虎峰煤礦近距離煤層防滅火技術研究及應用

閆曉龍

（大同煤礦集團華盛虎峰煤業有限公司，山西 河津 043300）

近距離煤層的采空區遺煤自然發火災害經常發生，因此，開展對近距離煤層上部采空區遺煤自然發火治理技術的研究，對保障采空區下煤層安全開采具有十分重要的意義。針對虎峰煤礦極近距離煤層上部采空區自然發火治理問題，根據其煤層賦存狀況及煤的自燃特性，結合目前主要的防滅火技術，有針對性地提出了控制及治理發火區的措施，確保煤礦安全生產。

1 工程概況

大同華盛集團虎峰煤礦建設規模為60萬t/a。礦井現開采2上、2下號煤，兩層煤屬極近距離煤層。2上號煤層平均厚度2.5m，2下號煤層平均厚度4.0m，上距2上號煤層3.28m。巷道埋深400m左右，煤層皆為近水平煤層。2上號煤層吸氧量為0.6978（cm3/g），自燃等級Ⅱ級（自燃）；2下號煤層吸氧量為0.6978（cm3/g），自燃等級Ⅱ級（自燃）。

2111工作面為2下號煤層的生產工作面，工作面走向長度為1100m，傾向長度200m，煤層傾角為8～14°，其上層煤已被采空，由于當時開采采用的技術手段，導致上部采空區遺留較多殘煤，同時，因煤層間距較近，開采時采動的影響較為劇烈，極易在采空區形成漏風通道，加速了煤層自然發火。工作面于4月發現上煤層采空區有煤層自燃現象，緊急封閉工作面，極大地影響了礦井的安全高效生產，因此，加強對極近距離煤層進行防滅火研究并采取相應措施非常必要。

2 主要防滅火技術

2.1 漏風封堵技術

該技術采用均壓、水泥噴漿等手段對近距離上部煤層采空區進行關鍵位置的封堵，有效地封堵通風通道，隔絕易燃煤體與氧氣的接觸，防止遺煤氧化生熱出現煤層自燃現象。

2.2 采空區注氮技術

注氮技術是通過向采空區關鍵發火位置注入氮氣等惰性氣體或泡沫，有效隔斷發火區域，降低發火區氧氣濃度，迅速消滅火源。但不適宜用于煤體比熱容較大的環境，容易導致滅火時間長且極易發生復燃現象。

2.3 膠體防滅火技術

膠體材料具有高吸水性、凝膠性和有效期長的特點，研究開發的膠體材料有復合膠體和高分子膠體。此技術是通過向采空區注入膠體材料，使采空區內易流動的礦井水溶液在采空區內指定位置發生凝結，生成膠體將發火區域包裹，并且膠體在一千攝氏度環境下仍然不會較快的氣化，只會因為水分的蒸發發生較小程度的萎縮，且適應于復雜的地質條件。

注膠工藝如下圖1：

圖1 膠體注膠工藝

3 防滅火措施

3.1 發火區火勢控制措施

2111工作面封閉后，緊急采取措施，于4月3日對2111工作面兩條順槽以及工作面進行氣密性處理，對封閉區域進行均壓調節，隔絕氧氣與采空區煤體的接觸，以達到控制火勢的目的。

在工作面靠近采空區關鍵發火區的位置打鉆孔，通過鉆孔向采空區注入氮氣，24h持續注氮，注氮量為800m3/h。工作面封閉后的一個月時間里，共向采空區注氮約45萬m3，采空區氣體被置換數達12次。有效地降低了采空區氧氣濃度，達到了隔離火區的目的。

在工作面啟封前，組織人員對工作面的封閉區域進行噴漿，隔絕空氣的流通，避免氧氣的通過，造成采空區發火區的復燃。

3.2 發火區治理措施

通過鉆孔向發火區灌注復合膠體材料，使膠體包裹隔絕被氧化的浮煤，迅速降低發火區積聚的能量，達到徹底滅火的目的。同時，對工作面上方進行膠體灌注，可以起到密閉封堵漏風通道、隔絕降溫作用，隔離具有自燃傾向的煤體。工作面灌注復合膠體的方案如下：

通過下煤層工作面向發火區域關鍵位置打鉆孔，抽取發火區位置氣體，取樣化驗成分，詳細掌握采空區遺煤氧化程度。根據分析結果，制定了通過鉆孔向采空區灌注凝膠的方案，對發火區煤層自燃進行治理：

（1）向工作面上部進行高分子膠體灌注，鉆孔布置：向工作面上部頂板每隔3m打一個鉆孔，每個鉆孔注膠量取20m3；

（2）向工作面上部灌注復合膠體，鉆孔位置：從工作面回風順槽向巷道頂板每隔5m打一個鉆孔。向工作面上部灌注膠體材料后，會在工作面支架前后形成寬5m、斜長60m、平均厚度達3m的膠體隔離帶，起到防滅火的作用。

4 火區治理效果

4.1 封閉區域治理效果

在工作面封閉的一個月里，該礦采用以上控制及治理措施進行防滅火治理，并對工作面各標志性氣體濃度進行持續監測，變化情況如下圖2、圖3所示。

圖2 2111工作面CH4、O2和CO2濃度監測曲線

圖3 2111工作面CO濃度監測曲線

圖2為2111工作面CH4、O2和CO2濃度監測曲線，圖3為2111工作面CO濃度監測曲線，根據上述監測曲線，主要對工作面內O2和CO濃度變化進行分析，發現其變化情況如下：

2111工作面O2濃度變化：從4月5日開始監測，此時已經為工作面封閉的第四天，工作面O2濃度已經降低到2%左右，并一直維持在2%上下。直到4月19日～21日、4月23日～25日和4月29日～5月1日期間，才發生些許波動，O2濃度升至接近5%的程度，然后迅速又降至2%。究其原因是在4月19日，向工作面注氮時間進行了調整，減少了注氮時間，但O2濃度依然維持在正常值以下。

2111工作面CO濃度變化：4月3日開始監測時，CO濃度達到了950ppm，第二天繼續升至1100ppm，此時對該區域進行了均壓調節，以及注氮、噴漿等防滅火措施。4月5日發現，CO濃度迅速降至150ppm左右，直到4月11日開始，CO濃度穩定到10ppm以下，并逐漸呈現減少消失的趨勢。

通過對工作面內O2和CO濃度變化進行分析發現，氣體濃度都降低并維持在正常值以下，說明了封閉區域的防滅火治理效果較好。

4.2 采空區治理效果

通過鉆孔向采空區灌注膠體材料后，對部分鉆孔進行氣體抽取，并進行成分化驗，通過向采空區壓注膠體材料，使得采空區氧氣濃度降低到5%以下，CO濃度也維持到10ppm以下。

5 結論

針對虎峰煤礦近距離煤層上部采空區自然發火問題，根據其煤層賦存狀況及煤的自燃特性，結合目前主要的防滅火技術，研究提出了采用均壓調節、灌注凝膠、向采空區注氮及噴漿的方法對發火區火勢進行控制和治理，達到了治理效果，使得發火區關鍵位置的氧氣濃度降低到5%以下，CO的濃度也維持到10ppm以下，有效地解決了上部采空區自燃問題，保障了礦井的安全及高效生產。