综采工作面自然发火隐患治理技术

【摘 要】针对本综采工作面所采煤层属于易燃煤层，采空区浮煤发生自然发火的具体情况，分析了采空区自然发火的机理和必备条件。工作面采空区自燃发火治理采用了封闭工作面，降低风量、开掘防灭火措施巷、向采空区灌注惰化剂液态CO2和煤体阻化剂胶体综合防灭火技术，机巷、回风巷和工作面的CO等煤体分解气体浓度大幅下降，工作面及各发火点的温度也回落到正常水平，达到了预期的治理效果，确保了综采工作面按正常计划恢复生产。

【关键词】自然发火；防灭火措施；治理效果

引言

中国煤层自燃多分布于干旱少雨的北方地区。根据遥感资料调查，我国北方煤田火区主要分布在新疆、宁夏、内蒙古、甘肃、青海、陕西、山西等七个省区，煤田火区燃烧面积累计达720km2。其中新疆地区煤层火灾最为严重，占整个北方地区的65%以上。煤层自燃不仅破坏煤炭资源，危害煤矿安全生产，浪费了大量的煤炭资源。

国内外对煤层自燃发火从发火位置探测和治理两个技术层面做了研究。主要的探测技术有：指标气体分析法、测温法、示踪气体法、气味检测法、测氡法、红外热像法；主要的治理技术有：控制漏风技术、火区惰化技术、煤体阻化技术、吸热降温技术。这些技术的应用推广对煤层自燃防治起了重要的作用，也有学者提出怎样从根本上预防和杜绝煤层自燃，减少其对资源的浪费和环境的危害，还需要不断的探索和研究。

一、工作面基本概况

本综采工作面走向长1600m，倾斜长274.5m，煤层倾角平均37°，最大42°，工作面设计采高2.8m。工作面上、下顺槽沿煤层顶板布置（留1m煤皮），采用锚网索加钢带支护，风巷断面11.7m2 ，机巷断面15.6m2；工作面于2010年6月17日开始回采，截止2010年9月9日工作面上口回采10.4m，下口回采21.7m。

煤层倾角较大且煤层较厚，导致工作面推过后采空区留有大量浮煤，导风通道较多，自然发火可能性较大。2010年9月9日夜班，工作面85#―90#、78#―80#、69#―72#、64#―65#、48#―54#、14#―32#支架尾梁后部温度为28-40℃，CO浓度为100-260×10-6，工作面CO浓度为100-215×10-6，工作面回风流CO浓度为100-236×10-6，经分析判断为支架尾梁上部和采空区浅部出现6-7个高温点，如不采取及时措施，有可能造成采空区煤炭自燃发火，严重影响工作面生产和矿井安全。

二、煤层自燃原因

工作面发火原因分析：

（1）初采面浮煤较多

该面在开采初期遗留了大量的浮煤，且支架切顶线后的顶煤较破碎，具备煤氧化自燃的物质条件。

（2）氧气充足

工作面推采较短，漏风为切眼附近的浮煤和破碎顶煤氧化自燃提供了良好的漏风供氧环境。

（3）采空区散热条件差

浮煤缓慢氧化产生的热量和环境本身的热量不能得到良好的散发，为煤自燃提供了较好的蓄热环境。

（4）工作面推进速度缓慢

该面推进速度缓慢，遗煤和破碎顶煤氧化放热时间长，达到了煤层的自然发火期。

由于本工作面所采煤层属于易自燃煤层，且初采面浮煤多、氧气充足、采空区散热条件差、工作面推进速度缓慢完全满足了煤体破碎堆积且具有自燃倾向性、适量的通风供氧、良好的蓄热环境、维持煤的氧化过程不断发展的时间这四个煤层自然发火的必备条件，导致了采空区自燃事故的发生[1-2]。

三、治理技术

按照工作面从封闭到启封的时间顺序，将治理过程分为启封前和启封后两个阶段。

（一）工作面启封前的自燃隐患治理技术：

（1）封闭工作面，降低风量

为了切断采空区的风源以及降低有害气体的泄漏，对工作面进行了封闭。9月9日，工作面运输顺槽、回风顺槽先后构筑鱼鳞式板闭结束，9月11日，在风机两巷板闭前又各构筑了一道厚度为1000mm砖闭。如图1所示。

图1 115011工作面封闭示意图

（2）开掘防灭火措施巷

为了降低工作面闭内温度、封堵采空区漏风通道，确保工作面启封后防灭火措施顺利实施，设计在机、风巷外侧施工防灭火措施巷。

进风防灭火措施巷设计开口位置距密闭10m，与机巷成60。夹角，沿煤层顶板以18。下山掘进21.855m后（两巷之间的净煤柱为20m），再与机巷平行的方位掘进80m平巷。巷道断面为矩形，断面积为5.56m2。

回风防灭火措施巷设计开口位置距密闭也为10m，措施巷与风巷成60。夹角，沿煤层顶板以10.5。上山掘进24.896m后（两巷之间的净煤柱为20m），再与风巷平行的方位掘进90m平巷。巷道布置如图2所示。

图2 工作面防灭火措施巷示意图

（3）灌注液态CO2

为了对封闭区域进行惰化降温[3]，向工作面灌注液态CO2600t，彻底降低了存在于底部浮煤和顶部破碎煤体内的高温能量。其中向工作面上隅角灌注液态CO2150t，通过措施巷向采空区后部打眼灌注液态CO2150t， 从机巷向下端头后部灌注液态CO2300t。

（4）灌注胶体

由于工作面开切眼和顺槽煤帮的支撑，在采空区周边形成了漏风严重的“回”形通道，为确保工作面启封后大幅度降低采空区漏风，需向采空区灌注复合胶体或高分子胶体，切断采空区周边的主漏风通道。

（二）工作面启封后的自燃隐患治理技术：

工作面启封后，应采取以“控制采空区漏风，降低采空区氧气浓度”为主的防灭火技术。总体防治思路是：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（见图3），有效降低采空区的漏风和氧浓度，并通过防灭火措施巷向采空区灌注复合胶体，抑制采空区煤体复燃或自然升温[4]。

图3 115011工作面端头封堵示意图

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。

工作面恢复生产初期，可通过防灭火措施巷向采空区施工钻孔灌注复合胶体和液态CO2或氮气，注惰气量依据工作面气体变体情况而定[5]。

灌注复合胶置：钻孔间隔10m，终孔至煤层顶板，距运顺外帮2m，待工作面距注胶口超过15m时开始灌注，注胶量200～300m3/孔。

四、治理效果分析

自从探测到工作面采空区多处温度升高，CO、CH4、C2H6和C2H4出现异常以来，先后采取封闭工作面，向密闭内灌注液态CO2、液氮及胶体，开掘防灭火措施巷，从采空区后面打眼灌注灭火材料这一系列措施，取得了良好的效果。现以治理前后检测到的CO浓度变化（如图 4和图5 所示）对治理效果加以说明

图4 8月22日至9月18日各测点CO浓度变化曲线

由图4可知，各测点的CO浓度在8月25日以前处于平稳状态，8月25日至9月6日出现了较大幅度的升高，而且在实际观测中工作面的温度也有较大提高，检测中开始出现其他分解气体，而9月6日至9月9日工作面的温度大幅度飙升，CO以及煤自燃分解出的其他气体的浓度出现了大幅度的跨升，生产安全形势急剧恶化。9月9日对工作面进行封闭以后，由于积聚作用，10日的CO浓度达到了最大值，上隅角达到了最高的731×10-6，风巷密闭内达到了600×10-6，机巷密闭内达到了514×10-6。从图上可以看出，采取治理措施以后，各测点CO浓度出现了大幅度的回落，而且巷道和采空区的温度也明显降低，说明这些技术的应用取得了良好的效果。

图5 9月18日至10月9日各测点CO浓度变化曲线

由图5可知，9月20日以后回风流和上隅角的CO浓度都在0至4×10-6的范围内波动，达到了安全标准的要求；机巷密闭内的CO浓度在0至12×10-6的范围内波动，回风流和上隅角的波动幅度大，但也在安全规程要求的范围以内。随着后续治理工作的不断进行，CO等相关煤层自燃分解气体浓度完全达到了安全生产的要求，部分时段CO浓度为零，为工作面顺利地恢复生产提供了可靠保障。

五、结论

利用封闭工作面隔绝氧气技术、灌注液态CO2惰化技术、灌注胶体阻化技术对综采工作面采空区自燃进行治理，达到了预期的效果，得出以下结论：

（1）开采自燃倾向性大的煤层时，必须制定一套完整的防灭火安全技术措施，合理地进行开采。工作面采空区留有大量浮煤、煤矸石，没有进行及时有效的处理，且有漏风通道，造成采空区自然发火，影响工作面的正常生产。

（2）开采自燃倾向性大的煤层，一定要有合理的组织，提高工作面推进速度，避免发生自燃现象[6]。

（3）通过封闭工作面，掘进灭火措施巷，向自然发火区域灌注液态CO2 、阻尼胶体，使工作面采空区的发火征兆得到了有效的控制，为易燃煤层采空区自燃发火防治积累了经验。

参考文献：

[1] 李东印，蒋东杰，贾海林. 不连沟煤矿特厚煤层综放面采空区自燃“三带”分布规律[J]. 煤炭工程，2011，（5）：86-88.

[2] 邓刚. 浅析影响煤层自燃发火的因素及对策[J]. 煤炭工程，2009，（3）：39-41.

[3] 丁强，张义伦. 城煤矿22112综采面煤层自燃防治技术[J]. 煤矿开采，2011，16（4）：109-111.

[4] 李彦斌，杨永康，康天河，柴肇云，李义宝，兰毅. 浅埋易燃厚煤层综放工作面防灭火技术[J]. 采矿与安全工程学报，2011，28（3）：477-482.

[5] 马立强，李永升. 煤矿井下矸石置换煤炭清洁生产技术[J]. 煤炭学报，2010，35（5）：816-819.

[6] 梁霏飞，吴国光，孟献梁.煤泥水煤浆技术研究进展[J].能源技术与管理，2011，（6）：98-103.