综放面复杂火区治理及防二次氧化技术应用研究

司卫彬

(1.徐州安云矿业科技有限公司，江苏省徐州市，221008；2.中国矿业大学通风防灭火研究所，江苏省徐州市，221008)

矿井火灾是煤矿生产中的主要自然灾害之一[1]。矿井火灾不仅造成巨大的经济损失，而且严重威胁井下作业人员的生命安全，其常诱发瓦斯、煤尘爆炸，进一步扩大其灾难性[2]。

近年来，我国煤炭资源开采逐步向西北部发展，而西北地区煤炭变阶程度低、自然发火期短、煤层厚但埋藏浅，煤自然发火现象尤为突出[3]。而广泛采用的综采放顶煤技术[4]和瓦斯抽采技术[5]，大幅提高了生产效率和减少了瓦斯涌出量，但也导致采空区垮冒空间大、遗煤多、漏风加剧、回撤耗时长等，易造成采空区遗煤自然发火[6-8]，进而导致工作面被迫封闭，甚至造成重特大伤亡事故。封闭工作面[9-10]会导致采煤装备破坏，煤炭资源浪费，为矿井带来巨大的经济损失和重大的事故隐患，严重制约我国西北部煤炭资源安全高效开发[11-12]。因此，笔者以潞新公司5243综放面末采期自燃火灾防治为背景，开展了火区治理及启封回撤防复燃的技术研究，以保障工作面的顺利启封回撤。

1 火区概况

5243工作面是+580 m水平4号煤层东翼第3个综放面，北邻5242采空区。工作面煤层厚12.0 m，倾角平均9 °，采高2.8 m，放煤高度9.2 m，布置走向长度1 045.0 m，倾斜长度为214.0 m。工作面采用“U”型全负压上行通风；矿井属于高瓦斯矿井，利用回风隅角埋管和回风巷高位钻孔抽放治理瓦斯；4号煤层属Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为41 d，煤尘具有爆炸性。煤层底板以泥岩为主，煤层硬度系数为2.5。

5243工作面在末采收作铺网过程中，在回风巷抽放管路中发现高浓度CO气体(浓度达0.024 3%)，并检测出C2H4等煤自燃高温条件下的指标气体。停抽后，采取灌浆、注液态CO2等防灭火措施，多处架间CO浓度仍呈持续上升趋势，最高达0.420 0%，C2H4含量不断增加，浓度最高达0.002 0%，且有水雾气出现，工作面被迫封闭。为消除采空区高温隐患，在5242、5243工作面保护煤柱内施工了1号防灭火工艺巷，利用该巷向采空区布置灭火钻孔，通过灭火钻孔对回风隅角采空区灌注黄泥浆、铵盐凝胶后，封闭区内CO浓度有所下降，但内部一直存在C2H4等高温指标气体，亟需采取更为有效的灭火措施，消除隐患，恢复生产。

2 自然发火原因分析

(1)综放采空区浮煤多。工作面末采铺网期，顶煤不放落，遗煤增加，形成了两端头及架顶、架后采空区大量的浮煤区域。

(2)采空区漏风严重。工作面临近停采线，煤柱破碎，受本采空区和上部5242采空区多源漏风的影响；工作面抽放管路沿回风巷迈步式预埋在采空区内部，在抽放负压作用下，回风隅角侧采空区形成负压区，采空区漏风量加大，氧化带范围增大。上述条件为采空区遗煤氧化提供充足氧气源。

(3)回采推进速度慢。末采铺网期，推进十分缓慢，推进速度远远小于该最短自然发火期内的安全推进速度，为采空区遗煤氧化蓄热提供充足时间，造成采空区遗煤区域出现自然发火。

根据以上自然发火原因，结合封闭前综合指标气体数据分析认为：因采空区铺网期遗煤量大、漏风严重，末采推进缓慢，耗时长，导致工作面两巷道氧化带及架后3～5 m采空区出现浮煤自然发火。

3 自然发火综合治理

3.1 治理思路

根据对自然发火原因的分析，制定了启封前“惰化抑爆、消除潜在高温”和启封后“防二次氧化、控制气体”治理思路，采取钻孔灌注三相泡沫消除高温隐患，辅以注氮和注液态CO2惰化、降温抑燃，达到火区治理和安全启封的目的，启封后，通过上、下隅角封堵漏风，架间注胶等措施的互相配合，抑制遗煤复燃，保证顺利回撤。

3.2 钻孔施工

利用5242、5243工作面保护煤柱内施工的1号工艺巷、5244回风巷、5243专用回风巷向预测采空区危险区域施工防灭火钻孔，钻孔终点位置依据采空区覆岩三维(采空区自上而下的弯曲下沉带、裂隙带和冒落带，以及采空区走向上的松散区和压实区)分布状态和上覆岩层“两带”的发育最大高度的预测值(约距煤层顶板10～15 m)进行布置，并根据施工现场情况进行参数调整，钻孔布置如图1所示。

钻孔用DN40 mm钢管全程下套管，前端2 m花眼，并在套管与孔壁间下放8 m长的DN15 mm钢管作为注入封孔材料套管，而后注入封堵材料，对切顶线以下钻孔空隙进行灌注封孔，封孔后将钻孔及终孔点的煤体裂隙加压封堵严实，对所有布置钻孔重新采用水泥砂浆或注胶重新封堵。

图1 灭火钻孔布置

3.3 采空区惰化降温

(1)在5243钻孔施工区域破碎煤体锚喷完成后，选取1号工艺巷和专用回风巷内暂未注浆钻孔及回风巷密闭内预埋注氮管路连续注氮，注氮量不小于600 m3/h，通过多源注氮惰化采空区，同时使采空区内部形成相对正压状态，减小了封闭区域的漏风。

(2)通过气体检测异常区域的钻孔，灌注液态CO2，对自燃区域周围煤岩进行降温惰化，同时降低封闭区域内的氧气浓度。根据计算，共向封闭区域注液态CO2约100 t，惰化气量约60 000 m3。

3.4 三相泡沫灭火

三相泡沫是惰性气相、固相和液相的混合物，具有惰性气体的窒息性，黄泥的覆盖包裹隔绝氧气功能和水的吸热降温功能，具有大流量、大体积、易堆积覆盖、易流动的特点，适于扑灭综放大空间火灾，具有高效的灭火特性。

灌注系统采用“井下添加式发泡工艺”，即地面制浆完成后通过注浆管路输送到灌浆区域，在距钻孔灌浆点附近，通过定量添加泵将矿用三相泡沫发泡剂添加到注浆管路中，通过预混合后经过发泡器装置，进行充分混合发泡，然后经分配器连接多个钻孔进行多点灌注，该工艺能有效降低浆压，利于增强发泡效果和加大泡沫产生量。

结合矿井黄土含砂量高的实际情况，黄泥浆的水土比选用5∶1，共向采空区灌注黄泥浆5 000 m3，发泡剂52 t。

3.5 火区治理成效

在各项防灭火措施综合实施后，对钻孔内气体进行连续检测，回风巷密闭墙内及各钻孔内CO、C2H4、C2H6等火灾标志性气体呈快速连续下降趋势，1个月后，自燃隐患封闭区域内的气体成分基本趋于稳定，钻孔覆盖疑似自燃高温隐患区已得到有效治理，封闭区域内的氧气浓度很快降到3.500%以下，CO浓度小于0.001%、无C2H4和C2H2，墙内水温21.3℃左右，低于原始地温。

4 启封后防二次氧化

工作面启封后，需要铺网推进10 m至停采线后才能开始回撤，为防止在此期间采空区发生复燃，采取了封堵漏风、多源注氮惰化与注三相泡沫覆盖相结合的防二次氧化措施。

4.1 封堵漏风

(1)上、下端头封堵。为减少采空区漏风，降低采空区氧气含量，在上、下隅角切顶线位置每隔2.4 m构建1道挡风墙，并在挡风墙外挂挡风帘。

(2)注胶堵漏。工作面启封后，在进、回风巷超前支护段10 m位置的顶板和回风巷上帮侧施工注胶钻孔，通过注胶钻孔注胶封堵裂隙，减少采空区漏风。

4.2 多源注氮惰化

在铺网推进期间，注氮管路采用“U”型布置，沿工作面倾向在支架后尾梁敷设1趟注氮管，注氮管上开Φ15 mm花眼，注氮管路与回风巷和进风巷的注氮管路进行连通，随工作面推进注氮管路进入采空区5 m后，开始对采空区不间断注氮。

在工作面回撤期间，通过铺网推进期间布置的“U”型注氮管路和防灭火钻孔，向采空区不间断灌注氮气，特别是在回撤支架的过程中，为防止掩护支架后部垮落浮煤因回撤速度慢导致的氧化，随着支架的回撤，利用掩护支架后部约10 m位置对应的1号工艺巷钻孔跟进式注氮，注氮量不低于600 m3/h。

4.3 灌注三相泡沫防复燃

(1)高位灌浆钻孔灌注。工作面启封后，在回风巷煤层顶板施工高位灌浆孔，孔间距5 m，钻孔施工深度以见矸为准，下设套管长度大于6 m，待高位灌浆钻孔进入采空区3 m后，开始灌注三相泡沫对采空区浮煤覆盖包裹和对上隅角附近顶板裂隙进行封堵，消除潜在遗煤氧化威胁。

(2)灭火钻孔补充灌注。支架回撤过程中，因支架的移动，采空区将会再次漏风供氧，可能导致采空区浮煤氧化复燃，为保证支架的顺利回撤，利用1号工艺巷防灭火钻孔，对上隅角20 m范围及支架后出现的氧化异常区域和采空区垮落浮煤进行跟踪式灌注三相泡沫，实现对采空区遗煤的动态阻化覆盖，消除潜在的局部遗煤氧化及复燃。

(3)架间钻孔灌注。回撤过程中，为避免钻孔无法覆盖部分高温区域，工作面回撤设备时，在上、下端头的3架支架间各施工1个钻孔，工作面中间段每隔5架支架施工1个钻孔，向采空区灌注三相泡沫，保证回撤的顺利进行。

5 结论

(1)灭火钻孔内大量三相泡沫的灌注，包裹覆盖了采空区的高位松散煤体，有效地控制了火势的发展，起到了快速降温阻化的作用；泡沫破灭后，黄泥覆盖在松散煤体上，减弱了煤与氧气的接触，减少了煤氧复合，同时也封堵了煤体裂隙，减少了采空区漏风。

(2)封闭采空区大量多源注氮气，提升了封闭区内部的压力，形成相对正压状态，在惰化采空区的同时减少了采空区漏风。

(3)大量注入液态CO2，起到了快速降温、惰化、抑爆的作用，也延缓了遗煤的自燃，为火区启封创造条件。

(4)启封后采取封堵漏风、注氮惰化和注三相泡沫覆盖相结合的防复燃措施，有效防止了启封后遗煤二次氧化，确保了工作面回撤工作的顺利进行。