高瓦斯礦井綜采放頂煤采空區自然發火的治理研究

摘 要： 主要通過對內蒙古阿刀亥煤礦綜采放頂煤工作面采空區自燃發火的治理研究，得出高瓦斯礦井出現火災事故被迫全礦井封閉后，如何采取安全有效的滅火措施，治理采空區火災事故提供參考。

關鍵詞： 高瓦斯礦井；綜采放頂煤；采空區；自燃發火

一、概述

阿刀亥煤礦為年產90萬噸礦井，主采煤層厚度10-70m，平均22.58m，煤層傾角78-84°，急傾斜煤層，高瓦斯礦井，煤塵有爆炸性，煤層自然傾向性為Ⅱ類。采煤方法為急傾斜特厚煤層水平分層綜采放頂煤采煤法。水平分層厚度16m，采高2.2m，放頂煤13.8m。由于地面煤層露頭廣泛出露，淺部煤層受多年地面小窯開采及露頭火區影響，火區的存在嚴重威脅下部煤層的開采。

阿刀亥煤礦東部采區布置有1177、1193綜采工作面，東翼1155綜采工作面于2013年8月回采，2014年12月10日停采，停采線距外口67m，2015年1月6日停采封閉。工作面停采回撤后南北巷各修筑兩道500mm厚防火墻，留設注氮管孔，磚墻間距800mm，預留充填羅克休。

二、自燃發火隱患確定

2015年10月31日礦井總回風CO傳感器報警，后派人查看發現1155采空區北巷外口密閉及回風側木板擋風墻倒塌，北巷密閉口以里約30m位置出現火盆，巷道頂部出現層狀青煙，初步分析，工作面回撤封閉后，采空區未及時采取注氮等防火措施，上部老火區下延造成1155采空區出現自燃發火，引爆采空區瓦斯，沖擊波將北巷磚閉及回風側擋風墻摧倒，11月1日北巷密閉外CO濃度嚴重超標，火勢蔓延擴大至北巷外口，無法及時恢復1155北巷口密閉，后采取灌注液態CO2滅火，未能達到預期效果，為防止火災事故進一步擴大， 2015年11月19日停止供電，人員撤出，被迫全礦井封閉，封閉后，停止主扇供風，采取隔絕O2控制火勢，井下O2濃度降至14%，CO濃度2000ppm，CH4濃度4%并呈現持續上漲趨勢。

三、滅火治理措施

考慮到火勢發展情況及礦區地質、現場施工條件等因素影響，確定了如下滅火治理方案：

1.控制火勢（封堵漏風）

由于冬季受自然風壓影響較大，各井口密閉漏風嚴重，井下O2在14%，持續供氧，井下火勢始終處于蔓延發展狀態，為此對各井口采取了風機解體，塑料布封堵蝶閥，地面風硐四周黃土填埋，硐頂防水處理，硐壁壘砌磚墻配合充填粉煤灰等堵漏風措施，井下O2降到12%，CO由13000ppm降到3000ppm，火勢得到了一定控制。

2.隔絕滅火（灌注惰氣）

為使O2降到瓦斯爆炸條件以下，2016年2月29日重啟制氮機采取火源點外圍向中心點附近逐步注氮措施，開始由副井向井內注氮滅火，注氮量400m3/h，到9月份O2濃度由13%降至5%，CO濃度2000ppm降至5ppm，為進一步鞏固效果，9月7日投入一臺600m3/h制氮機改由1155采空區上方注氮管路向采空區注氮滅火，兩臺注氮量合計在900m3/h，O2濃度由5%降至3%，CO濃度由5ppm降至0ppm。通過采取注氮措施井下火區處于陰燃狀態，判斷不具備存在明火條件。

3.火區降溫（液氮降溫）

前期注氮措施對井下火勢起到有效控制，但采空區及外圍過火巷道高溫區域難以徹底消除，由于所處區域為缺水地帶，且地面鉆孔未對井下巷道封堵前，不具備注漿滅火條件，為此，先期采取低溫惰氣降溫措施。

液態二氧化碳沸點為-78℃，吸收大量熱量后，形成固體干冰，會堵塞管路，造成崩管事故，而液態氮沸點溫度為-196℃，吸熱降溫效果更優于液態二氧化碳，氣化形成低溫氮氣，安全性高，通過比對，選取液氮向采空區輸送降溫。

11月5-18日對1155采空區上方以全天24小時不間斷向1177、1193采空區注液氮61噸。汽化后與氮氣混合生成-30～-50℃氮氣以1000m3/h連續13天對1177、1193、1209、1155采空區降溫，累計灌注-30～-50℃低溫氮氣312000m3.由于各監測點距離1155火區位置較遠，無法直接測量氣體溫度檢測降溫效果。

4.高溫探查（氧氣探查）

為檢驗降溫效果，判斷火區是否存在高溫，通過比對分析，采取了自然供氧探查方案。10月20日停止制氮機，開始供氧探查，井下O2濃度恢復到7-8%，24日各井口監測CO濃度由0變化為1ppm，12月4日再次停止注氮，13日井下O2濃度恢復到11%，各井口監測CO濃度由0變化為4-10ppm，通過兩次O2探查，判定1155火區及過火巷道存在高溫區域氧化生成CO，采取液氮降溫措施難以徹底消除高溫積熱區。

5.火區封閉（地面打鉆）

由于發火點位于1155采空區且北巷密閉倒塌采空區向外漏風，不徹底封堵采空區漏風通路難以控制火勢，為此采取了地面施工定向鉆孔封閉方案，一方面起到封閉采空區漏風作用，另一方面對外圍巷道封閉注漿，防爆隔爆，以便礦井恢復通風轉入井下治理。2015年12月8日開始地面選取位置向1155北巷密閉口以里3m位置及1155軌道石門、運輸石門施工定向鉆孔，并由地面采取灌注混凝土，成功對1155北巷及外圍1155軌道石門、運輸石門高溫區域進行了封堵。

6.恢復通風（正壓通風）

對1155采空區及外圍高溫區域封堵后，采取注氮措施控制采空區內的O2濃度。采取由西風井主扇反轉正壓通風恢復通風，由東風井排風排放瓦斯的方案，保持了礦井原有通風路線。且采取正壓通風，相比負壓通風對采空區防火有利。

西風井風機開啟后，由東風井利用監測系統連續監測，2小時總排風CH4濃度由10%降至0.25%，且通過色譜分析總排風內持續未出現CO等發火標志性氣體，從而判定井下火區已得到控制，可轉入井下局部火區治理。

四、取得經驗

1、采取全礦井封閉后，井下風壓的產生為自然風壓作用，采取由閉內外測定靜壓差即為自然風壓大小，直接測定的方法較理論測算準確度更高。

2、井下火區燃燒會生成H2、CO、CO2、GH4等爆炸性氣體，與O2、N2等氣體混合存在一定的爆炸性，治理火區應充分分析火區內混合氣體的爆炸極限及判定混合氣體爆炸危險性。

3、火區滅火措施應因地制宜，劇烈燃燒階段不宜采取注水滅火措施，以免形成水煤氣引起爆炸。

4、井下出現自燃發火后，要盡量采取井下局部封閉，可選取的滅火措施較多；采取地面全礦井封閉措施，一方面各井口密閉漏風難以有效控制。另一方面對火區滅火措施受到限制。

5、高瓦斯礦井在被迫全礦井封閉期間，要邊通風邊封閉，盡量維持原通風系統、通風路線，以免出現瓦斯事故。

6、數據監測手段要多樣，光學儀器在O2濃度比較低的情況下誤差較大，要選取監測傳感器、便攜式報警儀、色譜分析、人工監測等手段相結合，實時對比分析。

7、處理采空區發火事故，如不能達到現場進行處理，選取地面施工定向鉆孔的滅火方案最為安全，穩妥且成功率較高。

五、結論

對于急傾斜煤層多采用水平分層放頂煤開采，采空區漏風常常造成遺煤自燃，逐漸發展為大面積火區，且隨工作面放頂開采持續下延，威脅下部工作面開采，滅火工作的關鍵在于因地制宜選取安全、經濟、有效的綜合滅火措施，徹底消除高溫區。■

作者簡介：王海朋（1982年7月—），男，漢族、河北唐山人，本科，安全助理工程師，現任開灤集團荊各莊礦業公司阿刀亥工程項目部安全副總工程師。