煤礦孤島煤柱掘進回采綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用

摘要：針對開灤集團蔚州礦業(yè)公司單侯礦5104N工作面從掘進、回采直至回撤封閉期間存在自燃風(fēng)險這一情況，本研究借助先進的技術(shù)手段，在對礦井進行安全監(jiān)測的基礎(chǔ)上，對煤礦孤島煤柱掘進、回采、收尾、回撤和封閉等工藝環(huán)節(jié)采取了相應(yīng)的自燃發(fā)火預(yù)防措施。經(jīng)實踐，此項技術(shù)應(yīng)用達到了預(yù)期的防滅火效果，可為此類情況提供有價值的參考。

關(guān)鍵詞：煤礦；孤島煤柱；防滅火技術(shù)

DOI：10.12433/zgkjtz.20233437

單侯礦井田位于河北省張家口市蔚縣涌泉莊鄉(xiāng)和南留莊鄉(xiāng)之間，地處蔚縣礦區(qū)的南部。本區(qū)地形為北高南低的山前平原，海拔高度+950m～+1170m。北西向沖溝密布，最深可達15m。蔚縣煤田西部，煤層埋藏較淺，早在宋朝就有小煤礦開采，至今已有七百年的開采歷史。市屬煤礦有西細莊、鄭家灣、玉峰山等煤礦，縣屬煤礦有水西礦及南留莊等煤礦。目前，礦井的北鄰煤礦有公司已建成投產(chǎn)的崔家寨礦井和崔家寨原井田內(nèi)眾多的小煤礦，西部有南留莊煤礦，東部為北陽莊井田。

根據(jù)蔚縣礦區(qū)鄰近生產(chǎn)礦井的瓦斯資料，各礦均屬低瓦斯礦井。在地質(zhì)勘探過程中采取的煤層瓦斯樣，CH4最高含量為0.38mL/g.r，故設(shè)計確定本礦井屬低瓦斯礦井。勘探過程中進行的大量測溫工作證明，本井田內(nèi)無地溫異常區(qū)，也無地溫超過31℃的高溫區(qū)，故本礦井開采工程中無熱害區(qū)存在。

開灤集團蔚州礦業(yè)公司單侯礦的5104N工作面為五煤首采區(qū)最后一個工作面，東為5105N工作面，西為5103N工作面，目前都已結(jié)束回采。5104N工作面為孤島煤柱掘進、回采，工作面與采空區(qū)保護煤柱為10m，煤炭自燃發(fā)火為二類自燃發(fā)火，為確保工作面的安全開采工作，需要做好回采的防滅火安全措施。

一、礦井地質(zhì)概況

開灤集團蔚州礦業(yè)公司單侯礦井田內(nèi)第四系厚度75～330m，由北向南逐漸增大，分為全新統(tǒng)、上新統(tǒng)馬蘭組和下新統(tǒng)泥河灣組。巖性：全新統(tǒng)為卵礫石及砂土堆積物；更新統(tǒng)上部為風(fēng)積黃色亞粘土、沖、洪積砂土、亞粘土間夾礫石薄層和透鏡體；下部為淺灰、灰褐、綠灰色亞粘土間夾粉砂礫石薄層及磚紅色亞粘土間夾砂礫石薄層；近底部為亞粘土與砂礫石互層。

單侯礦井田的構(gòu)造形態(tài)總體上呈一寬緩不對稱的向斜，并在此基礎(chǔ)上發(fā)育多個次級向、背斜構(gòu)造，呈波狀起伏，地層走向曲折多變，一般傾角為5～15°，區(qū)內(nèi)斷層發(fā)育，有近南北、北東和北西向三組斷層。以正斷層為主，并發(fā)育有較大的逆掩斷層，使煤層（地層）大面積重復(fù)。

根據(jù)煤層的賦存厚度和分布區(qū)域，礦井的主要開采煤層為6、5、1號煤層。此三層煤的開采范圍較大，除局部區(qū)域的煤層厚度小于1.5m外，大部分較適于進行綜合機械化開采，是礦井進行經(jīng)濟性開采的儲量保證，其余煤層雖然厚度達到了可采厚度要求，但由于其煤層厚度較小，煤層生產(chǎn)能力較低，受地質(zhì)構(gòu)造和煤質(zhì)特點的影響，開采的經(jīng)濟性較差。

二、單侯礦5104N工作面采煤工藝

5104N工作面主要采用走向長壁綜合機械化采煤法，一次采全高。走向長度1870.3～1842.6m，傾斜長144.2m，煤層最大厚度5.4m，最小厚度3.1m，平均厚度4.5m。工作面進回風(fēng)巷及切眼沿煤層頂?shù)装宀贾谩Ｑh(huán)方式為沿工作面采煤機每割一刀煤，即完成割煤、移架、移溜等工序為一個循環(huán)；通風(fēng)方式為工作面通風(fēng)方式為U型通風(fēng)，工作面需風(fēng)量計算為961m3/min。

該工作面建立了注漿管路系統(tǒng)，注漿材料采用粉煤灰，地面制漿站制漿能力為65.5m3/h，灰漿比為1：5。注漿管路采用108mm鐵管，在低洼處設(shè)置三通放水閥門，用于注漿后清理管道。在回采過程中，注漿管的末端鋪設(shè)到距離采空區(qū)20m的位置，端口接軟管到工作面，隨工作面的推進回撤管路。

三、綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用

孤島煤柱在掘進、回采過程受相鄰工作面采空區(qū)動壓影響較大，主要表現(xiàn)為巷道兩幫部分煤體破碎、部分地點裂隙發(fā)育，向巷中鼓起形成網(wǎng)兜，風(fēng)流通過裂隙后形成微風(fēng)，進入煤體后氧化產(chǎn)生熱量且不易擴散，容易造成煤體自燃。上述自然發(fā)火隱患自5104N工作面巷道從掘進至100m到回采直至回撤封閉期間一直存在，隱患存在時間約為2年。針對上述自燃發(fā)火隱患，具體采取的防止自燃發(fā)火的安全技術(shù)措施如下：

（一）安全監(jiān)測系統(tǒng)保障

安全監(jiān)測系統(tǒng)由KJ83N（A）礦用本安型安全監(jiān)控分站、KDW660/21B礦用隔爆兼本安型穩(wěn)壓電源、通訊控制器和系統(tǒng)軟件KJ83N（A）安全監(jiān)測管理系統(tǒng)組成。煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)分站是對現(xiàn)場傳感器、設(shè)備、斷電器等進行數(shù)據(jù)采集的裝置。

結(jié)合單侯礦的實際情況，安全監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能和相關(guān)的性能指標如下：第一，在分站至中心站數(shù)字化傳輸?shù)幕A(chǔ)上，將傳感器（模擬量）至分站升級為數(shù)字傳輸，實現(xiàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化，促進智能傳感器發(fā)展。第二，實現(xiàn)分級報警功能，根據(jù)毒害其他的濃度及持續(xù)時間、范圍及通風(fēng)機故障等設(shè)置不同的報警級別，實現(xiàn)分級響應(yīng)。第三，實現(xiàn)地面與井下的有線和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸融合技術(shù)以及實時監(jiān)控與GIS技術(shù)的有機融合。第四，系統(tǒng)中的主干網(wǎng)絡(luò)、分站至主站、傳感器至分站等通訊及傳輸均采用先進的工業(yè)以太網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸采用無線傳輸采用WiFi、RFID等傳輸通道，系統(tǒng)改造后支持數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)并能夠按照省煤監(jiān)局要求的數(shù)據(jù)格式進行上傳。第五，全監(jiān)控系統(tǒng)具有大數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用功能，偽數(shù)據(jù)標注及異常數(shù)據(jù)分析，給出數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計報告，根據(jù)采掘變化結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)分析瓦斯、CO未來趨勢，并對風(fēng)險值較高地點預(yù)測及時報警。第六，在5104N工作面進回風(fēng)巷巷口往里10～15m安設(shè)CO傳感器并往后每隔500m安設(shè)一個CO傳感器直至5104N工作面上下超前支護位置。對巷道實施CO實時分段在線監(jiān)控，縮小隱患分析判斷范圍，及時發(fā)現(xiàn)CO異常區(qū)域。

（二）熱成像儀系統(tǒng)排查

YRH300本質(zhì)安全型紅外熱成像儀是用來，在區(qū)域發(fā)生煤炭自燃前，利用紅外熱成像技術(shù)將煤層表面的溫度變化情況通過圖像形式呈現(xiàn)，以此發(fā)現(xiàn)高溫區(qū)域，采取預(yù)防措施。

井下回采工作面或個別巷道受動壓影響巷道變形、煤體裂隙發(fā)育，容易造成煤體高溫自燃，對井下防火帶來安全隱患，影響礦井正常生產(chǎn)。采用紅外成像技術(shù)及紅外測溫技術(shù)相結(jié)合的方式，從面到點地檢查隱患區(qū)域的溫度變化，對高溫地點及時做好預(yù)測預(yù)報工作，提前對高測地點進行處理，防止煤體自燃。

利用熱成像儀定期對5104N工作面區(qū)域進行全面排查，重點排查地點為：巷道內(nèi)煤體破碎嚴重、裂隙發(fā)育、出現(xiàn)網(wǎng)兜區(qū)域；巷道內(nèi)煤體裂隙內(nèi)溫度超過28℃區(qū)域；巷道內(nèi)煤體裂隙內(nèi)一氧化碳濃度超過24PPm區(qū)域；巷道內(nèi)煤體低洼或突起，容易形成窩風(fēng)的區(qū)域。

（三）預(yù)防性注漿

對巷道兩幫進行預(yù)防性注漿。利用風(fēng)鉆配套使用42mm鉆頭及鉆桿鉆孔注氯化鎂阻燃劑與水泥混合漿液，鉆孔深度1.8m，眼距為1.5～2m，角度向下不小于10°，注漿液采用風(fēng)動注漿泵通過注漿封孔器注入漿液，注完漿液孔口用木塞封堵，如表1所示。混合漿液的配比濃度為氯化鎂15%～20%，水泥5%，提前制作好配比漿液專用工具，漿液未滲透區(qū)域必須采取補鉆孔加注的補充措施。對重點隱患區(qū)域注入漿液后加噴MT防火材料。鉆孔注漿技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.注漿方法

第一，注漿前，井上注漿工必須檢查砂漿池過濾網(wǎng)是否完好，如果不完好，及時維修或更換。

第二，掌握好漿液濃度，及時清理過濾網(wǎng)處的雜物和大塊，不得堵塞過濾網(wǎng)，否則暫停注漿工作，待處理好后，繼續(xù)進行注漿工作。

第三，井上注漿工在注漿前必須和井下注漿人員電話聯(lián)系，聽從井下專責(zé)注漿人員指揮，做到要水給水，要漿給漿，密切協(xié)調(diào)好井上下注漿工作。如果是間斷性注漿，工作結(jié)束后，要及時用清水沖洗注漿管路，沖洗時間不少于30min，填寫注漿日志，向通風(fēng)區(qū)調(diào)度站和值班人員匯報。如果是連續(xù)性注漿，班末時填寫注漿日志，向通風(fēng)區(qū)調(diào)度站和值班人員匯報，并認真落實現(xiàn)場交接班制度，上一班人員向下一班人員交待清楚注漿量、注意事項等。

2.注漿管路布置

注漿管路由地面注漿站從回風(fēng)井至回風(fēng)井底，再由回風(fēng)井底延至各采區(qū)回風(fēng)巷，直至各回采工作面。從地面注漿站至各采區(qū)集中回風(fēng)巷安設(shè)專用注漿管路，主注漿管路直徑不小于分支管路。輸送倍線系數(shù)計算為倍線系數(shù)=井下注漿路線管路長度/地面與井下水平垂直落差。

3.注漿措施

注漿前疏水和注漿后防止?jié){、透水的措施為：第一，注漿前，在注漿密閉前設(shè)置水窩，完善排水系統(tǒng)，注漿過程中及時排水。第二，在密閉外側(cè)打設(shè)不少于3道防止?jié){的墻垛，墻垛高度不少于密閉高度一半，厚度不少于37cm。第三，封閉注漿區(qū)域為水平區(qū)域時采用分次注漿，待粉煤灰沉淀、完成排水后再進行注漿，防止?jié){或透水事故發(fā)生。通過以上注漿措施可確保5104N工作面注漿系統(tǒng)的可靠完善，同時在設(shè)計停采線往采空區(qū)方向，隨著5104N工作面回采在進、回風(fēng)巷預(yù)留40m的注漿管，預(yù)留管路沿巷道底板敷設(shè)，注漿管接口不安裝密封圈，以防止5104N工作面采空區(qū)出現(xiàn)高溫時及時的進行注漿。在斷層丟煤區(qū)段預(yù)埋設(shè)直徑30mm的膠管，在斷層丟煤開始位置，工作面沿下山方向埋設(shè)第一根，每推進5m，相隔5m埋設(shè)第二根，直到斷層結(jié)束。

（四）工作面封閉后防火措施

由于客觀原因5104N工作面進行收尾、回撤完畢最后進行封閉，歷時5個月，遠超《煤礦安全規(guī)程》第二百七十四條規(guī)定。經(jīng)商討研究在收尾時安排生產(chǎn)單位在5104N工作面回風(fēng)巷非采面?zhèn)仍O(shè)計停采線位置各施工規(guī)格為3m×4m×5m的鉆窩，由地測防止水服務(wù)中心負責(zé)對5104N工作面進、回風(fēng)巷非采面?zhèn)缺Ｗo煤柱鉆窩內(nèi)進行打鉆，每個鉆窩處設(shè)計打設(shè)注漿孔6個，鉆孔深度分別為10m、20m、30m，每種深度的鉆孔各2個，同一深度的鉆孔沿工作面走向?qū)ΨQ分布，其中10m深度的鉆孔與工作面走向水平角度為38°，垂直角度為8°，20m深度的鉆孔與與工作面走向水平角度為21°、垂直角度為4°，30m深度的鉆孔與與工作面走向水平角度為14°，垂直角度為3°。5104進風(fēng)巷與原5105進風(fēng)巷聯(lián)巷處設(shè)鉆點，打設(shè)注漿孔6個，深度分別為65m、55m、45m，其中，65m鉆孔水平角度為2.5°、垂直角度為1.2°，55m鉆孔水平角度為3°、垂直角度為1.3°，45m鉆孔水平角度為4°、垂直角度為1.5°。具體位置及鉆孔設(shè)計方向、深度如表2所示。打鉆完成后由通風(fēng)區(qū)在鉆孔內(nèi)注入防滅火材料發(fā)泡水泥，防止保護煤柱發(fā)生火災(zāi)事故。

（五）采空區(qū)管理

第一，按正常速度回采，滿足采空區(qū)標志性氣體CO符合規(guī)定的濃度，嚴防CO氣體濃度呈上升趨勢，回采期間正常推進速度不得低于作業(yè)規(guī)程規(guī)定的速度，回采單位在工作面試采、回采期間嚴禁丟浮煤，清理干凈浮煤，對因地質(zhì)條件變化的地帶造成丟浮煤的，要對采空區(qū)煤體采取噴灑阻化劑措施，防止煤炭自燃。

第二，加強防火預(yù)測預(yù)報分析工作，每7天對上隅角氣體情況進行取氣樣化驗分析。每班由瓦斯檢查員負責(zé)檢查兩次上隅角及回風(fēng)流中CO氣體、溫度情況，發(fā)現(xiàn)異常及時匯報，并及時采取有效措施。

第三，工作面在收尾工作時，制定專門的收尾安全措施，確保盡快回撤設(shè)備和封閉采空區(qū)，防止煤炭自燃。

第四，不能直接滅火時，應(yīng)立即予以封閉。封閉前，必須撤離封閉區(qū)內(nèi)的所有人員。

第五，在5104N工作面回撤完畢后，通風(fēng)區(qū)對5104N工作面進、回風(fēng)巷兩個出口施工土垛密閉，厚度規(guī)格為100cm，土垛要求加設(shè)措施管及觀測管。在此基礎(chǔ)上，對兩個出口施工永久密閉規(guī)格為50cm，密閉外噴漿，要求加設(shè)措施管及觀測管，留反水池。

四、結(jié)語

（1）在掘進過程中，巷道回風(fēng)口往里10～15m位置CO濃度達15ppm，氣體來源是煤壁破碎氧化產(chǎn)生的CO，溫度較高，達到25℃，需要每班排查高溫點，發(fā)現(xiàn)高溫點后由專人按措施處理。

（2）5104N工作面走向1870.3～1842.6m，工作面掘進期間采用28kW大功率局部通風(fēng)機通風(fēng)，確保工作面降溫、稀釋CO濃度和人員用風(fēng)量滿足要求。

（3）5104N工作面在回采過程中，嚴格控制推進度，確保每月推進度不小于120m。

（4）5104N工作面在回采期間，每天對回采工作面上下兩巷超前20m將要進入采空區(qū)的巷道進行高溫點排查，防止有高溫點的巷道進入采空區(qū)。

（5）5104N工作面回采結(jié)束收尾前離停采線至少30m要保持不丟頂煤。保持通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，5104N工作面風(fēng)量穩(wěn)定在960m3/min左右，不能出現(xiàn)較大波動，直至回采收尾結(jié)束。

通過采取一系列的防滅火預(yù)防措施防止5104N工作面在掘進、回采、收尾和回撤封閉過程的煤層自燃發(fā)火，為單侯礦的安全生產(chǎn)提供有力的安全保障。目前來看，此項技術(shù)取得了良好的防滅火效果和經(jīng)濟效益，在自燃發(fā)火煤礦具有推廣與應(yīng)用價值。

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作者簡介：章少峰（1967），男，安徽省樅陽縣人，通風(fēng)安全工程師，主要研究方向為礦井一通三防管理。