綜放工作面采空區防滅火技術措施

胡 鵬

（山西潞安集團蒲縣伊田煤業有限公司，山西 蒲縣 041204）

1 工程概況

潞安集團伊田煤礦生產能力為1.2Mt/a。礦井開采9+10+11號煤，煤層厚度為5.78～8.16m，平均厚度6.85m，為近水平煤層，工作面采用綜放開采。9+10+11號煤層經鑒定，煤的自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層。

9103工作面煤層為厚煤層，巷道沿煤層底板掘進，在長期礦山壓力作用下，容易形成高冒區，該區域煤體呈破碎狀態，且破碎煤體長期處于微風供氧狀態，易于積聚熱量發生自燃。在2017年6月中旬，監控系統監測到9013工作面上隅角一氧化碳濃度急劇上升，分析認為是采空區遺煤自燃氧化導致，必須對該工作面進行防滅火治理。

2 煤層自燃原因及治理技術

2.1 煤層自燃原因

9103綜放工作面出現自燃隱患前后，發現采空區有大量松散遺煤，且兩條回采順槽采空區處有漏風現象，加速了煤層自燃。

火源隱蔽在采空區深部，煤層自然發火期較長，當礦井發現明火時，其周圍已存在較大熱量，若不進行有效治理，煤層自燃會越來越嚴重。

根據井下實際情況，雖然已撲滅明火，但自然發火隱患未徹底解決。若采空區沒有有效控制和處理高溫點，工作面重新投入生產使用時，恢復時間較長，仍然存在采空區遺煤復燃的可能。

2.2 煤層自燃封閉節點及措施

通過技術人員討論分析確定，9103綜放工作面自燃發火的重點區域范圍在工作面下端口到第35架液壓支架區間的采空區。因此，本次自燃封閉節點選在此處，封閉措施選用艾格勞尼材料對工作面下段進行噴涂封堵，并在第16～18架液壓支架后方采空區灌注高分子膠體材料。為防止煤層自燃情況擴大，同時對工作面順槽防火墻改造加固，在防火墻內部10m打臨時密閉墻，在防火門處設立永久密閉墻，并在采空區處埋設氣體檢測裝置。如下圖1所示，為9103綜放工作面自燃發火處及封閉位置示意圖。

圖1 9103綜放工作面自燃發火處及封閉位置示意圖

2.3 煤層自燃治理技術措施

降氧控溫是煤層自燃治理的核心手段，而為了實現防滅火的目的，需要深入采空區深部尋找火源位置，進行鉆孔探測，其施工難度大且不易尋找火源。

煤層自燃治理技術主要有：（1）控制氧氣供應量，主要方法有利用發泡率高、堆積成型好、耐高溫的材料封堵漏風通道；（2）控制采空區溫度，主要方法有灌漿、高水材料等；（3）控氧與控溫相結合，主要方法有注氮、凝膠等；（4）控制接觸時間，主要方法是改善煤體蓄熱環境，控制與氧氣接觸的時間，防止氧化升溫。

結合本礦實際情況，決定采用向采空區松軟煤體打鉆，注入液體CO2和高分子膠體進行降溫，以及注入氮氣等進行降氧，兩種方法相結合的措施。如下圖2所示，為防滅火鉆孔平面示意圖及注入液體CO2防滅火裝置。

圖2 防滅火鉆孔平面示意圖及注入液體CO2防滅火裝置

3 應用效果分析

3.1 液體CO2應用效果

針對9103綜放工作面溫度監測數據分析，該工作面遺煤量較大，內部積聚能量較大，導致溫度較高。當工作面啟封時，應首先降低采空區溫度，然后再降氧防止遺煤復燃。因此，首先選取了向采空區注入液態CO2防滅火技術措施。

采用礦用CO2氣體發生裝置，從工作面順槽打好的鉆孔向采空區注入CO2，灌注前后采空區溫度曲線圖如圖3所示。

圖3 灌注液態CO2前后采空區溫度曲線圖

如圖3所示，2017年7月24號之前，采空區溫度在45 ℃上下。7月24號開始向采空區注入液態CO2，對采空區進行降溫，采空區溫度驟降，于8月初降到最低溫度，最低溫度為18 ℃左右。隨后采空區溫度開始緩慢上升，于8月10號左右趨于平衡，溫度平衡在30℃左右，保障采空區溫度維持在安全范圍內。

分析實施注入液體CO2后的效果發現，向采空區注入液體CO2能有效地降低采空區溫度，遏制遺煤自燃的發生。但弊端是液態CO2氣化后比熱容減小，其降溫效果會減弱，導致采空區溫度再次升高。

3.2 高分子膠體應用效果

采用ZHJ-5/1.8礦用灌漿裝置，向工作面注入高分子膠體，采空區溫度變化如圖4所示，CO有害氣體變化如圖5所示。

圖4 灌注高分子膠體前后采空區溫度曲線圖

由圖4可知，施工前，采空區溫度高達45℃左右，從2017年7月初一直持續到7月中旬。當向工作面灌注高分子膠體材料后，采空區溫度開始急速下降，在8月初到達了最低點18℃。之后監測中，發現采空區溫度略有回升，最終穩定在30℃左右。在8月底，再次對采空區煤體進行灌注高分子膠體，采空區溫度驟降到16℃，然后再次回升并穩定至28℃左右。

由圖5可知，2017年7月初未實施防滅火措施前，采空區CO濃度達到5500ppm。灌注高分子膠體后，采空區CO濃度降到接近0，使得采空區CO有害氣體維持到最低點。

圖5 CO有害氣體變化曲線圖

4 工作面啟封后防滅火技術應用

注氮防滅火是向采空區氧化帶內注入一定流量的氮氣，達到防火、滅火的目的。具有以下特點：

（1）系統簡單，原材料來源于空氣，取之不盡用之不竭，機器可進行無人操作，移動方便。

（2）能夠杜絕新鮮空氣進入采空區，有利于控制采空區浮煤自燃；

（3）可抑制采空區瓦斯爆炸，安全性能高；

（4）可對采空區高冒落等人員不能進入的地點進行滅火；

（5）滅火速度較快，能夠盡快恢復生產，生產設備不易受到損壞；

（6）注入氮氣后增加了其注入空間內混合氣體的總量，能夠減少封閉區內外之間的壓力差，減少封閉區外部向內部漏風，減少了遺煤與外部空氣接觸的機會；

（7）要求防漏系統嚴密，對漏風較大的采空區較難實施；

（8）不允許任何人正對泄氮口近距離觀察，以防止窒息；

（9）前期投資大，運行成本高。

9103綜放工作面通過綜合應用以上防滅火技術措施，封閉火區得到良好治理。工作面通過向采空區注入液態CO2和高分子膠體材料，有效地降低采空區的氧氣濃度和溫度，同時也將采空區中的高溫能量充分的置換，使得該工作面在11月初得以順利啟封。

結合礦井實際開采條件，可采取的注氮方式有：托管注氮和插管注氮等。在工作面啟封后，恢復生產時，采用了注氮技術防止煤層自燃，有效地對采空區進行降溫及降氧。在工作面啟封后，確定注氮鉆孔位置為9103綜放工作面運輸順槽端頭處，靠近采空區升熱帶和散熱帶邊緣，打3個鉆孔，通過鉆孔向采空區注入氮氣，注氮量為1000m3/h。同時，在回采期間也隨著工作面的回采采取邁步式注氮工藝，不斷循環地向工作面后方采空區注入氮氣，做好回采期間的防滅火工作。

5 結論

針對伊田煤業9103綜放工作面采空區發生煤層自燃現象，采取了綜合防治措施，取得了良好效果。工作面封閉后，向采空區注入了液態CO2和高分子膠體材料，有效地降低了采空區的溫度和氧氣濃度，并置換出采空區積聚的高能量；工作面啟封后，采用了注氮技術防止煤層自燃，降低采空區的溫度及氧氣含量。9103綜放工作面在隨后的2個月生產中，工作面上隅角CO氣體濃度為0，采空區氧氣濃度維持在5%以下，保障了礦井安全高效生產。