煤層自燃防治技術(shù)

姜海峰，董 登，張寶軍，石文斌

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272102）

0 引言

據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，近年來煤層自燃引發(fā)的火災(zāi)事故占我國(guó)的礦井火災(zāi)的90%左右，煤層自燃導(dǎo)致的煤礦火災(zāi)每年多達(dá)300多次，尤其是一些易燃煤層，不僅造成大量煤炭損失，還給國(guó)家造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。在煤層自燃過程中，煤層在燃燒過程中會(huì)隨著煤層的燃燒產(chǎn)生大量的有毒有害氣體，例如：二氧化氮（NO2）、氫氣（H2）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）等。損傷井下工作人員的身體健康。更嚴(yán)重的是，煤層自燃易導(dǎo)致礦井瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重影響礦井正常生產(chǎn)。我國(guó)大多數(shù)煤礦采用井下開采方式，由于煤層地質(zhì)條件、回采技術(shù)及工作面布局的不同，形成了多種不同的開采技術(shù)，使煤礦燃燒的環(huán)境條件大不相同。所以為了能夠更加有效的控制煤層自燃所帶來的影響，就應(yīng)該從它的本質(zhì)上加以研究，加以防治，只有這樣才能來防止煤層的自燃。

1 煤層自燃的原因以及影響因素

1.1 煤層本身自燃性

煤炭本身具備可燃性。再加上煤炭中的孔隙與裂隙也有吸附氧氣的性質(zhì)。這代表煤更容易被氧化，產(chǎn)生大量熱量。而煤層是密閉環(huán)境，導(dǎo)致熱量大量聚集，溫度升高，在有氧條件下，會(huì)發(fā)生自燃。但由于不同煤層自燃性并不相同，吸附氧氣的能力也有強(qiáng)弱之分。在煤礦實(shí)際生產(chǎn)中，通過測(cè)量煤層氧化難易程度，來確定煤層自燃危險(xiǎn)程度。通過檢測(cè)結(jié)果，制定對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)程度的相應(yīng)預(yù)防措施，可以極大的降低自燃可能性。

1.2 工作面推進(jìn)對(duì)自然發(fā)火的影響

礦井工作生產(chǎn)過程中，技術(shù)人員經(jīng)過長(zhǎng)期觀察發(fā)現(xiàn)采空區(qū)溫度、工作面推進(jìn)距離和漏氣量之間存在聯(lián)系，在采煤過程中隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)里的溫度會(huì)隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)而發(fā)生著變化，這種變化一般分為三種不同的帶，即散熱帶、氧化帶以及窒息帶。在礦井工作面順利推進(jìn)過程中，因?yàn)闀?huì)發(fā)生氧化作用，這使處于支架頂梁和支架背面的松散煤長(zhǎng)時(shí)間未被加熱。當(dāng)煤層并未達(dá)到可以自燃程度時(shí)，隨著采煤工作面的不斷推進(jìn)將尚未達(dá)到自燃臨界點(diǎn)的煤拋入窒息帶。如果工作面不能順利進(jìn)行推進(jìn)，位于架后的煤將會(huì)發(fā)生氧化導(dǎo)致升溫。經(jīng)過長(zhǎng)期的蓄熱，很容易導(dǎo)致自燃事件的發(fā)生。

1.3 部分地區(qū)防火措施不到位

煤礦施工過程中，安全措施應(yīng)比其他建設(shè)工程更重要。少數(shù)煤礦企業(yè)只注重眼前利益，無視防火等安全體系的重要性，不定期進(jìn)行防火檢查。忽視該工作的重要性，從而造成潛在的危險(xiǎn)，一旦發(fā)生自燃事件，往往會(huì)造成更大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

1.4 工作面開采布局不當(dāng)造成自然發(fā)火

受斷層切割及地面搬遷影響，工作面布置造成孤島工作面，形成三面沿空的工作面，加之較大斷層連續(xù)貫穿相鄰工作面，極易造成沿空側(cè)工作面及自身采空區(qū)漏風(fēng)，加大了自然發(fā)火的危險(xiǎn)系數(shù)。

1.5 停采不當(dāng)、防火措施不及時(shí)造成自燃

工作面停采線處于應(yīng)力區(qū)，頂板破碎，停采難度大，停采切眼頂、幫破碎，空隙大，漏風(fēng)量大；頂、幫疏松，停采注漿封堵措施無法奏效或防滅火措施落實(shí)力度不夠，時(shí)間延長(zhǎng)，造成自燃；停采創(chuàng)條件不當(dāng)造成的后序撤除難度大，工期長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于煤層的自燃發(fā)火期，導(dǎo)致自燃。

2 煤層自燃預(yù)測(cè)

1）確定煤層自燃傾向，有利于更好地防治煤層自燃。在特定條件下，不同種類的煤著火點(diǎn)不盡相同。研究發(fā)現(xiàn)，從無煙煤到褐煤,其著火點(diǎn)越來越低,自燃傾向性就愈高。

2）經(jīng)過研究表明，當(dāng)煤層發(fā)生自燃現(xiàn)象時(shí)，燃燒產(chǎn)生的生成物中檢測(cè)到的一氧化碳的最低溫度在60～70℃，當(dāng)自燃發(fā)生后溫度達(dá)到160～190℃時(shí)，此時(shí)已有非常多的一氧化碳了，一氧化碳是煤層自燃所特有的氣體。可以準(zhǔn)確反映煤層的自燃情況。在井下，對(duì)CO檢測(cè)相對(duì)容易。所以想要預(yù)測(cè)煤層自燃情況，可以檢測(cè)煤層中所含CO的濃度，并結(jié)合煤層中其它氣體的檢測(cè)結(jié)果，以此來判斷煤層是否處于自燃發(fā)火期。

3 防火技術(shù)措施

3.1 預(yù)防性灌漿防治技術(shù)

預(yù)防性灌漿就是將水和黃土通過一定的比例混合配置成漿，利用一些特殊的方式將其注入到采空區(qū)等可能會(huì)發(fā)生自燃發(fā)火的區(qū)域，以此來防止煤層自燃的發(fā)生。當(dāng)工作面既有下分層工作面，又要分層開采時(shí)，必須向工作面采空區(qū)注入黃泥漿。要制作黃泥漿，水與黃泥之間的比例要低于5∶1，并保持每天至少有一個(gè)班的人進(jìn)行采空區(qū)的灌漿工作。漿液能對(duì)采空區(qū)遺煤進(jìn)行覆蓋和包裹，大大減少遺煤和氧氣的接觸面積，且漿液中有大量水分可以吸收帶走煤在氧化過程中產(chǎn)生的熱量，防止升溫，達(dá)到防自燃效果。灌漿過程中，應(yīng)該采用少量多次的方法。但這種技術(shù)也有很大的問題:萬一操作失誤，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)工作面跑漿的狀況，對(duì)整個(gè)開采過程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3.2 三相泡沫技術(shù)

三相泡沫防火技術(shù)，主要以黃泥覆蓋、瓦斯膨脹和水的吸熱和冷卻性能來進(jìn)行煤層的防火控制。三相泡沫防火的技術(shù)原理是在發(fā)泡劑和空氣壓力的雙重作用下，可以產(chǎn)生黃色的泥漿，讓這些氣泡覆蓋整個(gè)噴射面積。首先，注射區(qū)的空氣被隔離，以便更好地滅火。同時(shí)，黃泥產(chǎn)生的泡沫更容易堆積，可以熄滅采空區(qū)的所有著火點(diǎn)。三相泡沫防火的主要過程如圖1所示。

圖1 三相泡沫防火的主要過程

3.3 架間注漿快速防滅火技術(shù)

架間快速注漿防滅火技術(shù)主要是利用快速推進(jìn)工作面之間的支撐和及時(shí)填充三相泡沫，使泡沫迅速覆蓋采空區(qū)中的漂浮煤，減少煤與空氣的接觸面積，降低煤的氧化速度，從而撲滅火災(zāi)源。在實(shí)施灌漿和防火的過程中，可以同時(shí)在框架內(nèi)鉆多個(gè)孔，同時(shí)灌漿多個(gè)孔。也可以少量多次進(jìn)行灌注，直至將所有的孔都充填滿為止，通過這樣的方法來迅速撲滅采空區(qū)里的火災(zāi)。鉆孔布置可按下圖所示。

圖2 鉆孔布置圖

3.4 邊采邊注防自燃發(fā)火技術(shù)

邊采邊注防自燃技術(shù)是主要應(yīng)用在沿空工作面、孤島工作面、斷層切割程度大的工作面及易保留浮煤的生產(chǎn)工作面中的一種技術(shù)，即在與工作面平行的采空區(qū)內(nèi)預(yù)先埋設(shè)注漿管，邊采邊使用埋在巷道內(nèi)的管道對(duì)采空區(qū)或沿空側(cè)舊采空區(qū)進(jìn)行注漿。邊采邊注可有效控制那些煤層自燃性高的工作面作業(yè)時(shí)發(fā)生的自燃事故，可以高效的保障煤礦安全生產(chǎn)。

3.5 均壓通風(fēng)技術(shù)

均壓通風(fēng)防火技術(shù)主要是通過在工作面回風(fēng)巷建設(shè)通風(fēng)設(shè)施，減少實(shí)際通風(fēng)壓差，進(jìn)而有效控制漏風(fēng)量，使采空區(qū)形成的實(shí)際自燃區(qū)縮小到最遠(yuǎn)的范圍。可能使窒息帶盡可能向前移動(dòng)，消除氧源，從而抑制自燃現(xiàn)象。

3.6 壓注高分子新型材料防治自燃

隨著材料合成技術(shù)的發(fā)展，對(duì)適合阻燃、密閉性的高分子材料，諸如固邦特、馬麗散、水玻璃等礦用高分子材料，通過專用液壓泵對(duì)采空區(qū)、沿空側(cè)采空及停采線或停采工作面進(jìn)行壓注，對(duì)局部高溫點(diǎn)、封閉堵漏或停采工作面的初期防滅火針對(duì)性效果良好。此種技術(shù)應(yīng)用防火效果明顯，而且工作量較小，工作面還能正常生產(chǎn)，所需錢財(cái)也較小。碳酸氫銨和硅酸鈉(其水溶液即水玻璃是其主要原料)。水玻璃在化學(xué)凝膠中約占3%-9%，碳酸氫銨約占3%。成膠所需時(shí)間隨促凝劑含量的增多而減少。如果需要快速將采空區(qū)或者工作面等發(fā)火點(diǎn)進(jìn)行控制并且需要采煤工作面順利推進(jìn)，那么應(yīng)用該滅火技術(shù)可以先在大巷將膠體配置在輸送到采煤工作面或采空區(qū)，以此來達(dá)到快速滅火的效果，從而使工作面順利推進(jìn)。

3.7 聚氨酯噴涂防治技術(shù)

聚氨酯噴涂技術(shù)對(duì)沿空側(cè)的巷道進(jìn)行封閉、堵漏效果很好。聚氨酯噴涂主要以阻燃劑、發(fā)泡劑、異氰酸酯、催化劑、多元醇聚醚等物質(zhì)作為原材料。這些物質(zhì)中異氰酸酯被稱為黑料，是一種獨(dú)立的組分。其余稱為白料。在生產(chǎn)時(shí)，只有兩種材料可以等量混合攪拌。生產(chǎn)過程非常簡(jiǎn)單，生產(chǎn)時(shí)間很短。實(shí)際運(yùn)用中，黑料和白料被專用泵一起注入充填位置，會(huì)發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量泡沫填充裂縫并凝固下來，防止漏風(fēng)。

3.8 惰化防滅火技術(shù)

惰性防火滅火技術(shù)多用在工作面停采后，對(duì)封堵采空區(qū)實(shí)施的防治手段。其實(shí)就是將惰性氣體通過一些技術(shù)手段將氣體輸送到采空區(qū)里以此來隔絕或降低采空區(qū)里含氧量，有效阻止煤炭自燃。目前，惰化防火滅火技術(shù)不僅具有惰化特性，而且具有冷卻效果。對(duì)煤礦本身的污染相對(duì)較弱。厚煤層分層或采全高開采大多采用該技術(shù)。惰性氣體能夠充滿整個(gè)采空區(qū)和厚煤層工作面，惰性氣體不僅能夠斷絕大型明火與可燃?xì)怏w的接觸，而且還能夠有效的預(yù)防隱藏的火源，從而達(dá)到防火滅火的效果。

3.9 工作面兩端頭施工隔離垛技術(shù)

工作面推出切眼后，分別在進(jìn)、回風(fēng)隅角施工一道厚度不小于3m的隔離垛（見附圖），隔離垛要接幫接頂，外掛鐵絲網(wǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣體情況，可噴涂封堵材料，最大限度封堵漏風(fēng)通道，減少向采空區(qū)漏風(fēng)供氧。

圖3 端頭隅角隔離垛充填封堵示意圖

工作面開始推進(jìn)后，必須保持連續(xù)生產(chǎn)，月推進(jìn)速度不得低于80m，每推進(jìn)50～30m在工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角端頭各施工一道隔離垛墻，隔離垛必須接幫接頂，厚度不低于3m。

當(dāng)工作面月推進(jìn)速度小于80m時(shí)，縮短在工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角施工隔離垛墻的間距，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)隔離垛噴涂封堵材料，最大限度封堵漏風(fēng)通道，減少向采空區(qū)漏風(fēng)供氧，并立即對(duì)開切眼、隔離垛后采空區(qū)進(jìn)行注漿或壓注阻燃材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤層自燃防治是一件需要所有礦井工作人員認(rèn)真對(duì)待的事情。防治煤層自燃要做好多方面的準(zhǔn)備，一方面要從根本上懂得煤炭為什么會(huì)自燃即煤炭自燃的原理，另一方面要總結(jié)在原有滅火的方式方法基礎(chǔ)上研究更加有效的滅火技術(shù)，從而降低煤炭自燃的發(fā)生。通過介紹當(dāng)前國(guó)內(nèi)煤層自然發(fā)火的治理方法以及各種滅火工藝的適應(yīng)性、治理效果，為選用煤層自燃防治技術(shù)提供依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)火區(qū)實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)姆罍缁鸺夹g(shù)與工藝進(jìn)行綜合治理，才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。