易自燃厚煤层封闭工作面启封的防灭火技术

摘要：通过对易自燃厚煤层开采的发火规律进行研究，为迅速实现对发火工作面的成功起封，克服和减少引起火灾的因素，对巷道布置、钻孔设计、风量配备、局部通风等方面进行了相应改进。实践表明，这些改进有利于做好启封易自燃厚煤层发火工作面的的防灭火工作。

关键词：易自燃 启封 防灭火

0 引言

秦源煤矿N105综放面布置在北翼采区+520水平，地面标高+1021～938.4 m，工作面标高+300～460m。该面开采煤层为低瓦斯，煤尘有爆炸危险性，易自燃，最短自然发火期51天，上部为103综放面采空区，靠近切眼为无煤区，其余为未开拓区。N105综放面走向长度1302～1412 m，倾向长度150m左右，煤层厚度11.5～3.5m，煤层倾角平均35°。上顺槽开口向里150m为下山，其余上山，局部上山倾角达20°；下顺槽自煤仓向里660m为下山，其余942m为上山，工作面煤层厚度由外向里逐渐变薄。该面从2010年10月21日开始回采，至8月底工作面走向还剩403米，回采产量117.2万吨

1自然发火过程及处理经过

1）2011年8月19日早班，N105工作面上隅角及回风流CO气体超限，上隅角浓度为1200PPm，回风流浓度为400PPm。通过现场查看和取样分析，认为是推进进度缓慢，采空区遗煤氧化。在原有上下隅角每班打设一道密封墙，洒灭火剂，挂设挡风帐的基础上，又采取了上隅角灌注三相泡沫和向采空区注氮气的防灭火措施。从20日夜班至22日早班上隅角及回风流CO气体呈下降趋势，且下降幅度较大，上隅角下降为40PPm，回风流下降为15PPm。

2）8月22日中班，工作面割煤机移架后，上隅角及回风流CO气体又呈上升趋势，上隅角CO浓度上升到1600PPm，回风流CO浓度上升到380PPm，采取加大三相泡沫灌注量由原来的每班3桶增加到5桶，增加了发泡效果，并进行风量调节，风量由原来的1350m?/min减少到1180m?/min，并在上、下隅角打墙后喷洒艾格劳尼，提高堵漏的效果。从23日至28日中班N105工作面上隅角及回风流CO气体呈缓慢下降趋势，上隅角CO浓度下降到1000PPm，回风流CO浓度下降到260PPm。

3）8月29日中班回采过程中，煤炮频繁，周期来压显现，同时工作面上隅角及回风流CO气体升高，且升高幅度较大，上隅角CO浓度上升到2800PPm，回风流CO浓度上升到600PPm。采取从工作面下隅角开始向上至50号支架后尾梁喷洒艾格劳尼进行封堵，并在工作面16号、17号支架侧护板处打钻注防灭火剂。30日早班14时，突然发现工作面有淡淡的烟雾，随支架检查，发现13―14号支架后尾梁侧护板缝隙处出现烟雾。30日中班23时，工作面1号支架后尾梁顶部出现明火。

4）N105工作面下隅角出现明火以后，采取用水直接灭火，火灾未能得到控制，经过研究，慎重考虑，为防止工作面火情进一步扩大，根据以往火灾发展的速度和灾害危险程度的经验，对N105工作面进行封闭，封闭日期为9月1日早班，封闭墙的位置上顺槽利用原来的防火门改成封闭墙，距离回风口100m，下顺槽封闭墙位置在距离工作面42m处，两道采用局部通风机供风。

2 火区状况分析

秦源煤矿N105综放面出现自燃隐患前后，推进速度较慢，且顶煤回收率较低，在架后10m范围内遗留了大量的松散煤体，具备煤层自燃的物质条件；工作面架后漏风大，为架后遗煤自燃提供了良好的漏风供氧环境；采空区通风散热条件差，为煤自燃提供了较好的蓄热环境；断层的存在缩短了煤层自然发火期。

3煤火灾害防控和治理技术

矿井煤层自然发火防治方法和手段很多，按其作用原理归纳起来主要有四大类。

第一类：控氧为主。主要有封闭、喷涂或充填堵漏、均压、注惰气等。

第二类：控温为主。主要有灌浆、注水、喷洒阻化剂等。

第三类：既控氧又控温。主要有液氮、液态CO2、胶体、惰气泡沫等。

第四类：控时间。动态地改变漏风供氧环境，阻止煤体长时间氧化升温。

上述方法应用于现场实际的根本出发点在于如何提高其防灭火效率，同时考虑其作用范围和时间。

4总体治理思路和技术方案

4.1 总体治理思路与步骤

1）第一阶段：打开上顺槽密闭启封至开关列车以里巷道断面较小处（人员和风筒无法进入处），通风方式为局部正压通风，此阶段主要进行巷道修护、回收机电设备和维修，巷道维修一直修护到工作面上口，然后施工一道永久密闭，密闭口留有观测口、瓦斯排放口、束管监测口以及排水口，N105工作面一直维修到工作面，然后在上巷距离工作面15m左右建一道永久密闭。

2）第二阶段：在N105上巷维修同时，下巷开始排水，水面最终位置超过下巷最低点巷道顶板（具置矿上决定），水排放到位后，在N105工作面下巷2#密闭外侧平行工作面进行措施巷道施工（具体施工方案以矿上为主，暂定下巷施工），措施巷与N105下巷打通后采用抽出式U型通风方式。

3）第三阶段：措施巷道贯通后进行钻孔施工和注胶作业，同时进行封闭式注液态二氧化碳工作。液态二氧化碳的灌注主要分为措施巷施工钻孔注入和下巷通过N107上巷施工钻孔注入两个部分，注入终孔位置为采空区高分子隔离带后5m左右位置；高分子灌注位置为架后10m范围内。

4）第四阶段：打开N105下巷密闭，此时N105工作面实施局部通风，维修下巷，并检修采煤机等设备，尽快恢复生产，同时利用措施巷和N107上巷进行相关防灭火工作，待所有准备工作完成并达到了开采条件后，打开N105工作面上巷临时封闭墙恢复生产。

4.2火区治理技术方案

鉴于采空区内可能存在的煤火范围较大，并考虑技术经济等方面的因素，需采取治理与控制相结合的方法对火区进行处理，在治理火区的同时，为启封后防控复燃做好铺垫，确保工作面安全顺利地启封。

4.2.1措施巷布置

根据秦源矿N105工作面实际情况，决定从N105工作面下巷开口进行施工防灭火措施巷道（如图3所示），巷道施工具体说明为：第一步：在N105下巷底板标高大于下巷1#密闭墙和工作面之间巷道最低处顶板标高0.5m处开口（开口处至少距离N105工作面1#密闭墙10m）；第二步：向原煤区域倾斜施工一条上山巷道，距离N105工作面平行间距25m，一直施工到距离工作面20-25m位置（此时措施巷顶板距离煤层顶板0.5m）；第三步：沿平行工作面方向施工一条上山措施巷道，巷道顶板距离煤层顶板0.5m，第四步：沿煤层方向施工上山巷道120m左右；第五步：待N105工作面上巷清理完毕后施工平巷与N105上巷联通，此时措施巷道上下两头建立隔离带，采用U型通风方式供风，风量调节为CH4浓度不超限为宜。

4.2.2防灭火钻孔设计

在措施巷内向N105综放面后部采空区施工四类钻孔，孔内下全套管。

第一类为深孔（A类孔，A1至A27）。终孔在支架切顶线后8m，工作面底板以上8～9m，工作面倾斜方向终钻水平间距6m，上下端头处施工密集钻孔，钻孔间距3m，钻孔平均长度约为44m，钻孔个数约为27个。

第二类为中孔（B类孔，B1至B27）。终孔在支架切顶线后5m，工作面底板以上8～9m，工作面倾斜方向终钻水平间距6m，上下端头处施工密集钻孔，钻孔间距3m，钻孔平均长度约为41m，钻孔个数约为27个。

第三类为短孔（C类孔，C1至C7）。终孔在支架切顶线后尾梁尾线处，工作面底板以上5～6m，工作面倾斜方向终钻水平间距3m，覆盖范围为下端头―30#支架，钻孔平均长度约为35m，钻孔个数约为7个。

第四类为加强孔（D类孔）指在工作面上端头、下端头、断层附近施工密集钻孔。

4.2.3防灭火钻孔施工技术

施工灭火钻孔存在的问题和难点主要体现在：

1）施工钻孔过程中常常出现煤渣“卡钻”现象，且原有钻头和钻杆不宜于用来灌浆注胶，废孔率高。

2）向采空区施工钻孔后，抽出钻杆下套管的过程中往往会造成“塌孔”现象，向钻孔里下套管的成功率很小。

3）施工钻孔和下套管的时间长，工序复杂，影响了灭火的进度，常用的钻机体积大，受巷道体积和其它因素影响，不利于运输和安放。

4.2.4灌注胶体和液态CO2降温防复燃

1）胶体防灭火技术

胶体防灭火材料集堵漏、降温、阻化、固结水等性能于一体，使易于流动的水在部位发生胶凝，包裹煤体，充分发挥水的吸热降温作用，较好地解决了灌浆和注水的泄漏流失问题，且在近1000℃的明火中不会迅速汽化，仅因水份缓慢蒸发而逐渐萎缩，灭火安全性好，在井下湿度90%，温度28℃环境下，13个月后仍保持完好。

2）液态CO2惰化降温防灭火技术

二氧化碳是一种窒息性气体，注入火区后可降低氧气含量，使火区因缺氧而窒息。液态CO2汽化和升华时吸热137kcal/kg，在温度15℃、1个大气压下，1吨液态二氧化碳体积膨胀约640倍。

开放式灌注液态二氧化碳量计算公式为： 。

其中：Q为风量（m3/min）；V为气态二氧化碳灌注量（m3/min）；

由此可得出V=Q/6，即每小时气态二氧化碳灌注量为10倍Q，根据液态二氧化碳气化后体积膨胀600倍即可计算出液态二氧化碳每小时灌注最大量。

4.2.5防灭火材料量

钻孔施工完成后，先灌注液态CO2约2t/孔，再注胶体，A、B、D类钻孔注胶量约为60m3/孔，C类孔注胶量约为10m3/孔。灌注液态CO2量约160t，压注高分子胶体约4000 m3，高分子浓度根据1.5%，富余系数1.2计算，约需高分子胶体灭火剂约70t。

5工作面启封及应急处理技术方案

经过上述方法对火区治理，各项检测检验指标符合《煤矿安全规程》第二百四十八条规定的条件后可启封火区，尽快为恢复生产创造安全条件。

5.1 巷道高温点监测与治理技术

巷道高温点的处理主要遵循“预防为主，重在监测”的中心思想，综采放顶煤技术中，两道顶板遗煤量大，N105工作面两道顶板煤厚在5m―6m左右，由于长时间的氧化升温，极易产生高温点，当这些高温点进入采空区后，很容易引起采空区煤自燃的发生，因此，巷道高温点的防治重点在于预防与监测。

1）监测手段与技术

用于巷道高温点监测的主要手段有气体检测和温度检测两种，气体检测主要是在上肩窝位置进行CO气体检测，至少平均20m一个点每两天检测一次；温度检测主要是使用红外测温仪对特殊位置和区域进行温度检测，由于煤体的导热性差，内部温度发生后在表面的温差很小，因此需要在温度检测过程中发现细微的温度变化。

2）防治手段与技术

在巷道高温防治的技术中，主要遵循煤自燃防治的中心思想，以“降氧控温”为主。因此，需要对两道进行喷浆作业，并且随时检查是否存在冒顶、地压造成的裂隙等现象，对这些区域进行及时有效地处理，防治氧化和热量积聚。

3）应急手段与技术

巷道火灾防治的应急技术主要遵循“降温控氧”的原则进行，一般采用吸热量大的防灭火工艺和方法，传统采用液态二氧化碳防灭火手段和高分子胶体灭火手段两种。两种措施的实施都需要通过有效钻孔而进行，钻孔的终孔位置和倾斜角度根据防治手段的不同略有变化，采用液态二氧化碳防灭火方案时，一般钻孔终孔位置位于顶板向上2m左右即可；而进行高分子灌注作业时，需要施工小角度倾角钻孔，钻孔角度最好不要超过45°，同时钻孔最好逆风流向施工，且中空位置应该实现高温点的完全有效覆盖。

6火区观测

通过闭墙上的观测孔检查闭内的CO、CO2、CH4和T，每班检测两次，并记录于牌板和记录本上。同时，每班采一次气样进行色谱分析。打钻措施巷的钻孔也可用做观测孔进行观测，或施工专用的观测孔，每班采气样进行色谱分析。

7工作面启封后的防灭火技术方案

工作面启封后，采取了以“控制采空区漏风，降低采空区氧气浓度”为主的防灭火技术。总体思路是：随着工作面推进，采取以“采空区端头封堵和灌注液态CO2或氮气”为主的防灭火措施，有效降低采空区的漏风和氧浓度，并通过端头采空区埋管或打钻灌注高分子胶体，抑制采空区煤体复燃或自然升温。

封堵周期：若工作面推进速度小于1m/d，则每推进3～5m封堵一次；若工作面推进速度为1～2m/d，则每推进8～10m封堵一次；若工作面推进速度大于2m/d，则每推进20～30m封堵一次。

胶体灌注时间：待工作面距注胶口15m后开始灌注，注胶量200～300m3/次。

灌注液态CO2或氮气出口位置及灌注量：下端头闭墙内，注惰气量依据工作面气体变体情况而定。

结束语：综上所述，通过以上方法的采取，秦源煤矿105工作面成功实现了启封，这对于在自燃倾向的厚煤层发火工作面启封时，有效防止工作面二次复燃主要从巷道设计、钻孔布置、合理供风、加强局部通风等方面入手，全方位、全过程实施综合预防，是能够有效的防止封闭工作面启封过程中出现二次复燃的隐患，从而达到成功启封的目的。

参考书目：

（1）中国人民共和国能源部.煤矿安全规程.北京：煤炭工业出版社，2006

（2）徐永圻，采矿学.徐州：中国矿业大学出版社，2003

（3）《煤炭技术》相关防灭火资料