不稳定中厚煤层综放工作面综合防火技术实践

2022-11-15王少东

能源与环境 2022年4期

王少东

（中煤资源发展集团有限公司河南郑州 450000）

0 引言

矿井火灾一直是煤矿重大灾害类型之一［1］。对于存在自然发火倾向性的煤层，煤层自然火灾影响最为严重，因其防治周期长、成效慢、危害大、成本高等因素，成为矿井防灾减灾面临的主要问题［2］。煤层自燃除了和煤层自燃倾向性有关，还和开拓开采布置、采煤工艺、通风方式等技术条件有关［3］。

综合机械化放顶煤开采方法具有机械化程度高、产量高、综合效益好等诸多优点被广泛应用。但由于综放工作面推进速度快、放顶煤不充分、采空区管理难度大、煤层赋存不稳定等因素存在，给煤层自然发火提供空间条件［4］。郑州矿区主采二1 煤层为不稳定煤层，煤层赋存厚度及煤层夹矸等情况复杂多变，在综放条件下往往造成放煤不充分，采空区留煤量不均衡且难以估算，给工作面防自然发火带来较大困难。据统计，郑州矿区自综放开采以来，已经发生数百起不同程度的自然火灾事故，严重制约着矿井的安全生产。基于煤层赋存条件的复杂性和综放工作面生产工艺的特殊性以及煤层自然发火防治的艰难程度，有必要对其采取综合的防治措施，提高综放开采工作面的安全性［5］。

本文以郑州矿区某矿井综放工作面综合防治煤层自然发火技术措施为例，介绍了不同发火因素下最经济、最有效的技术对策，为类似矿井提供措施参考。

1 综放工作面煤层自然发火隐患分析

1.1 工作面概况

郑州矿区主采的二1 煤层为典型的三软煤层，且受滑动构造影响，煤层赋存不稳定，煤层倾角变化大，煤层加矸较多且不稳定，煤层回采率较低，采空区丢煤是造成煤层自然发火的主要因素。矿井主采二1 煤层属Ⅱ类自然煤层，发火期为2～4个月。23052 工作面采用综合机械化采煤放顶煤工艺，煤层平均厚度2.6 m～8.5 m，煤层夹矸呈不均匀分布，夹矸厚度0 m～1.8 m，煤层倾角12°～16°，工作面最大割煤高度3.0 m，最大放煤高度5.5 m，采放比为1∶1.8。工作面西部为采空区，东部为采区3 条下山巷道，北部为工作面采空区，南部为采区联络大巷及断层停采线，断层最大落差40 m，长度352 m，工作面内赋存4 条落差小于5 m 正断层。采煤过程中丢煤多且封闭性差，存在煤层自然发火隐患，如图1 所示。

图1 工作面位置及构造

1.2 工作面煤层自燃隐患分析

工作面回采推进后，在采空区残留下的煤炭会发生氧化反应，由于采空区瓦斯和其他气体的不断涌出会降低氧气浓度，进而影响煤的氧化速率。但由于工作面的开放性，工作面通风或者漏风会补给采空区氧气。受工作面推进速度、采空区丢煤率、工作面漏风情况以及煤层顶底板岩性等因素影响，在采空区空间位置上存在煤层自然发火的“三带”。对于U 型通风系统，靠近工作面的采空区由于冒落的岩层处于自由堆积状态，其空隙大，漏风大，散热快，此区域煤炭很难自燃，故叫作散热带；随着采空区与工作面的距离增加，冒落岩石经过岩层压力后，空隙变小，漏风减少，储热条件较好，如果此条带存在的时间超过煤层自然发火期，就可能自燃，故此条带称为自燃带。自燃带以内冒落的岩层处于重新压实区域，漏风小、甚至消失，氧气浓度低，煤层不具备自燃条件，故此区域称为窒息带。

23052 工作面采用综放工艺，由于煤层赋存不稳定、夹矸厚度大等因素造成回采率低；工作面过断层丢煤较多；工作面受瓦斯赋存、地质构造和煤层赋存条件影响，推进速度慢，月平均推进34 m，容易造成采空区发火［6］。经埋管测试，在现有采煤工艺以及瓦斯地质条件下23052 工作面采空区内散热带、自燃氧化带和窒息带宽度分别为8 m～12 m、12 m～45 m 和0 m～45 m。

2 工作面综合防火技术措施

2.1 工作面采空区防漏风措施

为了改变工作面区域风压分布，降低漏风压差，工作面生产期间在上下隅角每隔15 m 砌筑一道隔离墙，墙体厚度800 mm，采用双层沙袋堆放而成，墙面喷浆处理。采空区周围巷道采用加强支护和喷浆处理，如图2 所示。

图2 工作面隅角隔离墙及注浆管示意图

2.2 采空区注浆填堵措施

采空区注浆、灌浆措施是常用的防止煤层自然发火的技术措施，利用固体材料与水混合后增加其流动性，用泵送技术将浆液灌注采空区内，填实采空区空间，减少漏风并降低采空区温度的一种有效的防火技术措施。

一般情况下，煤矿周边的黄土资源较为丰富，且物理性质满足注浆材料的要求，是制备浆液的有利原材料，经铲车取土过筛后与矿区水资源配比可直接使用。除黄土以外，矿渣、煤灰、尾矿、矸石等材料也是制备浆液的可选材料。由于黄土取材方便、成本低廉，黄泥灌浆是矿井常用的一种防灭火措施。浆液为黄土与水按一定比例调配而成，再利用高压注浆泵或落差静压由管道压入采空区，对浮煤和留设煤柱缝隙进行包裹覆盖。黄泥浆液具有湿润煤体、吸收热量和阻止煤炭氧化3大特点，可以在根本上对采空区煤体自然发火进行有效防治。但在选取材料时必须遵循以下要求：①所选材料为不可燃且不含助燃成分；②材料颗粒直径小于2 mm；③易脱水，且要有一定的稳定性；④易与水混合，在运输中不易对管路造成堵塞；⑤便于开采、运输和制备，易获取且成本低廉。

23052 工作面采空区注浆固体材料为黄土和细颗粒矿渣混合料，水料比为4∶1，阻燃剂为MgCl2，浓度2.4 kg/m3。浆液地面配制，利用静压方式向工作面送浆。注浆管沿工作面上付巷敷设，管规格为Ф133 mm×5 mm 无缝专用注浆钢管，每隔100 m设置一个花兰并配制三通，注浆管经隅角防漏墙埋入采空区13 m，注入采空区后经自流填充至工作面下隅角处，随工作面边采边注，如图2 所示。

根据工作面采高和推进速度，适当调整工作面注浆倍线和材料用量等参数。注浆倍线按式（1）计算，注浆填充材料用量按式（2）计算。

式中：N 为注浆倍线；L1为进浆管口至注浆点的距离，m；H1为进浆管口至注浆点的高差，m；Q 为每天注浆用料量，m3/d；K 为注浆系数，郑州矿区取0.011～0.032；L 为工作面日推进长度，m；H 为注浆区倾斜长度，m；M 为采高，m。

2.3 沿空巷道强支护措施

23052 工作面下付巷为沿空送巷。受工作面采动影响，下付巷区域应力较大，顶底板位移变形量大，巷道与采空区直接连通。为了减少向采空区漏风，加强了巷道支护方式，支护类型为“U 型钢+锚网喷浆”支护。其中喷浆液中添加了含量为1.5 kg/m3的聚丙烯纤维，增强了喷浆层的强度和韧性，减少裂隙，降低漏风率。

2.4 下隅角喷射阻化剂

矿用阻化剂是一种阻止煤炭氧化的化学材料，将阻化剂喷洒在煤炭表面后，在煤颗粒表面形成一层保护膜，隔绝煤炭和氧气，起到阻止氧化的作用。采用阻化剂防止煤层自燃技术是当前矿井防灭火技术中较为常用的一种技术方法。常用矿用阻化剂有以下4 类：①氯盐类阻化剂，吸水能力强，通过吸收空气中的水分，使煤表面形成水膜层隔绝氧气，同时降低煤温度，减小煤氧化过程中的升温速率，阻止煤氧化进程；②铵盐类阻化剂，遇到煤自燃发热后进行分解，吸收热量并生成氨气和二氧化碳，降低煤体周围的氧气浓度，并降低煤的氧化速率，抑制煤的氧化过程；③碱类阻化剂，目前在煤矿中经常使用氢氧化钙作为阻化剂；④粉末惰化阻化剂，此类阻化剂能够受热分解生成惰性气体，对煤氧化过程中的自由基链锁反应能够起到阻化作用，生成的水吸热汽化。同时阻化剂分解过程会吸热，能快速降低煤体温度。阻化剂分解后的残留物附在煤表面形成一层薄膜，当温度下降到一定值时会变成脆性覆盖物，能够隔离煤氧接触，防止煤体再次发生自燃。

阻化剂防灭火技术并是万能的。要根据矿井实际情况，采用合适的防灭火技术措施。23052 工作面采用浓度为20%的MgCl2溶液作为阻化剂。喷射地点位于工作面下隅角采煤机架后侧，喷射雾状阻化剂并随风进入采空区内部，湿润采空区留煤。设备由注射泵和喷射水枪组成，注射压力0.5 MPa～1.0 MPa，喷射雾剂直径为3.0 m～3.5 m。工作面拉架时加大喷雾剂量。

2.5 沿空钻孔注胶措施

23052 工作面下付巷虽然加强了支护封闭措施，但受采动影响以及工作面生产期间下隅角循环管控作业影响，不能保证对采空区的全部封闭。为了确保工作面沿空区域封闭效果和减少发火危害，沿工作面下付巷进行束管取样分析沿空区CO 浓度，对于超标地点，进行钻孔注胶封堵措施施工。钻孔直径74 mm，孔深15 m，钻孔间距10 m，控制超标点上下侧各15 m范围。注胶材料为水、泡花碱和碳酸氢钠混凝溶液，比例为80∶14∶6。

2.6 工作面综合监控措施

监测监控时工作面是安全生产过程中的重要安全保障措施之一。通过在施工过程中进行施工环境的监测并及时反馈与预报信息，能很好地指导现场作业，确保工作面施工安全。同时利用监测数据，结合综合地质条件和开采工艺等因素，对工作面煤层自然发火进行动态分析和研判，为工作面及采空区煤层自然发火防治提供重要指导。

根据23052 工作面采掘布置、采掘工艺和地质构造等情况，对工作面采空区留煤多和漏风严重地段进行重点监测监控。根据设计，在工作面回风隅角、工作面上切口外侧和上付巷回风口里侧安设CO 传感器和温度传感器，并连接矿井安全监测系统，进行不间断监测。监测结果采取预警报告和日常分析相结合的方式；对于出现CO 和温度超标数据及时采取措施；日常分析包含对CO、CO2、O2、N2、CH4和温度等监测数据的变化趋势，结合采掘活动及通风数据进行综合分析，针对分析结果采取措施。

2.7 工作面特殊期防火措施

工作面特殊时期主要是指工作面在遇到特殊地质条件或特殊老巷、采空区或停采线期间甚至是外因引起的工作面停止生产或生产推进速度较慢的时期。因前述因素影响工作面采空区暴露时间长，容易引起煤层自然发火。23052 工作面的特殊时期主要有工作面过断层、停采和采煤末期3 个方面的因素。

（1）过断层期间。加强断层附近巷道支护管理，采取监测监控措施，及时封堵采空区漏风；工作面过断层期间，提前断层20 m、延后断层后30 m 范围内，隅角防漏墙加密至每10 m一组；工作面过断层前20 m 在上下隅角提前埋管注浆，直至过断层后30 m 范围均应加强注浆；加强回采管理，降低过断层期间的丢煤率，保持正常推进速度。

（2）工作面停采期间。工作面停采期间连续断监测监控，停采后立刻对工作面切眼和铜室喷洒阻化剂，砌筑隅角防漏墙并喷浆密闭；上隅角埋管注浆量充分，并根据隅角气体监测情况实施反复注浆措施；根据工作面气体监测情况适当调整工作面供风量；工作面回撤期间，应加强管理，提高回撤效率，保证45 d 内回撤完毕。

（3）工作面采煤末期。在停采线以里50 m 范围加强防火管控。进行反复注浆保证充足注浆量，注浆量为正常回采期间注浆量的1.2 倍～1.5 倍；加大下隅角阻化剂喷射量至1.5 倍；隅角防漏墙间距改为10 m；下付巷加强支护管理，针对裂隙发育地段进行二次喷浆等措施；加大临空区注胶量1.5 倍；工作面回撤后5 d 内对工作面进行永久密闭，并加强管理。