煤层自燃防治技术

姜海峰，董 登，张宝军，石文斌

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 兖州 272102）

0 引言

据有关部门统计，近年来煤层自燃引发的火灾事故占我国的矿井火灾的90%左右，煤层自燃导致的煤矿火灾每年多达300多次，尤其是一些易燃煤层，不仅造成大量煤炭损失，还给国家造成严重的环境问题。在煤层自燃过程中，煤层在燃烧过程中会随着煤层的燃烧产生大量的有毒有害气体，例如：二氧化氮（NO2）、氢气（H2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）等。损伤井下工作人员的身体健康。更严重的是，煤层自燃易导致矿井瓦斯爆炸事故，严重影响矿井正常生产。我国大多数煤矿采用井下开采方式，由于煤层地质条件、回采技术及工作面布局的不同，形成了多种不同的开采技术，使煤矿燃烧的环境条件大不相同。所以为了能够更加有效的控制煤层自燃所带来的影响，就应该从它的本质上加以研究，加以防治，只有这样才能来防止煤层的自燃。

1 煤层自燃的原因以及影响因素

1.1 煤层本身自燃性

煤炭本身具备可燃性。再加上煤炭中的孔隙与裂隙也有吸附氧气的性质。这代表煤更容易被氧化，产生大量热量。而煤层是密闭环境，导致热量大量聚集，温度升高，在有氧条件下，会发生自燃。但由于不同煤层自燃性并不相同，吸附氧气的能力也有强弱之分。在煤矿实际生产中，通过测量煤层氧化难易程度，来确定煤层自燃危险程度。通过检测结果，制定对应危险程度的相应预防措施，可以极大的降低自燃可能性。

1.2 工作面推进对自然发火的影响

矿井工作生产过程中，技术人员经过长期观察发现采空区温度、工作面推进距离和漏气量之间存在联系，在采煤过程中随着工作面的不断推进，采空区里的温度会随着采煤工作面的不断推进而发生着变化，这种变化一般分为三种不同的带，即散热带、氧化带以及窒息带。在矿井工作面顺利推进过程中，因为会发生氧化作用，这使处于支架顶梁和支架背面的松散煤长时间未被加热。当煤层并未达到可以自燃程度时，随着采煤工作面的不断推进将尚未达到自燃临界点的煤抛入窒息带。如果工作面不能顺利进行推进，位于架后的煤将会发生氧化导致升温。经过长期的蓄热，很容易导致自燃事件的发生。

1.3 部分地区防火措施不到位

煤矿施工过程中，安全措施应比其他建设工程更重要。少数煤矿企业只注重眼前利益，无视防火等安全体系的重要性，不定期进行防火检查。忽视该工作的重要性，从而造成潜在的危险，一旦发生自燃事件，往往会造成更大的经济损失和人员伤亡。

1.4 工作面开采布局不当造成自然发火

受断层切割及地面搬迁影响，工作面布置造成孤岛工作面，形成三面沿空的工作面，加之较大断层连续贯穿相邻工作面，极易造成沿空侧工作面及自身采空区漏风，加大了自然发火的危险系数。

1.5 停采不当、防火措施不及时造成自燃

工作面停采线处于应力区，顶板破碎，停采难度大，停采切眼顶、帮破碎，空隙大，漏风量大；顶、帮疏松，停采注浆封堵措施无法奏效或防灭火措施落实力度不够，时间延长，造成自燃；停采创条件不当造成的后序撤除难度大，工期长，远大于煤层的自燃发火期，导致自燃。

2 煤层自燃预测

1）确定煤层自燃倾向，有利于更好地防治煤层自燃。在特定条件下，不同种类的煤着火点不尽相同。研究发现，从无烟煤到褐煤,其着火点越来越低,自燃倾向性就愈高。

2）经过研究表明，当煤层发生自燃现象时，燃烧产生的生成物中检测到的一氧化碳的最低温度在60～70℃，当自燃发生后温度达到160～190℃时，此时已有非常多的一氧化碳了，一氧化碳是煤层自燃所特有的气体。可以准确反映煤层的自燃情况。在井下，对CO检测相对容易。所以想要预测煤层自燃情况，可以检测煤层中所含CO的浓度，并结合煤层中其它气体的检测结果，以此来判断煤层是否处于自燃发火期。

3 防火技术措施

3.1 预防性灌浆防治技术

预防性灌浆就是将水和黄土通过一定的比例混合配置成浆，利用一些特殊的方式将其注入到采空区等可能会发生自燃发火的区域，以此来防止煤层自燃的发生。当工作面既有下分层工作面，又要分层开采时，必须向工作面采空区注入黄泥浆。要制作黄泥浆，水与黄泥之间的比例要低于5∶1，并保持每天至少有一个班的人进行采空区的灌浆工作。浆液能对采空区遗煤进行覆盖和包裹，大大减少遗煤和氧气的接触面积，且浆液中有大量水分可以吸收带走煤在氧化过程中产生的热量，防止升温，达到防自燃效果。灌浆过程中，应该采用少量多次的方法。但这种技术也有很大的问题:万一操作失误，经常会出现工作面跑浆的状况，对整个开采过程会产生严重影响。

3.2 三相泡沫技术

三相泡沫防火技术，主要以黄泥覆盖、瓦斯膨胀和水的吸热和冷却性能来进行煤层的防火控制。三相泡沫防火的技术原理是在发泡剂和空气压力的双重作用下，可以产生黄色的泥浆，让这些气泡覆盖整个喷射面积。首先，注射区的空气被隔离，以便更好地灭火。同时，黄泥产生的泡沫更容易堆积，可以熄灭采空区的所有着火点。三相泡沫防火的主要过程如图1所示。

图1 三相泡沫防火的主要过程

3.3 架间注浆快速防灭火技术

架间快速注浆防灭火技术主要是利用快速推进工作面之间的支撑和及时填充三相泡沫，使泡沫迅速覆盖采空区中的漂浮煤，减少煤与空气的接触面积，降低煤的氧化速度，从而扑灭火灾源。在实施灌浆和防火的过程中，可以同时在框架内钻多个孔，同时灌浆多个孔。也可以少量多次进行灌注，直至将所有的孔都充填满为止，通过这样的方法来迅速扑灭采空区里的火灾。钻孔布置可按下图所示。

图2 钻孔布置图

3.4 边采边注防自燃发火技术

边采边注防自燃技术是主要应用在沿空工作面、孤岛工作面、断层切割程度大的工作面及易保留浮煤的生产工作面中的一种技术，即在与工作面平行的采空区内预先埋设注浆管，边采边使用埋在巷道内的管道对采空区或沿空侧旧采空区进行注浆。边采边注可有效控制那些煤层自燃性高的工作面作业时发生的自燃事故，可以高效的保障煤矿安全生产。

3.5 均压通风技术

均压通风防火技术主要是通过在工作面回风巷建设通风设施，减少实际通风压差，进而有效控制漏风量，使采空区形成的实际自燃区缩小到最远的范围。可能使窒息带尽可能向前移动，消除氧源，从而抑制自燃现象。

3.6 压注高分子新型材料防治自燃

随着材料合成技术的发展，对适合阻燃、密闭性的高分子材料，诸如固邦特、马丽散、水玻璃等矿用高分子材料，通过专用液压泵对采空区、沿空侧采空及停采线或停采工作面进行压注，对局部高温点、封闭堵漏或停采工作面的初期防灭火针对性效果良好。此种技术应用防火效果明显，而且工作量较小，工作面还能正常生产，所需钱财也较小。碳酸氢铵和硅酸钠(其水溶液即水玻璃是其主要原料)。水玻璃在化学凝胶中约占3%-9%，碳酸氢铵约占3%。成胶所需时间随促凝剂含量的增多而减少。如果需要快速将采空区或者工作面等发火点进行控制并且需要采煤工作面顺利推进，那么应用该灭火技术可以先在大巷将胶体配置在输送到采煤工作面或采空区，以此来达到快速灭火的效果，从而使工作面顺利推进。

3.7 聚氨酯喷涂防治技术

聚氨酯喷涂技术对沿空侧的巷道进行封闭、堵漏效果很好。聚氨酯喷涂主要以阻燃剂、发泡剂、异氰酸酯、催化剂、多元醇聚醚等物质作为原材料。这些物质中异氰酸酯被称为黑料，是一种独立的组分。其余称为白料。在生产时，只有两种材料可以等量混合搅拌。生产过程非常简单，生产时间很短。实际运用中，黑料和白料被专用泵一起注入充填位置，会发生剧烈化学反应产生大量泡沫填充裂缝并凝固下来，防止漏风。

3.8 惰化防灭火技术

惰性防火灭火技术多用在工作面停采后，对封堵采空区实施的防治手段。其实就是将惰性气体通过一些技术手段将气体输送到采空区里以此来隔绝或降低采空区里含氧量，有效阻止煤炭自燃。目前，惰化防火灭火技术不仅具有惰化特性，而且具有冷却效果。对煤矿本身的污染相对较弱。厚煤层分层或采全高开采大多采用该技术。惰性气体能够充满整个采空区和厚煤层工作面，惰性气体不仅能够断绝大型明火与可燃气体的接触，而且还能够有效的预防隐藏的火源，从而达到防火灭火的效果。

3.9 工作面两端头施工隔离垛技术

工作面推出切眼后，分别在进、回风隅角施工一道厚度不小于3m的隔离垛（见附图），隔离垛要接帮接顶，外挂铁丝网，根据现场气体情况，可喷涂封堵材料，最大限度封堵漏风通道，减少向采空区漏风供氧。

图3 端头隅角隔离垛充填封堵示意图

工作面开始推进后，必须保持连续生产，月推进速度不得低于80m，每推进50～30m在工作面进、回风隅角端头各施工一道隔离垛墙，隔离垛必须接帮接顶，厚度不低于3m。

当工作面月推进速度小于80m时，缩短在工作面进、回风隅角施工隔离垛墙的间距，可根据现场情况，对隔离垛喷涂封堵材料，最大限度封堵漏风通道，减少向采空区漏风供氧，并立即对开切眼、隔离垛后采空区进行注浆或压注阻燃材料。

4 结束语

煤层自燃防治是一件需要所有矿井工作人员认真对待的事情。防治煤层自燃要做好多方面的准备，一方面要从根本上懂得煤炭为什么会自燃即煤炭自燃的原理，另一方面要总结在原有灭火的方式方法基础上研究更加有效的灭火技术，从而降低煤炭自燃的发生。通过介绍当前国内煤层自然发火的治理方法以及各种灭火工艺的适应性、治理效果，为选用煤层自燃防治技术提供依据。在实际应用中要根据火区实际情况选用适当的防灭火技术与工艺进行综合治理，才能达到预期的目标。