hù)，采用錨桿加錨網(wǎng)索支護(hù)，兩順槽很難及時(shí)冒落，易形成漏風(fēng)通道，造成采空區(qū)遺煤氧化。

（3）回采工作面特殊開(kāi)采期間（過(guò)斷層）

當(dāng)工作面過(guò)斷層等特殊開(kāi)采期間直接影響工作面的推進(jìn)速度，此階段是回采工作面采空區(qū)防滅火的關(guān)鍵，如3201面過(guò)斷層期間采空區(qū)回風(fēng)隅角出現(xiàn)CO，并伴有煤油味等發(fā)火征兆。

（4）回采工作面停采撤面期間

根據(jù)多年撤面時(shí)間統(tǒng)計(jì)，回采工作面自造條件開(kāi)始到回撤完畢具備永久封面條件，其時(shí)間一般為35～40d，最多 60d。

在這期間工作面停止推進(jìn)，若不采取相應(yīng)的防火治理措施或治理不當(dāng)，采空區(qū)浮煤、支架附近碎煤氧化，可能發(fā)生煤炭自燃事故。如1315面、2108面等，在撤面過(guò)程中均出現(xiàn)高溫氧化現(xiàn)象。

（5）工作面過(guò)聯(lián)絡(luò)巷防火

因生產(chǎn)通風(fēng)需要，在工作面進(jìn)回風(fēng)巷之間開(kāi)一條或多條聯(lián)絡(luò)巷，待回采經(jīng)過(guò)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)，由于聯(lián)絡(luò)巷停放時(shí)間長(zhǎng)，受高地溫，高地壓影響，以及防沖措施的限制，人員不能進(jìn)入進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)聯(lián)絡(luò)巷的防火提出更高要求，例如2102工作面過(guò)聯(lián)絡(luò)巷時(shí)出現(xiàn)煤炭高溫氧化。

（6）沿空送巷防火

古城煤礦部分地點(diǎn)采用沿空送巷布置工作面，對(duì)原采空區(qū)以及正在回采的采空區(qū)防火治理尤為重要。

（7）高冒區(qū)、離層區(qū)防火

由于受地壓影響巷道頂板煤炭破碎，產(chǎn)生裂隙形成供氧通道，如果散熱不及時(shí)，很可能造成發(fā)火現(xiàn)象。11021面掘進(jìn)期間巷道頂部出現(xiàn)高溫氧化。

4 綜合治理措施

4.1 工作面回采前治理

在工作面切眼每隔20～30m打眼（眼深不小于6m）下套管敷設(shè)束管，定期（每隔7d）通過(guò)束管取樣色譜分析束管內(nèi)的氣體成分，當(dāng)發(fā)現(xiàn)CO異常時(shí)立即對(duì)煤體實(shí)施打眼注水。

具體是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，利用手持式氣動(dòng)風(fēng)鉆打眼至煤層頂板插入注水管，封孔器封孔，封孔深度不小于3m，注水孔間距控制在2～3m，利用靜壓水（壓力不小于4MPa），注水量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況充分濕潤(rùn)煤體即可。對(duì)于切眼高冒破碎區(qū)采取先注水后壓注泡沫材料充填相結(jié)合的防火措施。

4.2 回采工作面正常開(kāi)采期間治理

回采工作面正常開(kāi)采期間要保持均勻連續(xù)推進(jìn)，月推進(jìn)度不得少于50m，同時(shí)隨著工作面的正常推進(jìn)，在工作面的進(jìn)回風(fēng)隅角每隔10～15m分別構(gòu)筑擋風(fēng)墻。

采用塑料編織袋裝滿碎煤、報(bào)廢的風(fēng)筒、購(gòu)進(jìn)阻燃泡沫等材料，在兩隅角靠近關(guān)門柱處自下而上構(gòu)筑。要求寬度不小于0.5m，垛密垛實(shí)從而起到減少漏風(fēng)，控制采空區(qū)浮煤氧化的目的。

4.3 過(guò)斷層期間治理措施

當(dāng)工作面過(guò)斷層等特殊開(kāi)采期間直接影響工作面的推進(jìn)速度，此階段是回采工作面采空區(qū)防滅火的關(guān)鍵。具體防火措施如下：

（1）在進(jìn)風(fēng)隅角向采空區(qū)預(yù)埋注氮管路，埋設(shè)深度20～30m最佳。

（2）在上下隅角每隔5m垛袋，掛金屬網(wǎng)噴賽德3號(hào)高分子防火材料構(gòu)筑擋風(fēng)墻。

（3）保持通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，在保證安全情況下，適當(dāng)減少工作面配風(fēng)量。

（4）保證月推進(jìn)度不低于40m，將采空區(qū)浮煤氧化帶甩入窒息帶。

4.4 回采工作面停采撤面期間治理

根據(jù)多次撤面發(fā)火經(jīng)驗(yàn)得知，歷次發(fā)火隱患位置都是架頂碎煤和尾梁后6m左右碎煤氧化，如防火治理不及時(shí)可能導(dǎo)致煤炭自燃。

（1）工作面造條件上網(wǎng)階段前(接近停采線約10m)，停止放頂煤。其作用主要是保證頂板、頂煤的完整性，不存在破碎狀態(tài)。

（2）調(diào)整回撤面通風(fēng)系統(tǒng)，適當(dāng)減少工作面供風(fēng)量。工作面配風(fēng)量按正常生產(chǎn)時(shí)的50%風(fēng)量進(jìn)行配風(fēng)，降低進(jìn)回風(fēng)之間的壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)，減少采空區(qū)氧化帶范圍，從而起到抑制采空區(qū)浮煤氧化作用。

（3）保持回撤期間通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，避免風(fēng)量忽大忽?。ɡL(fēng)箱現(xiàn)象）。其典型案例是1122面在回撤期間在回風(fēng)側(cè)設(shè)置單道行人風(fēng)門，因頻繁開(kāi)啟造成工作面風(fēng)量忽大忽小，出現(xiàn)拉風(fēng)箱現(xiàn)象，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)煤炭氧化，CO升高，經(jīng)封堵、注氮等治理措施后，將發(fā)火隱患解除。

（4）提前在進(jìn)風(fēng)隅角向采空區(qū)埋設(shè)注氮管路（20～30m最佳），工作面一旦停止推進(jìn)，立即向采空區(qū)注氮，惰化氧化帶氣體成分，抑制采空區(qū)浮煤氧化。

（5）端頭堵漏。工作面進(jìn)入造條件開(kāi)始，縮小兩端頭擋風(fēng)墻距離，支架停止推進(jìn)后，及時(shí)在采面兩端頭按標(biāo)準(zhǔn)要求垛袋子掛金屬網(wǎng)噴涂艾格勞尼或SPA-4高分子防火材料構(gòu)筑擋風(fēng)墻，進(jìn)行封堵采空區(qū)，減小采空區(qū)漏風(fēng)。

（6）架間及架后循環(huán)壓注MAB防火劑。這是回撤期間最根本的防滅火治理措施。工作面造條件一旦結(jié)束，立即組織每隔2架在架間及尾梁上打眼，打眼方向控制在20°～35°之間,打眼深度不少于6m，封孔深度不小于3m。利用高壓移動(dòng)注漿泵和Φ25mm高壓膠管通過(guò)插入煤體中的注水花槍或注水封孔器向架間及尾梁上循環(huán)壓注MAB防火劑，使架間及尾梁上向采空區(qū)方向6m范圍內(nèi)煤體始終處于充分濕潤(rùn)狀態(tài)，起到防火降溫作用。

（7）加強(qiáng)回撤期間防火監(jiān)測(cè)監(jiān)控。工作面停止推進(jìn)后，自端頭開(kāi)始，每隔15～20m在架間向頂部煤體打眼（深度不少于6m）并套入檢測(cè)束管，孔口用黃矸封嚴(yán)封實(shí)不漏風(fēng)，利用束管檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，動(dòng)態(tài)掌握工作面氣體變化情況，發(fā)現(xiàn)異常立即采取相應(yīng)措施進(jìn)行治理。

（8）利用熱成像儀對(duì)工作面溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)溫度升高地點(diǎn)進(jìn)行防火治理。

（9）每天將各地點(diǎn)氣體溫度繪制曲線圖，隨時(shí)掌握各地點(diǎn)氣體、溫度變化情況及時(shí)采取針對(duì)措施。

（10）若架頂煤體比較破碎，通過(guò)循環(huán)壓注MAB防火劑后CO濃度沒(méi)有明顯減小時(shí)，必須采用封堵和壓注MAB防火劑相結(jié)合的治理方法。具體是在架頂架后打眼利用多功能泵壓注充填泡沫材料（羅克休、賽德等）形成臨時(shí)擋風(fēng)墻，然后再輔以壓注MAB防火劑進(jìn)行綜合治理。

（11）采煤工作面回采結(jié)束后，必須在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行永久封閉。

4.5 工作面過(guò)聯(lián)絡(luò)巷防火治理

（1）過(guò)聯(lián)絡(luò)巷期間必須提前對(duì)煤體實(shí)施打眼靜壓或高壓注水處理。

（2）必要時(shí)對(duì)聯(lián)絡(luò)巷封閉，埋設(shè)注氮管路進(jìn)行注氮處理。

（3）對(duì)聯(lián)絡(luò)巷提前布設(shè)束管，氣體檢測(cè)到位。

4.6 沿空送巷防火治理

（1）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)：在巷道內(nèi)每隔50m向采空區(qū)打眼埋設(shè)束管，利用黃矸將孔口封嚴(yán)密實(shí)，通過(guò)束管取樣色譜分析采空區(qū)氣體成分，隨時(shí)掌握采空區(qū)氣體變化情況。

（2）沿原采空區(qū)采用噴涂SPA-4防火新型材料進(jìn)行封堵，具有高膨脹率、用量小、反應(yīng)速度快、很好的抗壓能力、不受煤炭變形影響等，且現(xiàn)場(chǎng)易操作，具有良好的堵漏風(fēng)效果。

（3）注漿注氮治理：利用原采空區(qū)密閉措施管路或沿原采空區(qū)每隔100m施工措施孔，向采空區(qū)注氮或注漿治理等措施。

4.7 高冒區(qū)、離層區(qū)防火治理

利用熱成像儀每周對(duì)全煤巷道進(jìn)行溫度檢查，對(duì)檢查出的高溫點(diǎn)進(jìn)行防火處理。一是打眼注水降溫；二是壓注凝膠、MAB防火材料，包括碎煤隔絕氧氣，延長(zhǎng)氧化時(shí)間；三是利用賽德、羅克休等高分子材料封堵供氧渠道，使高冒區(qū)的氧含量減少。

5 結(jié)束語(yǔ)

古城煤礦通過(guò)分析不同地點(diǎn)不同條件的發(fā)火特點(diǎn)，采用針對(duì)性的綜合防滅火技術(shù)，取得了預(yù)期效果，為同類條件下礦井防滅火工作積累了經(jīng)驗(yàn)，有一定的借鑒指導(dǎo)意義。