大柳塔煤礦采空區預防自然發火技術應用

于永寧

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

礦井火災是直接危害礦井安全生產的主要災害之一，而其中大部分火災事故是自然發火引起的[1-4]。煤礦自燃火災不僅釋放大量有毒有害氣體，還可能引發瓦斯、煤塵爆炸進而危及礦工生命安全[5-8]，不僅對礦井效益造成重大損失，而且嚴重阻礙高產高效礦井的建設。

1 自然發火危險性分析

大柳塔煤礦活雞兔井12下208綜放工作面為1-2煤復合區南翼最后一個工作面，所采煤層為1-2煤復合區下分層，工作面上方為1-2煤復合區上分層采空區，上下分層層間距1.5～4.7 m(平均厚度2.6 m)，煤層自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃。

由于上分層為采空區，下分層工作面巷道采用內錯式布置。下分層巷道掘進期間為確保安全，施工了一些層間距探測孔及疏放水鉆孔，加之正常的錨桿、錨索支護等，雖對各類探測孔進行多次封堵，但采空區漏風仍無法完全杜絕。下分層放頂煤工作面回采時受回采工藝影響“采空區兩道兩線”存在較多遺煤。12下208綜放工作面距離地表較近，回采時地表塌陷形成漏風通道與采空區連通，回采時工作面正壓通風容易造成漏風，從而加快采空區浮煤氧化速度[9-12]，采空區遺煤自然發火危險性較大，目前未出現自然發火標志性氣體。

2 預防采空區自然發火的技術措施

2.1 通風及監測

工作面風量分配及控制：①根據工作面推進情況每月1號前完成礦井風量分配計劃，風量分配時嚴格按照公司2017年下發的《神東煤炭集團礦井風量計算標準》對12下208綜放工作面進風配風，工作面實際通風量不得超過工作面配風量的10%；②每旬對工作面區域進行一次全面測風，掌握工作面進回風壓力差、風量變化情況及漏風情況，并形成報表上報通風組，工作面進回風壓力差及漏風量出現較大波動時每天對工作面區域進行測風。

通風系統調整及控制：①按照壓入式通風在進風側控風原則，在12下208輔運口安設控風自動風門，在12下208回撤通道設置調節密閉；②為降低工作面進回風端壓力差，降低工作面漏風量，減短工作面采空區三帶長度，拆除12下208工作面回風路線上的全部控風設施，確保工作面回風路線暢通；③12下208輔運口自動風門、12下208回撤輔巷自動風門、12下208運順口自動風門安設機械閉鎖裝置及風門開關傳感器、語音報警裝置，并確保閉鎖可靠，確保風門不可能全部打開，避免由于風門的同時開啟造成工作面增壓或失壓，加大工作面漏風量或造成工作面風流短路，同時造成采空區三帶反復拉長縮短引起采空區浮煤氧化自燃。

工作面及進回風巷監測監控：①12下208工作面及其回風順槽安裝各類傳感器及斷電控制裝置，具體位置和傳感器種類參見《神東煤炭集團安全監測監控管理辦法》第4章第16條；②工作面回風上隅角人工吊掛甲烷、一氧化碳、氧氣便攜檢測儀，隨時觀測，發現異常及時采取應急措施。所有便攜檢測儀每班必須更換，帶班隊干在領取時要檢查便攜儀完好情況；③在1-2煤總回設置甲烷、溫度、一氧化碳、風速；在12下208回風設置甲烷、溫度；12下208工作面設置甲烷、一氧化碳、粉塵、溫度；12下208前隅角設置甲烷、氧氣；12下208后隅角設置甲烷傳感器，實時監控12下208工作面區域氣體變化情況。

工作面進回風隅角擋風板：①在工作面開始回采前必須確保進回風隅角擋風板安設完好并投入使用，工作面回采時必須確保擋風板接幫接頂接底，確保嚴密不漏風；②工作面生產移架時嚴禁提前收回進回風隅角擋風板。

2.2 掘進及遺煤留設

巷道掘進時加大聯巷間距：為從源頭解決采空區漏風，減少由于密閉施工質量造成的采空區漏風，1-2煤復合區下分層巷道掘進時盡可能加大聯巷間距，工作面4 164 m僅有38個聯巷，減少了聯巷數目，減少了與采空區相連的聯巷數與一般防火密閉數目，減少采空區漏風。

堅持“快采快撤快閉”理念：①調度指揮中心合理安排活井綜采工作面開機配合時間，盡可能優先確保12下208綜放工作面開機生產，該面最大月推進度350 m，最大日推進度16 m；②加強工作面檢修力度，減少設備故障造成的工作面無法推進的時間。

工作面遺煤留設：①采煤工作面回采過程中，嚴格控制工作面采高，在正常情況下原則上沿煤層底板回采并盡可能放凈頂煤，遇特殊情況底煤厚度原則上不得超過200 mm，并且要及時清理浮煤，盡可能減少采空區遺煤；②每班清理工作面兩端頭20 m范圍內浮煤，杜絕兩端頭浮煤進采空區。

隅角堆巖粉袋：工作面回采過程中對工作面進風隅角處每個聯巷口處向采空區方向堆積寬2 m、長3 m、高2 m的巖粉堆，回風隅角處每隔100 m處向采空區方向堆積寬2 m、長3 m、高2 m的巖粉堆。

2.3 鉆孔及噴漿

加強鉆孔管理：①對工作面順槽內施工的探層間距鉆孔和探放水鉆孔多次進行全面地毯式檢查，若發現未封鉆孔及封閉不嚴鉆孔及時聯系通風隊使用羅克休進行封閉，確保封閉嚴實；②對接地質組探放水思路，在每個流水的探放水鉆孔上好閥門和彎頭，實現出水不漏風。

下分層巷道過上分層聯巷處噴漿：①為防止復合區下分層巷道向上覆采空區漏風，礦內協調噴漿隊伍對活井1-2煤復合區南翼工作面順槽實施噴漿，噴漿區域主要是過上分層聯巷的架棚區域；②施工標準。下分層巷道頂部噴漿寬度為上分層聯巷(硐室)寬度向兩側各延伸1 000 mm，幫部為頂板向下延伸500 mm，噴漿厚度為50 mm。噴漿施工示意如圖1所示。

圖1 聯巷處噴漿施工示意

高位觀測、注漿鉆孔：工作面回采前，預先在相鄰工作面順槽內向采空區施工高位鉆孔，終孔位置在上分層工作面巷道頂板0.5 m處，工作面回采前可利用高位鉆孔監測上分層采空區氣體情況，高位鉆孔注漿示意圖，如圖2所示，也可對上分層采空區充填膏體等材料封堵上下分層漏風通道及采空區“O”形漏風通道。工作面回采時高位鉆孔隨采空區冒落從而造成觀測注漿高位鉆孔終孔位置塌陷至復合采空區上部，可利用高位注漿鉆孔使用活雞兔井注漿站對高位觀測注漿鉆孔對采空區進行注漿；由于高位鉆孔終孔位置較一般防火密閉措施孔高，能夠加大漿液覆蓋面積，加大漿液流動半徑，更好地封堵復合采空區兩道漏風路線，且觀測、注漿鉆孔施工地點靈活，是對采空區注漿點受巷道聯巷位置限制的完好補充。

圖2 高位鉆孔注漿示意

2.4 注膏體、注氮等預防性措施

上分層采空區注膏體：為切斷上分層采空區漏風“O”型圈，降低上分層12上206、208采空區氧氣濃度，避免上分層采空區內浮煤氧化自燃威脅下分層工作面安全回采，實施對上分層采空區局部低洼點注入膏體進行局部封堵，已注入膏體2 000 m3。井下移動式注膏體堵漏/防滅火技術工藝流程如圖3所示。

圖3 井下移動式注膏體堵漏/防滅火技術工藝流程

采空區封閉前聯巷口提前噴漿：為更好地封堵采空區兩道兩線漏風通道，在工作面回采至待封閉聯巷時，使用裝載機對采空區聯巷堆積黃土前，提前使用噴漿機對采空區冒落浮煤、矸石及聯巷采空區側頂、幫、底板進行噴漿，盡可能的覆蓋浮煤及頂幫等處。封堵聯巷處采空區側煤體裂隙漏風通道，并隔絕聯巷附近煤體與空氣接觸，防止其氧化，降低采空區遺煤氧化速度。

采空區預防性注氮、液態二氧化碳：采空區永久防火密閉預留措施孔對采空區進行注氮，惰化上分層及兩側采空區氣體，我礦現共有4套DM-1000型膜分離注氮機，每臺注氮機均配備自動滅火裝置。目前累計注入約800余萬m3。通過地面和進行對相鄰采空區直注液態二氧化碳。地面及井下液態二氧化碳直注工藝流程分別如圖4、圖5所示。

圖4 地面液態二氧化碳直注工藝流程

圖5 井下液態二氧化碳直注工藝流程

采空區預防性注漿：從地面向12下208采空區施工8個鉆孔對12下208采空區切眼遺煤較多區域進行注漿，在地面設置1處注漿地點，制備漿液后通過BS2201.690-MT232型37 kW泥漿泵經鉆孔直接注入采空區，漿液在采空區流動、堆積，對遺煤及煤體裂隙包裹覆蓋、封堵，達到預防遺煤自燃的目的。目前12下208采面已注入黃土24 800 m3、漿液122 520 m3。

2.5 監測與巡查

采空區氣體監測監控：①利用JSG4束管監測系統對12下208工作面回風隅角、采空區、回風巷及12上206、208采空區內氣體成分進行實時監測，及時掌握工作面回風隅角、采空區及回風氣體變化情況；②在工作面回采前預先在切眼埋設4芯束管，監測工作面后部采空區50 m、100 m、150 m氣體變化情況。各觀測點束管沿切眼副幫底板敷設，安設套管保護，并使用沙袋覆蓋，到達切眼位置50 m、100 m、150 m處后沿幫升至距離頂板300 mm處；③束管檢測工每周對12下208工作面回風隅角、后部采空區氣體進行人工采氣，利用SG-2003系統進行氣體化驗，并與JSG4束管系統進行對比。

采空區測溫：①利用T335型紅外熱成像儀對1-2煤復合區區域進行紅外掃描溫度探測，掌握該區域溫度變化及溫度異常點，并編制測溫掃描報告，為及時采取預防措施提供依據；②利用紅外線測溫儀對12下208輔運、12下208運順聯巷一般防火密閉進行一次測溫。

地表巡查與回填：①地表裂隙、漏風檢查方法。全員分散巡查，在統計裂隙具體位置做上明顯標記；秋冬天易成霜時節，重點檢查地表不易結霜、積雪融化快的地點，做好標記；利用無人機從空中俯瞰地表，并拍照取點；釋放SF6示蹤氣體確定漏風通道；夜間利用紅外熱成像儀檢查溫度異常點；②地表回填。采用了重點區域集中堵漏與日常巡查堵漏相結合的方式進行地表回填。日常由通風隊地表勘查員每天對地表進行巡查，組織人員對裂隙進行人工填堵，填堵后再進行夯實。針對一些裂隙較大，人工填堵難度大的，安排裝載機等機械進行集中填堵。已填堵的地表經常會再次塌陷、出現裂隙、漏風，因此需要進行二次、三次乃至多次回填。

3 結語

綜上，目前的煤礦防滅火技術和手段雖有了較大的發展與提升，但還需不斷完善和提高防治技術水平，研發和創造新的技術手段，以便能夠及時應對危機形勢。有效防范火災是煤礦安全工作的重要一環，也是杜絕重大事故、實現煤礦安全狀況根本好轉的關鍵。