东川煤矿回采工作面下分层开采防火技术

王启宇，刘小新

(陕西秦安煤矿安全评价事务有限公司，陕西 西安 710001)

0 引言

火灾是矿井的主要灾害之一，据不完全统计，中国有自然发火危险的矿井占60%以上，而内因火灾即煤自燃火灾在矿井火灾事故中所占比例高达到90%以上[1]。破碎堆积的煤体经过氧化吸附产生热量，当热量得以积聚就会形成自燃火灾，由于自燃火灾的产生是一个发展缓慢的过程，因此可以在煤形成自燃火灾早期进行预测预报，提前采取措施消除自燃火灾隐患。而如果一旦形成火灾，火灾形成的位置又经常位于人们难以进入的采空区等区域，而无法准确实现火源定位，这时灭火非常困难。所以内因火灾的预防很重要，目前矿井内因火灾的预防措施主要有：灌浆、注惰性气体、喷洒阻化剂、注水、注凝胶和三相泡沫等[2-4]及新型的注液态CO2[5]。东川煤矿为特厚煤层，采用分层开采技术，当回采至下分层时煤层自燃的可能性较大，必须同时预防上、下分层的火灾，因此矿井采用了顶部采空区漏风通道封堵、顶部采空区顺槽侧注复合胶体、顶部采空区注氮、巷道破碎煤体注阻化剂等预防上分层火灾的措施与工作面两道封堵、灌浆、喷洒阻化剂、注氮等预防下分层火灾相结合的措施，达到有效预防煤层自燃的目的。

1 矿井及工作面概况

东川煤矿位于陕北侏罗纪煤田神北矿区大海则井田东北角，距神木市约35 km，矿区范围由13个拐点坐标圈定，开采深度+995～+1 160 m，矿区面积11.230 3 km2。矿井目前开采5-2号煤层，煤层可采厚度6.39～9.18 m，平均厚度8.09 m，井下布置1个5103下分层综采工作面，工作面位于一盘区，上部为已回采结束的5103上分层综采工作面采空区，其上下分层工作面基本对应，下分层工作面略小于上分层，下分层开切眼和停采线均位于上分层对应的切眼和停采线以内。5103工作面煤层厚度6.75～8.45 m，平均7.60 m，其中上分层回采厚度3.4～3.8 m，下分层回采厚度2.8～3.2 m。5103下分层综采工作面长200 m，推进度长度1 696 m，采高3.0 m，采用长壁综合机械化分层铺底网采煤工艺，全部垮落法管理顶板。

2 下分层开采顶部采空区及巷帮防火措施

下分层工作面部分巷道较为破碎，由工作面及顺槽通往顶部采空区的漏风裂隙较多，故在下分层工作面准备期间，漏风就有可能引起顶部采空区自燃。此外，下分层采空区氧化带范围大，煤氧化时间长，自燃危险大。

2.1 顶部采空区漏风通道封堵

由下分层顺槽通往顶部采空区的探放水钻孔、监测钻孔、注胶钻孔应封堵严密，避免钻孔漏风引起顶部采空区自燃。检查巷道顶部破碎带裂隙，如存在裂隙漏风点，则向裂隙处顶部采空区打钻，灌注快凝水泥浆进行加固和堵漏，亦可向上部采空区注复合胶体，进行堵漏防火。检查地面漏风裂隙，较大漏风要用黄土覆盖封堵。

2.2 顶部采空区顺槽侧注复合胶体形成隔离带

上分层采空区顺槽处有大量松散煤体，有自燃危险。为防止其自燃，开采下分层时，向上部采空区注粉煤灰复合胶体，形成防火隔离带。

胶体隔离带灌注工艺及其间隔：由下部工作面顺槽向顶部采空区每隔100～150 m施工一个钻孔，钻孔与煤层夹角为45°左右，终孔位于上部采空区底板以上50～100 cm，距离煤帮3 m左右处，如图1所示。

图1 自下分层顺槽向顶部注复合胶体剖面示意Fig.1 Injecting composite colloid from lower roadway to upper goaf

沿钻孔向顶部采空区两顺槽处注复合胶体，每个隔离带设计10 m×10 m×2 m(长×宽×高)，注黄泥复合胶体200 m3，黄土用量约80 m3。当采空区监测到CO浓度增加时，注胶量增加为2倍。

地面灌浆系统将黄土和水制成1∶1的泥浆，由管道输送到井下。井下设备将复合胶体胶凝剂按0.05%～0.1%的比例与泥浆混合，然后通过钻孔输送到采空区，复合胶体混合液在巷道顶部失去流动性，起到充填和覆盖松散煤体的作用。注胶工艺如图2所示。

图2 复合胶体注胶防灭火工艺Fig.2 Fire prevention process of compound colloid injection

2.3 顶部采空区注氮

注氮条件：自下分层工作面顺槽，通过监测钻孔对顶部采空区O2、CO进行监测。如果工作面O2浓度大于7%时，则向采空区注氮；当监测到CO增加时，需要连续注氮，以降低氧浓度，防止煤层自燃。

注氮口位置：上分层工作面进风侧密闭预留措施孔。

注氮量：以现有注氮系统的能力，注氮流量为600(800) m3/h。氮气浓度大于97%。

注氮过程中，在下分层工作面顺槽布置的通往顶部采空区的监测管监测CO、O2等参数，当顶部采空区CO降为0或稳定到10×10-6以下，并且O2浓度低于7%时，可以停止注氮。

2.4 巷道破碎煤体注阻化剂

工作面间煤柱下的部分巷道煤帮破碎十分严重，长期氧化后有自燃危险。应对所有厚度超过50 cm的松散煤体都进行注阻化防火材料处理。

可选用如下阻化防火材料：①采用15%以上的卤盐阻化剂；②水玻璃(7%左右)内加)阻化剂(5%～10%)和氢氧化钙(3%左右)等合成浓浆；③高分子灭火剂量与水按1∶50～1∶100的比例混合。

处理方式：①人工将阻化剂浓浆浇灌到煤体表面；②采用阻化剂泵将阻化剂溶液注入松散煤体内。

3 下分层采空区自燃预防措施

3.1 工作面两道封堵

分层开采时采空区自燃危险区域范围如图3所示。

图3 采空区自燃氧化升温带范围剖面示意Fig.3 Section of the spontaneous combustion oxidation heating zone in the goaf

在顺槽巷道漏风可控的条件下，下分层工作面前方的上分层采空区存在散热带、氧化升温带、窒息带等“三带”[6-8]；下分层工作面后方采空区也同样存在“三带”。工作面前、后2个氧化升温带长度，再加上工作面前后的散热带长度之和，即为自燃危险区域长度L。

当工作面在发火期内推进长度超过L时，可以预防煤层自燃。根据目前观测结果，预计工作面自燃危险区域长度L达到350 m左右。开采煤层自然发火期为39 d，考虑到一定的安全系数实际取35 d，则工作面最小安全推进度为10 m/d，即工作面推进度超过10 m/d时，可以预防煤层自燃。

当工作面推进度小于10 m/d时，需要在工作面两顺槽施工封堵墙。

3.2 喷洒阻化剂

3.2.1 实施阻化剂防灭火技术的条件

满足下列条件之一，即实施喷洒阻化剂防灭火技术：①当采空区局部地点遗煤厚度超过60 cm，并且工作面推进度小于200 m/月。②当工作面回风隅角检测到CO浓度超过30×10-6时。

3.2.2 喷洒工艺及位置

由于工作面中部基本没有遗煤，工作面两道处采空区局部有遗煤。在工作面设备列车处配备矿用阻化泵，通过高压胶管将阻化剂溶液输送到工作面顺槽处(两道遗煤)，向松散煤体上喷洒，喷洒量应足以润湿松散遗煤。

3.3 采空区开放式注氮防灭火

3.3.1 开放式注氮条件

工作面因推进速度小于200 m/月，且采空区存在遗煤厚度大于60 cm情况；经采空区自燃区域判定和预测，采空区存在自燃危险，需要注氮时；工作面上隅角或采空区出现CO，且呈连续上升趋势，其浓度达到30×10-6以上时。

3.3.2 注氮管路敷设

采空区进风侧，深入切顶线以内20～60 m区域预埋注氮管路(4寸)，当管口进入采空区20 m时开始注氮；工作面推进40 m左右时，埋入下一个注氮管；当上一个注氮口进入采空区60 m时，更换为下一个注氮口注氮，管路敷设如图4所示。

图4 采空区主管-支管埋管敷设方案示意Fig.4 Buried pipe scheme of main pipe and branch pipe in goaf

3.3.3 注氮监测

每日3班派人在工作面隅角进行检查，发现O2<19%时，立即撤出人员，减小注氮量或停止注氮，待风流中O2>19%时方可恢复工作。

3.4 灌浆防灭火

东川煤矿下分层采空区一般情况下遗煤厚度小，工作面推进速度快，通常不会发生煤层自燃，因此正常生产条件下不必灌浆。对于局部遗煤堆积厚度大的区域，当工作面推进速度小于200 m/月时考虑注浆。

东川煤矿煤层以常温为起始温度的实验自然发火期为39 d。起虑到一定的安全系数，每隔30 d注一次浆，形成胶体隔离带。注浆口位置处于遗煤较多的两道，注浆量以覆盖遗煤为限。经计算，每次注浆量约200 m3，即工作面每侧注浆200 m3，两侧共注浆400 m3。

由于水中加入1 m3黄土其体积增加约0.4 m3，按照土水比1∶3计算，每次灌浆需要黄土约60 m3，水约175 m3。工作面两侧共需黄土120 m3，用水量合计350 m3。按照灌浆能力为30 m3/h计算，采空区每侧隔离带灌浆7 h即可，两侧共需注浆约14 h。

4 防火效果分析

在5103下分层回采过程中，通过采取上、下分层针对性的预防煤层火灾的措施[9-10]，监测监控系统的CO传感器及温度传感器等均未超限，在正常范围值内。因此，采取的防灭火措施可以有效预防煤层自燃。

通过束管监测系统每日的报表显示，自然发火标志性气体(CO气体及烷烯烃等)均未出现，因此，采空区未出现发火征兆。

每周通过人工采样对密闭进行气样分析，密闭墙内未出现自然发火标志性气体，温度在正常范围内。因此，采取的防灭火措施有效可行。

5 结论

(1)根据分层开采工作面防火的重点区域及时间，采用顶部采空区漏风通道封堵、顶部采空区顺槽侧注复合胶体、顶部采空区注氮、巷道破碎煤体注阻化剂等预防上分层火灾的措施，与工作面两道封堵、灌浆、喷洒阻化剂、注氮等预防下分层火灾的措施相结合。

(2)分析监测监控、束管监测系统及人工采样的自然发火标志性气体，得出采空区未出现发火征兆，采取的防灭火措施合理可行。

(3)分层预防煤层自燃的效果和经验，可以为本矿其他分层开采工作面及同类分层开采矿井特厚煤层防火提供参考。