高瓦斯易自燃煤层综合防灭火的防治研究

刘 兴，郝 宇

（1.山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 左权 032600；2.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037）

高瓦斯易自燃煤层综合防灭火的防治研究

刘 兴1，郝 宇2

（1.山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 左权 032600；2.中煤科工集团重庆研究院，重庆 400037）

针对阜生煤矿综采面煤层较厚、瓦斯含量高、煤层含硫量较高等易自燃的特点，采取注氮、注浆为主、预测预报等防灭火技术，保证了综采面的安全回采，为类似矿井防灭火工作提供一定借鉴。

厚煤层；综采工作面；综合防治自燃

20世纪90年代以来，综合机械化采煤作为高产高效集约化矿井的一项重要技术，得到大量推广，随着安全问题逐渐出现；统计资料表明：现有生产矿井中，具有煤层自燃危险性的高瓦斯矿井约占50%。煤矿开采过程中，瓦斯治理与自燃防治是矛盾的，如何针对高瓦斯、易自燃的15号煤层采取综合治理手段，成为矿井安全回采的关键之一[1-3]。

1 矿井及工作面概况

井田东西长约3.0km，南北宽约2.5km，井田面积5.8196km2，批准开采15号煤层，生产规模1.2mt/a。15号煤层位于太原组下段中下部，上距K2灰岩5.97m～12.03m，平均9.46m。矿井通风方式为中央并列式，通风方法为机械抽出式。矿井采用主立井、副立井、排矸斜井兼安全出口进风，回风立井回风，采用局部通风机的工作方法为压入式的通风系统。矿井开采一采区工作面长180m，工作面两端布置回风顺槽和运输顺槽。

矿井15号煤层回采时，平均绝对瓦斯涌出量75.14m3/min,相对瓦斯涌出量19.84m3/t，阜生煤矿属于高瓦斯矿井，15号煤层吸氧量为0.47g/cm3，自燃等级为Ⅱ类，自燃倾向性为自燃煤层；虽然煤中的硫含量不高，但煤层的直接顶和煤层中的含硫量极不均匀，经对煤层直接顶14号、13号层的实验分析，煤中硫含量达到8.48%和12.35%。由于黄铁矿的激烈氧化温度低于煤的激烈氧化温度，且黄铁矿化学反应均是放热反应；故当工作面开采过程中煤层和直接顶中的黄铁矿垮落入采空区后，黄铁矿便在低温阶段发生氧化，因反应放出热量大，可对煤的氧化自燃起促进和诱发作用，很易发生采空区氧化带内煤层自燃[4]。

2 矿井自燃综合防治技术

由于阜生煤矿煤层赋存条件和开采技术特点属于高瓦斯易自燃煤层，单独采取注浆或注氮防治煤自燃，都不能较好达到防治火灾效果。注氮气能将采空区空气惰化到不易自燃的程度，但同时也存在采空区漏风等因素影响，还需采取注浆、喷洒阻化剂等措施综合防治煤自燃火灾。

2.1 注氮防灭火措施

据我国用氮气防灭火的经验，是将采空区防火惰化指标作为氮气防灭火的计算标准。我国煤矿安全规程规定，注氮后采空区氧化带内氧含量应小于7%；应将这一指标作为设计依据，实质是将采空区氧化带内的原始氧气含量降到防火惰化指标以下，并按下式计算注氮流量：

式中：QN为注氮流量，m3/h；Q0为采空区氧化带内漏风量，现取5m3/min；C1为采空区氧化带内平均氧浓度，20%～10%，取18%；C2为采空区惰化防火指标，取7%；CN为注入氮气中的氮气浓度，97%；K为备用系数，一般取1.2～1.5，现取1.3。根据计算，选择的制氮设备产氮量应不低于1073m3/h，并用地面固定式变压吸附式制氮设备。

对于工作面的日常防火注氮采取开放性注氮方式、沿进风顺槽埋管注氮工艺。工作面停采撤架封闭后，向采空区采取封闭注氮工艺，即用埋管注氮工艺对采空区实施注氮气。采空区注氮区域的气体监测，以束管监测系统为主要监测手段，现场人工检测作为辅助手段，监测指标主要包括监测气体的温度，O2、C2H4、CO、CO2等标志性气体的浓度。为便于采空区取气样分析，铺设注氮管路时，同时在进、回风巷各布置束管监测探头，采样探头间距约50m左右。

2.2 注浆防灭火措施

由于矿井附近黄土资源丰富、矿井煤层较厚，依据注浆系统的适用条件采用集中注浆。由于泥浆土水比会直接影响注浆的质量与效果，故随着煤层倾角、注浆方式、处理对象、注浆季节、输浆泵线的不同，对它应作相应改变；采空区注浆，夏季取1∶3，冬季取1∶4。每日灌浆量510.32m3/d。对回采工作面上、下隅角，每隔一定距离进行充填封堵，并及时清理支架间落煤，减少遗煤进入采空区。每天检修班要用不燃物封堵采煤工作面两隅角，及时堵塞漏风通道，并装袋对上、下隅角全断面封堵。

2.3 阻化剂防灭火措施

一般情况下，对采空区采用喷洒阻化剂方式，即可起到预防自燃作用。煤层回采面每次放顶后，要对采空区底板浮煤喷洒阻化剂，一次喷洒量按下式计算：

式中：V为采煤工作面一次喷洒阻化剂的药液量，m3；K1为易自燃部位药液喷洒加量系数，一般取1.2；K2为采空区遗煤容重 (按采区遗煤煤样实测)，1.44t/m3；L为工作面长度，取120m；S为一次喷洒宽带，取1.2m；H为遗煤厚度，取0.2m；A为遗煤吸药量，(在采空区采取煤样，由试验确定)，取 0.058t/t；γ为阻化液容重，取1.1t/m3。

工作面一次喷洒阻化剂溶液量为2.68t。工作面遇构造或设备故障推进缓慢时，每次放顶后喷洒一次，工作面距离停采线100m时开始喷洒。掘进巷道冒高处及巷道局部出现“挂汗”等现象、采用加强通风效果不明显时，根据需要可对冒高处喷洒阻化剂或对周围煤体打钻孔压注阻化剂。

2.4 自然发火预测预报措施

煤自燃的早期预报是矿井防灭火技术的重要环节。根据煤在自然发火过程中生成气体产物的组成、浓度、及其变化速率等特性，确定煤的自然发火进程、并预测煤的自然发火趋势。结合阜生煤矿15号煤层自燃特性实验研究，选用矿井专用气相色谱仪，并配备红外线便携式测温仪，对重点防范区域配备便携式多参数检测器，对重点容易自燃区域进行观测和预报，以便采取相应预防措施。

对采空区埋管抽放瓦斯可能导致的煤自燃，预埋束管进行监测，判断抽放埋管管口附近区域的自燃危险性，也可根据抽放管路中的气体成分变化情况分析，并根据气体指标判定自燃危险性，具体判定标准见表1。并对监测得到的存在自燃危险性的抽放管，采取暂停抽放或降低抽放量措施，并加强连续监测，当回风中出现CO浓度升高达到异常标准时，应采取必要的自燃防治措施，包括不放顶煤加快推进、对工作面减风、加强堵漏风、注氮等采空区自燃综合防治措施。

表1 自燃危险性判断标准

2.5 其他相关措施

（1）加快工作面的推进速度：随着回采工作面的推进，采空区散热带浮煤逐渐进入“氧化带”，此时“氧化带”内浮煤蓄氧自热能力逐渐加强。当工作面推进到某一段距离后，采空区氧化带内浮煤被甩入采空区，此时采空区不会出现煤层自燃。因此，回采工作面保持一个必要的推进度，结合左权矿区经验，设计确定矿井回采工作面月推进度为80m～100m。（2）通风方面的相应措施：由于井下瓦斯浓度高、工作面风量较大，会造成井下漏风严重，引起煤层自燃；因此，工作面风量，在保证瓦斯治理的前提下，尽可能小些，才能确保工作面不发生自燃危险。

3 防灭火的效果考察

煤矿采煤工作面正常回采期间，在回风中检测到CO，一直保持在5PPm～10PPm。在矿井过断层期间，工作面上隅角及回风均有一定升高，通过加强注氮气、注浆等防灭火措施，回风CO浓度控制在保持在20PPm以下，未出现煤层加速氧化现象。CO变化趋势曲线见图1。

4 结束语

针对高瓦斯易自燃矿井，需要采取综合措施解决瓦斯与煤层自燃的灾害发生。尤对含硫量较高的15号煤层，更需注意加强煤层自燃机理研究、以及预测预报防灭火工作，针对煤层开拓开采特点、进行矿井专项防灭火设计工作，实施注氮、注浆、喷撒阻化剂、堵漏风等综合防灭火措施，确保工作面的安全回采。

图1 工作面回风CO变化趋势

[1] 魏恒泰，陶云春.易燃厚煤层开采的防灭火技术与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社.1997.

[2] 刘松，蒋曙光，李亚东，等.高瓦斯自燃矿井的综合治理技术［J］.煤矿安全，2010(7):54－56.

[3] 王长元，王正辉，岳超平.易燃高瓦斯综放面煤层自燃综合防治技术［J］.矿业安全与环保，2007，34(5):56－58.

[4] 姬培玉，冯善钦.贵石沟矿综放开采15#煤层的自然发火及防治[J].煤炭工程师：1998（6）：40-43.

[5] 中华人民共和国煤炭行业标准.煤矿注氮气防灭火技术规范[S].MT/T 707-1997．

Comprehensive Prevention and Control against Spontaneous Combustion in High Gas Coal Seams

LIU Xing1，Hao Yu2
(1.Zuoquan Fusheng Coal Co.,Lu'an Coal Group,Zuoquan Shanxi 032600；
2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology and Engnieer Group Corporation,400037)

Spontaneous combustion is likely to happen in Fushengmine because of some features like thick seam,high gas concentration,and high sulfur content.To guarantee the safe caving,nitrogen injection,grouting injection and forecasting were used,which was valuable for fire prevention and control work in similarmines.

thick seam;fully-mechanized working face;comprehensive prevention and control against spontaneous combustion

TD752.2

A

1672-5050（2012）10-0061-03

2012-05-19

刘 兴（1985—），男，辽宁锦州人，大学本科，工程师，从事矿山通风工作。

刘新光