高瓦斯矿井采空区防灭火及工作面端头封堵技术研究

高 鑫

（潞安矿业<集团>有限责任公司古城煤矿，山西 长治 046100）

近几年，为了保障煤矿采收率和人员的人身安全，国家大力推动了煤矿技术改造和煤矿设备的开发，降低了煤矿工人的数量，减少劳动强度，改善施工条件。“无人化”是大势所趋，“减人”、“少人”是必然趋势，“安全、高效、环保”的煤矿开采是国家中长期能源战略安全的重要保证。

在高瓦斯矿井的开采过程中，由于工作面受到压力作用，使瓦斯从煤层中逸出，有些气体从工作面漏到了采空区，在采空区易出现浮煤自燃等问题。在矿井U形通风条件下，上隅角处易聚集气体，如封堵不当，则易使瓦斯进入风巷，发生瓦斯爆炸等事故。目前，大部分矿井井口封堵方式都是用人工将煤和泥砂装入袋口，然后再进行围堵，这种封堵方式劳动强度大，封堵效果不佳，容易导致瓦斯超标。以上种种因素的综合作用，限制了矿井的安全、高效的生产。针对高瓦斯矿井采空区容易发生自燃和工作面端部封闭不严密的问题，提出了采空区新的防火措施，并介绍了工作面末端封堵技术。

1 综放工作面概况

潞安化工集团某矿2303 工作面开采煤层为二1煤层，其平均厚度为6.0m，平均倾斜角度为14°，最大的埋藏深度为650m。在此基础上，利用了一种新的采矿方法——综放式采矿法，其采场的长度为680.4m。矿山的绝对涌出量为20.39m3/min，而相对的涌出量为28.17m3/t，属于高瓦斯矿井。2303 工作面顶底板地层柱状图见图1。2303工作面布置图见图2。

图1 2303工作面顶底板地层柱状图

图2 2303工作面布置

2 采空区煤自燃防灭火技术

2.1 常用的防灭火技术

可燃物、助燃物、火源三个因素是造成自燃的必要条件，其中以煤炭作为可燃物，以氧作为燃料，以温度作为火源。在传统的采空区中，扑灭火灾的常用方法是减少可燃物，隔离助燃物，降低着火点的温度。

2.1.1 减少遗煤

而在高瓦斯综合开发中，采空区有一部分残留煤未充分释放，从而使采煤的采出率下降。另一方面，在煤矿开采过程中，很容易造成煤层残存的自燃，从而危害煤矿的安全。所以，降低易燃物质，增加放煤和开采速度是第一步。当采空区浮煤厚度下降时，剩余煤体发生自燃的可能性就会下降。增加采收率可以使采空区内的煤层厚度减少，从而减少残留煤体的自燃几率。从实验结果可以看出，在煤层厚度不超过0.7m 的情况下，煤层的自燃几率明显降低。所以，增加采出率和减少残留煤能降低采空区煤的自燃几率。

2.1.2 喷洒阻化剂

阻化剂起到煤炭与氧的隔离作用，是矿井中一种常见的防灭火技术，采煤机每次割煤完毕后，都要在油压支架之间喷上阻化剂，防止残煤自燃。对暴露的煤层也要进行阻化剂的喷射，这是隔离氧的有效措施。

2.1.3 注氮及CO2

在一定的氧气浓度下，采空区的遗煤容易发生自燃，所以可以通过引入空气中的氮气或CO2来降低采空区中的氧含量，以防止煤体自燃。根据混合气爆炸原理，在含氧量低于12%的情况下，发生爆炸的概率较低。通过向采空区注入氮气，可以将煤层中的含氧量降至10%以下，从而极大地减少了煤层的自燃和瓦斯爆炸的概率。

2.2 新型防灭火技术

2007 年，中国矿业大学冯光明等研制成功了一种新型的矿井充填材料——超水速凝材料，其含水量可达到97%。超水物料充填法是一种高水灰比、耗材少、充填成本较低的工艺，充填工艺简单，充填率高，适应性强，是“三下”煤矿开发的一种行之有效的方法，并适用于全面推广。

超高水性材料在矿井下的灭火中具有特殊的优越性，其工作原理是将泥浆注入到井下着火点。目前，超防水材料的井下灭火技术主要有封闭式、开放式、混合式三大类。

2.2.1 封闭式灭火技术

密闭消防技术是将地下着火的火源与密闭的空间隔开，并向其灌注超水性物质，浆液会在一段时期内凝结固化，从而实现了对巷内火灾的扑救。在图3中显示了密闭的消防技术。

图3 封闭式灭火技术

2.2.2 开放式灭火技术

开放式消防技术主要是适用于火灾发生地点分散、难以密闭的场所，采用多个孔将着火区贯穿，并注入浆液，并将超水性物料灌输到发火区的上部，当泥浆与火焰相接触时，火焰就会被扑灭。图4显示了开放的消防技术。

图4 开放式灭火技术

2.2.3 混合式灭火技术

混合式消防技术采用封闭式和开放式两种方法，分别对不同的地区、不同的火灾状况进行有效地控制，以实现对火灾的迅速扑救。在矿井较大且起火点较多的情况下，仅采取封闭灭火技术，着火点多，造成砌筑墙体耗费时间。如果采用开放式的方式，着火面积太大，很难完全覆盖。若采用任何一种方法都无法有效地解决火灾问题，则可以将两者相结合，首先在发火区多、封闭困难的部位打孔，然后在发火区内注入超高水性物料的泥浆，使泥浆在发火区迅速凝固和固化，将自燃煤体包裹，填充裂缝，同时降低温度，抑制火势。同时，在大火发生较大、容易被封锁的地方，先用密封的墙壁将其封住，再将超高水性的浆液注入其中，以扑灭大火，并将裂缝等缝隙填满，从而达到全面灭火的目的。

传统的消防措施成本高，见效慢，施工不便，且易造成施工延误。与此相比，超高压井下防灭火技术具有成本低、不会对井下环境造成污染的特点，可以针对易燃物、易燃物、着火源等三个方面实现灭火，既方便快捷，又能发挥良好效果[1]。

3 工作面端头封堵技术

3.1 常用的端头封堵技术

在矿井作业中，在掘进过程中，必须对采空区的末端进行封堵，既能挡风，又能调整风向，又能防止采空区的漏风引起火灾。

目前，大部分矿井井口封堵方式都是用人工将破碎煤和泥砂装入袋口，然后再进行围堵，这种封堵方式劳动强度大，封堵效果差，容易导致瓦斯超限。

潞安化工集团公司2303工作面采取了传统的隅角封闭技术，其技术特点是：每天8点班，在采空区一侧使用煤袋进行封堵，煤袋封堵与顶板严密接触，在封堵完毕后，采用废弃的风筒密封煤袋墙，为了使煤袋墙发挥最佳的效果，为采空区的抽采创造了一个封闭的空间，提高了采空率，改善上隅角的瓦斯治理。

3.2 新型端头封堵技术

针对矿井开采中，利用人工碎煤砂装袋方法封堵矿井底端头存在较大的缺陷，封堵作业强度大，封堵效果不佳，文章介绍了一种利用超高水材料进行充填封堵矿井端头的工艺。

超水分材料的泵送式灌装方式与碎煤砂灌装方式相比，具有快速、高含水率、高流动性等优点，可以通过管线输送，达到地面送料和井下分配的有效交换，并且在一段时期内，超高水性材料可以自己流动，达到与井道墙贴合的效果。这种工艺具有成本低、操作简单等优点，能显著地减少人工资源浪费、增加工作的效率、减轻劳动量、改善工作条件。

3.2.1 准备工作

（1）在井下硐室建设超高水性材料配料基地和管线传输系统，该基地由入料池、搅拌器、三通连接器、控制阀和抽吸设备组成，确保了工作面物料的稳定、持续供应。

（2）本发明提供一种具有（3500~4500mm）×100mm（宽）×3000mm（高）的弹性充填袋（如图5中所示，可按要求改变填充袋的规格）；填充袋由可收缩的吊杆、吊钩、吊环、注料口、封口旋钮、排气口、封气旋钮及折叠式锁头组成，可实现折叠、悬挂、注料、封口、排气等功能。

图5 充填袋样式

（3）根据巷道截面的大小，采用装料包的折叠作用，调整到合适的尺寸。该产品具有轻质、柔韧性好、绿色环保等特点，并与超高水性物料在浆体状态下的流动性相结合，可以更好地适应巷道断面，实现较好的封堵效果。

3.2.2 施工工艺

（1）将S形钩挂在巷道顶板锚网上，再将装料袋上的吊杆置于吊钩下钩上方，使挂钩与吊钩相对应；装料袋装有六个环圈和两个悬挂杆，该悬挂杆是用中空的铁质材质，用多个套筒套入，可实现伸缩，便于搬运，并能适应各种大小的隧道截面。通过悬挂杆的设置，可以将负载均匀地传递到顶部，并且可以防止在吊袋和顶板之间留下空隙[2]。

（2）开启填充袋上方的进料和排气孔，从注料口向填充袋中注射超水性物料，袋中的气体由排气管排出，直到物料从排气管排出为止；用密封手柄和空气封闭手柄来封闭排气口和进料口[3]。

工作面端头封堵效果如图6所示。

图6 工作面端头封堵效果

3.2.3 效果对比

该工艺与已有技术比较，具有下列优势：

（1）减少了煤矿工人的劳动强度，从人工装填向机械装填改变，省去了人工装填、搬运、堆叠等繁琐的工序，缩短了50%的工作时间。

（2）具有良好的封堵效果，超水性物料具有良好的流动性，在自身重力的作用下，能够更好地贴合巷道墙，具有较好的密封性能和稳定性。

（3）超防水材料是一种绿色、清洁、无污染的新型材料，可以防止破碎煤块在包装过程中产生的粉尘污染[4]。

4 结论

（1）本文就煤矿采空区遗煤易发生自燃这一问题进行了研究，并就传统灭火技术的工作机理和不足进行了深入的探讨，基于此提出超高水材料井下灭火技术，并指出了其在成本、效果和便捷性等诸多优点。

（2）由于采用常规的顶板封堵技术，劳动强度大，封堵效果差，易造成瓦斯超标，本文提出采用超高水材料泵送装袋充填封堵矿井端头，缩短50%的工作时长，使生产效益得到显著提高，既降低了工人的工作强度和生产成本，也改善了井下环境。