下分層放頂煤開采后采空區內因火災預防技術

白心愿

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

煤層自燃又叫煤層自然發火或煤層自燃火災，是具有自燃傾向性的煤與空氣中的氧氣發生物理化學變化，產生并積聚熱量，導致溫度升高，最終發生燃燒的現象。簡言之：凡是煤沒有經過點燃而自行著火的現象，統稱自燃。自燃是自然界存在的一種客觀現象，這種現象由來已久，據估計已在地球上發生了幾百萬年。全世界大大小小煤礦都不同程度地面臨著自燃的危險，這種自燃災害不僅造成了的煤炭資源大量浪費，影響著正常生產和人員設備安全，而且煤炭自燃后還將引起周圍圍巖石變質(簡稱“燒變巖”或“燒變層”)，這些巖石變得脆弱，產生大量裂隙，成為地下水流動的通道，是煤礦最危險的充水水源，會導致突水、淹井等次生災害。煤炭自燃有可能引起煤礦井下瓦斯爆炸、煤塵爆炸、頂板冒落等災害的發生，造成人員傷亡，生產設備被毀；淺埋煤層發生自燃后，上覆地層經過劇烈的烘烤，土層的含水量大幅降低，從而導致植被枯死，農田也不再適宜種植；煤層自燃發生后的地表塌陷區地表水流失嚴重，隨后也將成為水土流失的高發區。可見煤炭自燃危害十分巨大，因此各國都十分重視煤炭自燃現象的預防和控制。

1 產生煤炭自燃的影響因素

1.1 煤的自燃傾向性

煤的自燃傾向性就是煤在常溫下的氧化能力，是煤的一種自燃屬性，是對煤能夠進行自燃的難易程度的度量指標。不同的煤層具有不同的自燃傾向性，其強弱程度對煤層自燃發火的危險程度具有直接的影響作用。

1.2 煤層地質賦存條件

對于較厚的煤層來說，其在短時間內無法全部回采，且在回采過程中會余留大量的浮煤和煤柱，由于回采時間較長，且遠遠超過煤層的自然發火期，即煤炭從暴露在空氣中到發生自燃的時間段，所以較厚的煤層本身具有較高的自然發火危險程度。此外，對于急傾斜煤層和地質構造破壞帶來說，在對煤層發生擠壓以及張拉等作用時，會導致煤層出現裂隙等問題，這樣就會增加煤炭與空氣的接觸面積，縮短其自然發火期，所以也具有較高的自然發火危險程度。

1.3 開拓開采條件

在煤礦井下作業中，留設較少的煤柱，對較少的石門進行煤層切割以及對巖巷進行開拓可以有效降低采空區發生自然發火的概率。對于巖巷進入采區的厚煤層開采，可以采用打鉆預防性注漿的方法。影響煤炭自燃的外在表現為回采時間和煤炭回收效率，如果所采用的采煤方法會遺留較多的煤炭就會增加煤炭自然發火的概率，而且在開采中采用長壁式采煤方法中的留刀柱支撐頂板，留煤皮假頂，以及利用水力進行采煤等方法都會導致煤炭自燃概率的增加。此外，在同一個回采工作面中如果具有較慢的回采速度，其拖延時間越長，就越容易發生煤炭自燃現象，且不利于對火災災情的控制。

1.4 通風方式

煤礦井下采空區的通風方式對煤炭自燃的影響主要表現在煤壁和煤柱的裂隙問題以及采空區的漏風問題上，如果采空區發生漏風問題，即便是具有較小的漏風量，漏風時間過長就會導致兩巷和工作面出現斷層以及變薄帶跳面的現象，這樣就會大大增加煤炭發生自燃的概率。

2 防止采空區遺煤自燃的技術措施

2.1 礦井采空區火災概況

活雞兔井1-2煤復合區放頂煤工作面所采煤層為1-2煤復合區下分層，具體回采工作面分南北兩翼，工作面回采前施工了大量鉆孔疏放上層采空區積水，且受采動影響，上分層采空區浮煤存在氧化自燃的可能性。同時，隨工作面推進頂板垮落，采空區局部區域遺煤厚度變大，工作面順槽上方煤柱易壓裂破碎，復合采空區自然發火可能性隨之增加。為確保活雞兔井1-2煤復合區系列綜放面不因煤層自燃火災而影響生產，提高礦井抗災能力。通過對1-2下202、1-2下204綜放面的防滅火技術研究結論及防滅火經驗總結，結合大柳塔煤礦現有防滅火技術及裝備情況，充分體現“以防為主，防治結合”的思想，提出適合于綜放面安全開采的防滅火技術應用方案。

2.2 采空區預防性注漿技術

井下鉆孔注漿技術：通過1-2下208運順副幫與頂板分別向1-2上206采空區、1-2上208采空區施工高位鉆孔，施工完畢后將鉆孔與活雞兔井注漿管路相對接，便可對上分層采空區局部低洼點進行注漿、注膏體，在上覆采空區局部形成隔離帶，減少向上覆采空區漏風同時阻斷采空區“ O”型圈，如圖1所示。

圖1 1-2上206、1-2上208采空區注漿高位鉆孔注漿示意圖

采用密閉措施孔注漿：1-2煤復合區系列工作面回采前在切眼敷設兩趟注漿管路，待工作面回采600 m后利用活雞兔井注漿站并結合井下臨時注漿轉換池對切眼處進行預防性注漿。工作面回采過程中對順槽每個聯巷一般防火密閉措施孔進行注漿，有注漿高位鉆孔時對高位鉆孔也進行注漿，如圖2所示。

圖2 1-2煤復合區系列工作面采空區聯巷注漿示意圖

地表打孔注漿技術：1-2煤復合區煤層屬淺埋深煤層，在工作面回采結束后，極易形成地表裂縫，采空區漏風點較多，為煤自燃創造了良好的基礎條件。相反，在地表打設鉆孔進行預防性注漿也相對較容易，實施效果相對明顯。在工作面推進800～1 000 m后，可在采面原切眼及兩順槽對應的地面垂直部位打設鉆孔安裝垂直注漿管路，便可對采空區兩道兩線最直接地進行注漿覆蓋，消除了采空區煤自燃易發點的著火隱患。

2.3 “以快防火”方案

大功率重型綜采設備快速開采技術：提高回采速度，不僅需要投入一套性能優越、組織合理、高效安全的生產設備，其需要對設備進行升級、改造，優化，提高其服務效率，并采用“大斷面、多通道、大風量、低風壓”的通風系統、“長運距、大運量、軟啟動”的主運系統、“無軌膠輪化”的輔助運輸系統、“地面移動箱式變電站鉆孔直供”的供電系統，同時應用網絡化技術，對各系統實現自動化遠程控制，實現各系統相互協調并達到最優運行，實現了平均推進度14 m/d的快速開采，起到主動防火的作用。

多通道快速搬家技術：此技術可以使得靠近停采線區域的浮煤減少煤氧化接觸時間，減少采空區大面積漏風，浮煤在進入發火期之前便可回撤完畢，并進一步通過采空區封閉全面隔絕氧接觸通道，避免發生自燃現象。目前工作面設備回撤時間可控制在6～8 d，后期封閉時間大約在5～7 d，遠遠超過了其自然發火期，對采空區煤自然發火起到了積極的抑制作用。

快速封閉新技術：工作面設備回撤完畢后，第一時間在采空區回撤通道兩端頭、兩順槽口進行包圍封閉，切斷大面積漏風通道，減少該區域浮煤氧化時間，密閉施工規格為0.5 m厚磚閉，大約用時3 d。包圍封閉后，再進一步緊靠施工1 m磚閉+3.5 m黃土填充+1 m磚閉，最后在磚閉之間注入羅克休高分子膨脹材料加強密閉嚴密效果，減少漏風，有效防止煤自燃。

2.4 控制漏風措施

采用地表封堵的方法：針對活雞兔井1-2煤復合區煤層埋深淺，回采完畢后出現地表大部分跨落塌陷等嚴重問題，特成立專門的地表回填小組，采用SF6氣體示蹤法精密地測量出相應采空區的漏風量及漏風地點，組織專門的機械化隊伍對漏風地表區域進行大規模縫隙回填堵漏，達到減少漏風的目的，杜絕采空區遺煤的氧接觸條件。

采用密閉堵漏的方法：①在工作面即將推過聯巷時，在該聯巷密閉施工位置以內堆積黃土堆，使得后期密閉砌筑之后聯巷下邊角更好地隔絕密封外界；②密閉施工完畢后，對閉間空隙進行灌注羅克休、三項泡沫等高分子發泡膨脹材料，起到密封效果；③對聯巷全范圍進行噴漿，噴漿厚度不小于7 cm，最大限度隔絕漏風；④全工作面嚴禁在回風側控風，統一在進風側控風，減少漏風量。

2.5 加強遺煤管控措施

采空區自然發火預防管理最有效的措施是對回采工作面開停采線、進回風道的綜合治理，工作面在初采開始嚴格控制頂煤的遺留，以沿頂回采為標準，最大限度減少遺煤進入采空區。切眼兩側順槽每推進1 m都要進行浮煤清理，并撒布巖粉、堆積沙袋，尤其是遇聯巷口必須沙袋堆積至頂，隔絕浮煤與空氣的接觸表面。聯巷密閉施工前首先將煤幫兩側的松散煤體、邊角跨落遺煤處理干凈方可進行密閉施工。對于順槽煤幫的片幫煤、松散煤、設備遺漏煤等均應清理干凈，必要的時候要停產處理，最大限度減少遺煤進入采空區。生產過程中，加強對綜放面放頂效果的考核，必須反復操作后尾梁和后插板，保證放煤干凈，避免頂煤進入采空區留下自然發火隱患。工作面回采完畢，支架回撤期間，每回撤一臺支架都應在塌陷區域撒布沙土、噴灑泥漿或高分子阻化劑，抑制浮煤氧化。

3 束管監測技術的應用

3.1 人工預埋束管監測技術

該技術主要從采空區“兩道兩線”區域提前敷設束管用于后期的采空區氣體人工采集通道，從而通過氣相色譜儀化驗分析得出采空區當前內部的氣體分布情況，進一步為采空區自然發火判斷及采取相應的正面措施提供可靠的數據支持。

進風側：在被測工作面的進風順槽內自切眼起每隔200 m布置2個束管進氣端，然后從順槽就近聯巷中引出固定作為束管采氣端。束管的敷設路徑緊貼順槽內副幫腳線，在測點處沿副幫煤壁平緩弧度升起至距頂板200 mm處將2根束管分開綁扎固定，兩趟束管全部由1.5吋的鋼管套全程穿引保護，在套管連接處用150 mm長的2吋鋼管段套穿連接固定，防止切斷。敷設完畢后在煤幫腳線的束管套身每隔1 m壓置1個小型沙袋用于固定套管，防止采空區頂板跨落大塊巖石硬性對碰砸損束管管路。束管管路預埋完畢后，隨著后期工作面推進，采空區形成，便可隨時監測采空區內進風側任何一段區域范圍的氣體分布情況。如圖3、圖4所示。

圖3 采空區進風側束管敷設示意圖

圖4 采空區氣體監測點束管敷設示意圖

回風側：由于回風側只有一條巷道，無外側輔運巷，故無法將束管短距離敷設引出至聯巷，且長距離敷設束管引至順槽口采氣時因距離過長無法采集到內部真實的氣樣，因此回風側的束管預埋僅能實現采空區距順槽口500 m范圍內的區域，最遠監測距離限制為順槽口以內500 m區域，束管埋設方式等同進風側。

3.2 紅外束管實時監測技術

該技術主要用于監測活雞兔井1-2煤復合區下分層開采工作面系列采空區內回風側氧化帶(90～244 m)的氣體成分，實現采空區內回風側氧化帶實時監測的目的。該技術所用設備為北京中才紅外束管廠家提供的JSG-4紅外束管監測系統，工作程序為：安裝時將測點引出的束管連接在系統抽氣泵中，設備運行時抽氣泵將抽采的氣樣輸送至分站內傳感器中，傳感器通過感應自動得出氣樣中各成分的數據結果，同時將該數據通過光端機轉換成光路信號通過光纜傳至地面的系統軟件，通過軟件界面可以直觀地看出測點的實時氣體成分，如圖5所示。

圖5 紅外束管監測系統工作流程說明圖

束管敷設方案：工作面形成后，一次性從紅外分站處引進2根束管(1號和2號)沿回風順槽副幫腳線由外向里直至切眼，束管的敷設路徑、保護措施與測點位置敷設方式等同于人工預埋束管。不同的是人工預埋束管一次性埋設完畢后無需后期的調整，而該技術中敷設完畢的束管需不間斷定期地進行斷管、重新形成新的測點位置，以保證采空區氧化帶始終有測點束管進氣端存在。

測點調整方式：當工作面推進150 m時，2根束管的進氣端同時第一次進入采空區150 m位置，也就是采空區第一次出現氧化帶位置，這時在工作面回風隅角處斷開1號束管，重新布置新的測點位置。當工作面再推進150 m時，2號束管測點進氣端進入采空區300 m位置，1號束管測點進氣端第二次進入采空區150 m位置，此時在工作面回風隅角處斷開2號束管，重新布置新的測點位置。當工作面第三次推進150 m時，2號束管測點進氣端第二次進入采空區150 m位置，1號束管測點進氣端進入采空區300 m位置，此時再斷開1號束管重新布置新的測點位置……以此類推，2根束管以150 m為臨界距離相互交替斷開并布置新的測點位置，如圖6所示。需要注意的是2根束管在敷設前必須做好區分標記，防止后期斷管時出現混淆不清的現象。這種方法保證了采空區內0～300 m范圍內的監測數據，滿足氧化帶90～240 m的監測范圍。

圖6 測點示意圖

3.3 鉆孔束管監測技術

該技術是通過在可用巷道內鉆探相應角度、尺寸、距離的鉆孔通往備測采空區，以達到氣樣采集化驗監測的目的。在鉆孔閥門處安設束管連接配件，使用負壓采樣器在束管接頭處進行氣體采集，也可將束管通過鉆孔通道伸至采空區內部區域進行采氣，將采到的氣體進行色譜分析得出相應的氣體成分數據，掌握采空區氣體分布情況及浮煤氧化情況，為防滅火措施的采取提供依據。

4 結語

大柳塔煤礦活雞兔井1-2煤復合區煤層極易自燃，隨著綜放技術的應用，使得綜放面自然發火危險性增大，對煤礦生產構成重大威脅。綜采放頂煤工作面的煤炭自燃又具有其獨特性，根據復合區綜放開采煤層自燃特點，結合神東公司現有防滅火技術條件，應建立健全采空區自然發火預測預報監控系統，采取實用性的有效預防發火措施及研究項目，形成一整套較完備的“以防為主、重點治理、防治結合”綜放開采綜合防滅火技術。