火區(qū)外圍采掘工作面火災(zāi)預(yù)防研究與治理

冀中能源股份有限公司邢臺礦 張博

一、項目概述

冀中能源股份有限公司邢臺礦開采時間53年，井下采空區(qū)密布，防止采空區(qū)煤炭自然發(fā)火是礦井“一通三防”的長期管理重點和目標(biāo)。本項目重點研究7620工作面及其外圍7200采空區(qū)（火區(qū)）自燃火災(zāi)的防治。7200工作面回采結(jié)束后，于2014年5月對其進行了永久封閉，2016年6月在其采空區(qū)回風(fēng)側(cè)發(fā)現(xiàn)高濃度CO,采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火，經(jīng)過火災(zāi)治理后，火區(qū)得到有效控制。7620工作面為7620火區(qū)附近邊角煤工作面，受工作面采掘影響，7200火區(qū)存在較大復(fù)燃風(fēng)險，因此，為保證采掘工作面的安全，需要對7620工作面及外圍采空區(qū)進行火災(zāi)防治研究與治理。

二、主要研究內(nèi)容

（1）7620外圍巷道漏風(fēng)情況。對采空區(qū)封閉后，通過檢測進、回風(fēng)側(cè)防火密閉墻內(nèi)氣體，判斷密閉墻體及巷道裂隙漏風(fēng)情況，進一步確定自然發(fā)火疑似點位置。

（2）注漿防滅火情況。采空區(qū)封閉前鋪設(shè)注漿管路，對采空區(qū)進行注漿，研究該地區(qū)注漿防滅火治理效果。

（3）其他防滅火手段。針對該地區(qū)特點，制定切實可行、有效的治理方法，如采空區(qū)自然發(fā)火疑似點打鉆注漿、注氮等。

（4）優(yōu)化7620工作面采掘布置，降低或避免7620外圍巷道（7200采空區(qū)）對工作面采掘的影響，保證工作面順利回采。

三、技術(shù)方案

（一）火區(qū)自然發(fā)火點的確定

根據(jù)以下現(xiàn)象、特點可推測7200采空區(qū)為火災(zāi)疑似點。

（1）火災(zāi)標(biāo)志性氣體首先發(fā)現(xiàn)于采區(qū)回風(fēng)側(cè)閉墻內(nèi)外，根據(jù)該回風(fēng)巷服務(wù)采區(qū)，可推測火災(zāi)疑似點位于7200地區(qū)。

（2）7200工作面采用綜合放頂煤開采工藝，煤炭回收率較低，采空區(qū)、停采線附近浮煤堆積較多。

（3）7200地區(qū)周圍老巷、老空區(qū)較多，7200煤柱回采工作面回采完成后，停采線位于東翼進風(fēng)大巷附近，受礦壓影響，該地區(qū)可能產(chǎn)生較多新生裂隙，與采空區(qū)形成漏風(fēng)通道，導(dǎo)致浮煤氧化、自熱。

（二）綜合治理方案

1.7200火區(qū)治理方案

針對7200采空區(qū)自然發(fā)火特點，為達到控制、消滅采空區(qū)自然發(fā)火的目的，保證7620工作面安全掘進施工，第一階段，我礦制定了以鉆探為檢測手段，火區(qū)注漿覆蓋、封堵漏風(fēng)為治理措施的綜合治理方案，具體方案如下：

第一步：通過在7620運料通道平巷段合適位置布置鉆場，向7200工作面停采線、兩道垮落段及采區(qū)回風(fēng)道等可疑發(fā)火區(qū)內(nèi)布置檢測鉆孔，通過鉆孔檢測可疑發(fā)火區(qū)內(nèi)溫度及氣體參數(shù)，根據(jù)檢測結(jié)果進一步圈定發(fā)火范圍。檢測鉆孔布置示意圖（如圖1所示）。

圖1 檢測鉆孔布置示意圖

第二步：通過第一步初步檢測結(jié)果得出初步發(fā)火區(qū)域后，在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場情況布置立體檢測鉆孔進一步鎖定發(fā)火空間區(qū)域，檢測鉆孔間距為5～8m，根據(jù)氣樣中標(biāo)志性氣體參數(shù)值和測溫參數(shù)值確定氧化發(fā)火空間，如工作面隅角范圍、冒頂巷道范圍、破碎煤柱范圍等區(qū)域。根據(jù)發(fā)火空間范圍及災(zāi)害程度進一步確定綜合治理方案。

第三步：基于7620工作面采掘時間長，老巷、漏風(fēng)裂隙多的客觀因素，在采空區(qū)閉墻、發(fā)火空間區(qū)域需通過灌注防滅火材料進行全充填覆蓋，起到全面的隔氧、降溫、冷卻、濕潤、封堵漏風(fēng)的效果，從根本上控制遺煤氧化發(fā)火的隱患。

該方案可總結(jié)為“控制發(fā)火空間區(qū)域+發(fā)火空間充填滅火封堵”綜合性火災(zāi)治理方案。

（1）控制發(fā)火空間區(qū)域

在7620運料通道平巷段（7200采空區(qū)外圍巷道內(nèi)）合適位置布置鉆場，在7200工作面停采線、兩巷遺煤段、采區(qū)回風(fēng)道等可疑發(fā)火區(qū)內(nèi)共布置檢測鉆孔8個，其中1個位于運料巷封閉段中部，4個位于7200停采線平均四分點處，3個位于運輸巷封閉段平均三分點處，各個鉆孔逐個施工，及時檢測溫度及標(biāo)志性氣體參數(shù)，根據(jù)測試結(jié)果及時調(diào)整施工順序。通過鉆孔檢測可疑發(fā)火區(qū)內(nèi)溫度及氣體參數(shù)，根據(jù)檢測結(jié)果進一步圈定發(fā)火范圍。

檢測鉆孔施工完畢后，通過在鉆孔內(nèi)布置測溫電偶檢測鉆孔方向上的溫度變化趨勢，同時通過對每個鉆孔抽取內(nèi)部氣樣化驗分析，根據(jù)氣樣中標(biāo)志性氣體參數(shù)值和測溫參數(shù)值綜合分析氧化區(qū)域。

（2）發(fā)火空間充填滅火封堵

通過第一步綜合分析得出初步發(fā)火區(qū)域后，在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場情況布置立體檢測鉆孔進一步鎖定發(fā)火空間區(qū)域，檢測鉆孔間距為5～8m，根據(jù)氣樣中標(biāo)志性氣體參數(shù)值和測溫參數(shù)值確定氧化發(fā)火空間，如工作面隅角范圍、冒頂巷道范圍、破碎煤柱范圍等區(qū)域。

根據(jù)發(fā)火空間范圍及災(zāi)害程度進一步確定綜合治理方案，后期通過檢測鉆孔灌注普瑞特Ⅳ材料，實現(xiàn)一孔兩用。

2.7620工作面治理方案

7620工作面采用放頂采煤工藝，位于7200火區(qū)附近，工作面回采過程中，采空區(qū)可能存在一定程度的遺煤，加之經(jīng)過多條老巷，極易造成采空區(qū)煤炭自然發(fā)火，工作面回采期間主要采取以下措施手段。

（1）7620采空區(qū)采用播撒阻化劑（氯化鎂）防滅火，配合定期灑水濕潤，播撒位置為工作面機頭、機尾及架間暴露的煤體部位，播撒時間為每天檢修班，一次播撒量為50kg,并及時灑水濕潤。

（2）工作面上下隅角要加強放頂管理，并與切頂線放齊，冒落嚴(yán)實，用于減少向采空區(qū)漏風(fēng)。

（3）加快回采速度，不應(yīng)出現(xiàn)臨時停采。

（4）將7620工作面注漿管路接至兩巷停采線位置，運料巷注漿管接至工作面，工作面回采過程中，在采空區(qū)預(yù)埋注漿花管，根據(jù)實際情況進行注漿。

（5）加強地區(qū)永久密閉墻內(nèi)外氣體的檢查，做好火災(zāi)預(yù)測預(yù)報工作，發(fā)現(xiàn)瓦斯或一氧化碳濃度升高，應(yīng)及時采取封堵、注漿或注氮措施進行治理。

（6）7200火區(qū)繼續(xù)進行注氮，非特殊原因（停電、停水、注氮機保養(yǎng)、故障等不得停機，每班應(yīng)有注氮人員對注氮機進行巡檢，發(fā)現(xiàn)異常及時處理，確保注氮機正常運行。

四、應(yīng)用總結(jié)及效果分析

確定治理方案后，開始檢測鉆孔的施工，施工過程中發(fā)現(xiàn)，7200停采線回風(fēng)側(cè)隅角及回風(fēng)巷段3個鉆孔內(nèi)均檢測到有較高濃度CO，其中，停采線回風(fēng)側(cè)隅角CO濃度最高，最高濃度達到3000ppm，且鉆孔內(nèi)溫度明顯高于周邊孔，回風(fēng)巷段鉆孔內(nèi)CO濃度次之，濃度范圍在120-550ppm之間，停產(chǎn)線進風(fēng)段鉆孔內(nèi)均未檢測到CO。根據(jù)以上檢測結(jié)果可基本確認(rèn)7620工作面外圍巷道自然發(fā)火點位于7200停采線回風(fēng)隅角位置，漏風(fēng)地點主要為采區(qū)進、回風(fēng)側(cè)密閉及受采動影響的大巷裂隙。

根據(jù)以上分析原因，分別進行了采空區(qū)密閉前加固堵漏和自然發(fā)火點注入高分子膠體材料，共計使用注漿料28噸。

通過采取以上堵漏、注防滅火措施，在鉆孔內(nèi)，采區(qū)進、回風(fēng)側(cè)閉墻內(nèi)均未檢測到CO氣體，其他氣體趨于穩(wěn)定，7200采空區(qū)自然發(fā)火得到有效控制，治理效果明顯。由于前期火災(zāi)防治工作有效，7620工作面得以正常掘進。

7620工作面掘進后期至工作面正常回采期間，對重點火災(zāi)管理區(qū)域進行了強化管理，在加強采空區(qū)老巷堵漏風(fēng)和檢查觀測的基礎(chǔ)上，裝備制氮機、束管監(jiān)測系統(tǒng)等先進裝置，避免了采空區(qū)自然發(fā)火，確保了工作面各項工作的順利開展。

五、技術(shù)先進性

該項目在采用傳統(tǒng)注漿、堵漏風(fēng)防滅火措施的同時，為提高滅火的準(zhǔn)確性和有效性，通過系統(tǒng)分析，向著火點附近施工定向鉆孔，注入膠體材料直接滅火，封堵漏風(fēng)，該方法針對性強、效果顯著。同時，為進一步減少漏風(fēng)，強化火區(qū)治理，采用采空區(qū)注氮措施，配合JSG6N型束管監(jiān)測系統(tǒng)24小時監(jiān)測采空區(qū)氣體變化，監(jiān)測、治理措施有效且較為先進。

六、經(jīng)濟社會效益

火區(qū)外圍采掘工作面火災(zāi)預(yù)防技術(shù)的研究與治理，消除了7620工作面外圍采空區(qū)的火災(zāi)威脅，為7620工作面的順利采掘提供了安全保障，同時積累了先進的礦井火災(zāi)防治經(jīng)驗，礦井火災(zāi)防治裝備水平得到進一步提升。

七、應(yīng)用推廣前景

該項目采用了采空區(qū)注膠體、均壓、堵漏風(fēng)、注氮、束管監(jiān)測等綜合防滅火措施，7620工作面及外圍采空區(qū)火災(zāi)得到有效遏制，防治效果顯著。項目的實施增加了制氮機、束管監(jiān)測系統(tǒng)等先進裝備，7620工作面回采結(jié)束后，該些裝備可在全礦工作面推廣使用，進一步提高了礦井火災(zāi)防治水平。