基于厚煤层开采临近老空区高温火灾治理的探索

王开胜， 孟文锋， 刘 鑫

(1.山东能源枣矿集团柴里煤矿，山东 滕州 277519； 2.陕西天润中恒科贸有限公司，陕西 西安 710043)

1 国内防灭火研究现状

煤炭资源是保障我国能源结构安全稳定的基础，在我国能源结构中占70%。我国煤炭资源丰富，但同时也受开采条件和赋存环境的严重制约。我国的煤炭赋存地质条件复杂、具有自然倾向性的煤种比重大，容易发生严重事故。煤自燃是矿井开采和生产过程中的重大灾害之一。煤的自燃主要是因为煤能够进行低温氧化，产生热量且由于煤是不良热导体，低温氧化的热量容易积聚致使煤温持续升高，继而引发煤自燃。煤自燃不仅威胁着矿井工作人员的生命安全，还造成了大量的煤炭资源浪费，且对环境造成了诸多污染。探索煤自燃特性和如何防治煤自燃是相关专家和工作人员研究的重点。邓军等(2017)利用程序升温装置，研究了煤样在升温后降温过程中气体产生情况及变化规律。梁浦浦等(2018)利用热重实验和程序升温实验研究了含水量对煤自燃特性的影响。张嬿妮等(2018)测定了不同煤层的煤自燃特性的异同点。肖旸等(2018)研究了离子液体阻化剂对煤自燃的抑制作用。

近年来，随着矿井煤炭资源的减少、开采深度和开采强度不断增大，影响煤层自燃发火的环境条件也日趋增多，加之由于生产任务重，许多采煤工作面被迫布置在火区周围，导致采煤工作面自燃发火威胁越来越大，防治工作越来越困难。老矿区由于煤自燃形成的火区限制了大量煤炭资源的正常开采，特别是对于厚煤层开采临近老空高温区的矿井尤为严重。当厚煤层开采临近老空高温区时，需要对受老火区影响而没有开采的区域进行重新探测评估，同时采用合适的方法进行火区治理，确保将有限的资源安全采出。因此，对厚煤层开采临近老空高温区火灾治理方法的探索研究不但是重要的安全问题，同时也是社会经济问题，并且越来越紧迫和必要。满文华等(2013)对中厚煤层开采防治火灾技术进行了探讨，认为在易自燃的中厚煤层的开采中，通过优化开拓布局，采用合理的开采方法，完善的火灾预报系统，合理的堵漏风防灭火措施，阻燃技术的综合运用，能够防止火灾的发生。宋双林等(2015)针对屯宝煤矿采空区的遗煤在可能存在漏风通道的情况下易发生氧化自燃的实际问题，提出了先采用示踪气体测定漏风通道，根据测定结果实施封堵漏风通道措施，再通过采空区注氮、预防性灌浆及打钻灌注防灭火材料等综合技术措施来防治采空区遗煤自燃。杜海刚等(2015)为了解决高瓦斯易自燃近距离特厚煤层上覆老空区在下部回采中浮煤自燃的问题，通过对采空区自然发火危险致因分析及防灭火技术研究，识别采空区危险特征，提出了优化采空区注氮释放口位置，建立采空区层间漏风协调均压防治技术及上覆老空区多点预埋灌浆防火技术等综合防治技术。张祎等(2012)分析了影响采空区煤自燃的关键因素，提出了以大流量灌注三相泡沫大范围覆盖浮煤为主、均压堵漏及加快工作面推进速度为辅的煤自燃综合防治措施，有效治理了综放工作面的煤自燃火灾。

本研究项目提出在厚煤层分层开采临近高温区在复杂火区条件下对临近工作面安全回采进行系统研究，提出解决思路和技术措施，具有一定的创新性和较好的社会经济效益。

2 矿井及自然发火工作面概况

2.1 矿井概况

山东枣庄柴里煤矿经过多年开采，矿井内采空区多、联络巷多。当没有做喷浆处理或防火处理的老空区漏风后，容易形成火灾，特别是老空高温区，矿井中各煤层之间、同一煤层开采过的区域均存在老空高温区。2016年10月经鉴定，主采第三煤层自燃倾向性为II级自然发火矿井。

山东枣庄柴里煤矿开采的易燃厚煤层，具有较强的自然发火倾向性。通过对历次自燃火灾综合分析表明，3煤层统计自燃发火期为35 d。建矿以来，已发生煤自燃火灾40余起。在统计的43起自燃火灾中，一水平35起，占81.4%，二水平8起，占18.6%。目前残存的老火区有3203、3205、23101、23103、2320、23304、23306、23307、23309、23400、23402、23403、23409等火区。目前柴里煤矿火区压煤约200余万吨，治理高温火区、解放火区压煤成为柴里煤矿生产接续至关重要的一项工作。因此，必须利用先进的技术手段，对老空区隐蔽火源高温自燃区域进行治理，解放该区域周边储量，为今后火区治理提供有力的技术基础，保证矿井生产接续稳定。

2.2 自然发火工作面概况

柴里煤矿23下306综放工作面位于233采区中部，北为23下305工作面采空区，南为23下307工作面采空区，如图1所示。工作面通风方式采用U型通风，采用走向长壁式综放开采工艺。根据三煤层自然倾向性鉴定报告：三煤层属易自燃煤层，自然最短发火期35 d。本分层采放3下煤，一分层已停采；二分层23下306工作面发火后，烧至23下306溜子道出现高温烟雾，有毒有害气体浓度过高，临时采取封闭措施。

3 老空区高温火区形成原因及分布

3.1 老空区高温火区形成原因

轨道巷于2016年8月2日排放气体后开始掘进，运输巷于2016年5月31日开始掘进。由于23下306工作面二分层掘进运输巷时，因23下306运输巷与23下307轨道巷相邻，且23下306运输巷在23下307泄水巷上方跨过，23下307泄水巷被压垮变形和密闭受压破损、漏风，致使23下307泄水巷与其采空区堆积的破碎煤体供氧、蓄热，在23下306西面溜子道距溜煤眼以东出现CO浓度快速升高、附近温度逐渐升高现象。不同时间下23下306工作面CO浓度如表1所示。

3.2 老空区高温区分布情况

在本分层掘进期间，运输巷在巷道施工至535棚后，揭露上分层采空区，巷道空气温度逐渐升高，其中585棚、635棚等揭露采空区的区段，顶板温度35 ℃；掘进至切眼顶板矸石温度达到42 ℃，迎头施工钻孔内温度达到52 ℃；在切眼掘进过程中顶板煤壁温度最高达43 ℃。2018年6月11日巷道温度如表2所示。

表1 23下306工作面CO浓度数据采集表

表2 巷道温度采集表

23下306工作面存在火区隐患多，治理难度大。该工作面西段出现火灾后，由于无法采取直接灭火措施，只能采取封闭窒息，造成火区产生的热量无法释放，采空区温度高，热量向四周扩散，发火范围扩大。二分层运输巷中部溜煤眼以东出现自燃火灾，采用灌浆灭火后，二分层东部火区得以控制并恢复生产，轨道巷掘进时顶板为采空区老塘，且浮煤较厚。东部二分层停采撤除时，由于撤除条件差且时间长，封闭时就出现CO气体。本分层工作面北为23305采空区，南为23307采空区，受相邻采空区影响，防灭火难度较大。

4 老高温区治理措施

发生火灾后通常采取的方法是控制火势蔓延，加快推采速度，将火区甩到窒息带。这种方法没有影响本工作面的开采，但升温区的热量很难快速散失，在很长时间内保持比周边温度高。已发火区域产生的高温将附近水分蒸发，大部分易挥发物质挥发，因此这些区域遇到氧气后很容易发生二次火灾。

4.1 一分层停采线高温区治理(本分层切眼)

23下306工作面切眼是在一分层停采线前部布置，在掘进施工及开采过程中受到采动动压较大，特别是在23下306工作面开采初期，由于巷道压力大，顶板破碎，部分巷段已与一分层采空区沟通，在23下306工作面切眼掘进及工作面初采期间在两巷监测到CO，且有连续增加的趋势，顶板煤壁积热氧化，淋水温度达到43 ℃，通过在23下306轨道巷隅角打钻孔探温取样分析，钻孔内CO浓度为1 260×10-6，温度为46 ℃。通过对现场周边情况判断及取样分析，综合判断高温点隐患位在一分层停采线。

为确保工作面能顺利推采，采用CO浓度与注氮气联动的方法治理火区，具体措施为：一是在轨隅角向一分层停采线施工2个Φ 42 mm压浆孔，向一分层停采线采空区内进行压注凝胶；二是本分层初采切眼与一分层停采线相邻，受上分层老火区影响，在切眼掘进过程中顶板煤壁温度最高达43 ℃，迎头施工钻孔内温度达到52 ℃，故对切眼每隔15棚施工4个Φ 42 mm压浆孔，施工后先进行注水，后接压浆管路进行压注凝胶。

通过采取上述防灭火措施，该区域CO浓度呈快速下降趋势，最终趋近于零，并长期保持稳定状态。

4.2 CO浓度与注氮气联动治理火区

采空区CO探头将探测到的CO浓度传输到信号处理器，信号处理器将探测到的数字信号转换为数值，由浓度显示器显示出来。信号处理器将探测到的高浓度CO对应的电磁阀打开，使N2由此管路注出(CO浓度低的区域不打开)，高浓度的N2可以稀释O2浓度，并阻止氧气向高温区扩散。当此区域CO浓度降低后，信号处理器通过电磁阀关闭此处注氮管路，打开探测到的最高CO浓度区域电磁阀，对此高温点进行抑制。依此循环注氮，实现CO浓度和注氮联动的方式治理升温区域。

4.3 小裂隙区域低压注水

小裂隙区域出现升温现象后，CO浓度随之迅速升高，采用高压注水方式，水流容易挤压并冲刷裂隙表面，部分细小颗粒被冲走，形成的大裂隙使水大量流失，很难扩散开来，只能使很小区域的温度降低，且停止注水后，形成的大裂隙更容易形成漏风通道，二次发火可能性增加。低压注水可以使水流充分扩散开来，覆盖更大的升温区域，使注入的水有更长时间的吸热机会，节约了用水量，降低了火区温度，降低了二次发火的可能性。高低压注水方式优劣比较如表3所示。

表3 高低压注水方式优劣比较

4.4 二分层停采线对老空高温区治理(轨道巷钻机窝)

在二分层工作面停采撤除时，二分层停采线处由于撤除条件差、回撤时间长，封闭时就出现CO气体。

采取措施：一是在生产技术科的大力支持下，由综掘一队在轨道巷施工至二分层停采线时，施工了钻机窝；二是在钻机窝内施工了5个Φ 42 mm防灭火钻孔，1#～3#孔终孔位置在二分层停采线内，4#～5#孔终孔位置在一分层采空区内；三是利用钻孔对二分层停采线及一分层采空区进行压注凝胶，超前降温，确保回采过程中的防灭火安全。

4.5 二分层中部溜煤眼处老高温区治理(轨道巷415～545棚段)

该段巷道为二分层运输巷中部溜煤眼老高温区，在二分层开采期间，溜煤眼以东出现自燃火灾，消除后二分层东面得以生产，但该段巷道在掘进期间，巷道顶板漏顶，特别是溜煤眼处与上分层采空区沟通，漏风通道发育，极易出现复燃。

采取措施：一是对该段揭露溜煤眼巷道进行了喷堵，隔绝了漏风供氧；二是对老溜煤眼前后揭露上分层假顶段每10棚施工2个Φ 32 mm降温孔，定期对钻孔进行取样分析；三是利用施工的降温孔，对该段巷道进行降温注水，湿润巷道顶部煤体，消除老高温区。

4.6 一分层采空区治理(轨道巷帮孔)

23下306工作面上分层西段出现火灾后，由于无法采取直接灭火措施，只能采取封闭窒息，造成火区产生的热量无法释放，整个工作面采空区内温度高，给安全生产带来了隐患。

采取措施：一是在轨道巷每隔40棚向上分层采空区施工一组Φ 42 mm压浆孔；二是在轨道巷敷设一路防灭火管路至切眼，同时在两巷留设风水阀门，以便打钻、注水使用；三是对施工的钻孔按组进行接孔，随工作面推采进度逐段进行压注凝胶、注三相泡沫。

5 治理过程中取得的成果

为确保工作面防灭火安全，做了大量防灭火工作，轨道巷施工Φ 42 mm注浆孔76个，切眼及两隅角施工Φ 42 mm注胶孔84个，切眼及轨道巷使用胶凝剂13 t，压浆32 000余方。在高温治理过程中，对工作面不同高温地点进行准确分析，通过对上分层采空区大面积漏风通道供氧和钻孔探温数据的分析，制定不同的治理措施，积极创新防灭火手段，科学有效地治理不同位置的高温点。

在老高温区治理过程中，运用了多项创新成果，其中长距离注胶工艺，实现了凝胶机与注胶地点最远1 200 m注胶工艺，避免与生产运输交叉作业的问题；防灭火钻孔一孔多用，既能解决排水问题，节省了排水工作量，同时又能起到对上分层采空区及煤壁降温防灭火的作用，达到了一孔多用的效果；采空区气体超限自动注氮系统，实现采空区内CO浓度达到或超过上限值时，实现自动注氮气，达到防灭火措施瞬间联动的效果。采空区温度超限自动注水系统，将钻孔内植入温度传感器探头，当钻孔内温度达到或超过设置的温度上限时，安全监控系统对供水阀门进行远程控制，打开水管的电磁阀，向钻孔内实施自动注水，从而达到降温注水的效果。防灭火钻孔低压注水技术，改变以往大水量注水方式，采用低流量、低水压的注水方式，使注入煤体的水在较小压力的作用下逐渐渗入煤体，实现不间断注水和长期保持煤体湿润的预期效果。

6 结论

通过对老高温火区自然发火区域的分析判断，找出了火区位置，提出了治理措施。运用一孔多用措施预先注水快速降温、注胶和排水，用氮气抑制火区发展，为采用注凝胶、注胶体高分子灭火剂及注三相泡沫提供充足的时间保证。创造性地将胶凝剂添加距离提高到1 200 m，并防止了注浆管路堵塞的可能，使胶凝剂的添加距离根据巷道实际情况有更多的选择可能性，并创造性地运用了CO浓度与注氮气联动、注水系统与温度检测联动、低压注水等方法，为火区的防治提供了技术积累，为矿井安全生产提供了有力的保障。