高瓦斯礦井采空區防滅火及工作面端頭封堵技術研究

高 鑫

（潞安礦業<集團>有限責任公司古城煤礦，山西 長治 046100）

近幾年，為了保障煤礦采收率和人員的人身安全，國家大力推動了煤礦技術改造和煤礦設備的開發，降低了煤礦工人的數量，減少勞動強度，改善施工條件。“無人化”是大勢所趨，“減人”、“少人”是必然趨勢，“安全、高效、環保”的煤礦開采是國家中長期能源戰略安全的重要保證。

在高瓦斯礦井的開采過程中，由于工作面受到壓力作用，使瓦斯從煤層中逸出，有些氣體從工作面漏到了采空區，在采空區易出現浮煤自燃等問題。在礦井U形通風條件下，上隅角處易聚集氣體，如封堵不當，則易使瓦斯進入風巷，發生瓦斯爆炸等事故。目前，大部分礦井井口封堵方式都是用人工將煤和泥砂裝入袋口，然后再進行圍堵，這種封堵方式勞動強度大，封堵效果不佳，容易導致瓦斯超標。以上種種因素的綜合作用，限制了礦井的安全、高效的生產。針對高瓦斯礦井采空區容易發生自燃和工作面端部封閉不嚴密的問題，提出了采空區新的防火措施，并介紹了工作面末端封堵技術。

1 綜放工作面概況

潞安化工集團某礦2303 工作面開采煤層為二1煤層，其平均厚度為6.0m，平均傾斜角度為14°，最大的埋藏深度為650m。在此基礎上，利用了一種新的采礦方法——綜放式采礦法，其采場的長度為680.4m。礦山的絕對涌出量為20.39m3/min，而相對的涌出量為28.17m3/t，屬于高瓦斯礦井。2303 工作面頂底板地層柱狀圖見圖1。2303工作面布置圖見圖2。

圖1 2303工作面頂底板地層柱狀圖

圖2 2303工作面布置

2 采空區煤自燃防滅火技術

2.1 常用的防滅火技術

可燃物、助燃物、火源三個因素是造成自燃的必要條件，其中以煤炭作為可燃物，以氧作為燃料，以溫度作為火源。在傳統的采空區中，撲滅火災的常用方法是減少可燃物，隔離助燃物，降低著火點的溫度。

2.1.1 減少遺煤

而在高瓦斯綜合開發中，采空區有一部分殘留煤未充分釋放，從而使采煤的采出率下降。另一方面，在煤礦開采過程中，很容易造成煤層殘存的自燃，從而危害煤礦的安全。所以，降低易燃物質，增加放煤和開采速度是第一步。當采空區浮煤厚度下降時，剩余煤體發生自燃的可能性就會下降。增加采收率可以使采空區內的煤層厚度減少，從而減少殘留煤體的自燃幾率。從實驗結果可以看出，在煤層厚度不超過0.7m 的情況下，煤層的自燃幾率明顯降低。所以，增加采出率和減少殘留煤能降低采空區煤的自燃幾率。

2.1.2 噴灑阻化劑

阻化劑起到煤炭與氧的隔離作用，是礦井中一種常見的防滅火技術，采煤機每次割煤完畢后，都要在油壓支架之間噴上阻化劑，防止殘煤自燃。對暴露的煤層也要進行阻化劑的噴射，這是隔離氧的有效措施。

2.1.3 注氮及CO2

在一定的氧氣濃度下，采空區的遺煤容易發生自燃，所以可以通過引入空氣中的氮氣或CO2來降低采空區中的氧含量，以防止煤體自燃。根據混合氣爆炸原理，在含氧量低于12%的情況下，發生爆炸的概率較低。通過向采空區注入氮氣，可以將煤層中的含氧量降至10%以下，從而極大地減少了煤層的自燃和瓦斯爆炸的概率。

2.2 新型防滅火技術

2007 年，中國礦業大學馮光明等研制成功了一種新型的礦井充填材料——超水速凝材料，其含水量可達到97%。超水物料充填法是一種高水灰比、耗材少、充填成本較低的工藝，充填工藝簡單，充填率高，適應性強，是“三下”煤礦開發的一種行之有效的方法，并適用于全面推廣。

超高水性材料在礦井下的滅火中具有特殊的優越性，其工作原理是將泥漿注入到井下著火點。目前，超防水材料的井下滅火技術主要有封閉式、開放式、混合式三大類。

2.2.1 封閉式滅火技術

密閉消防技術是將地下著火的火源與密閉的空間隔開，并向其灌注超水性物質，漿液會在一段時期內凝結固化，從而實現了對巷內火災的撲救。在圖3中顯示了密閉的消防技術。

圖3 封閉式滅火技術

2.2.2 開放式滅火技術

開放式消防技術主要是適用于火災發生地點分散、難以密閉的場所，采用多個孔將著火區貫穿，并注入漿液，并將超水性物料灌輸到發火區的上部，當泥漿與火焰相接觸時，火焰就會被撲滅。圖4顯示了開放的消防技術。

圖4 開放式滅火技術

2.2.3 混合式滅火技術

混合式消防技術采用封閉式和開放式兩種方法，分別對不同的地區、不同的火災狀況進行有效地控制，以實現對火災的迅速撲救。在礦井較大且起火點較多的情況下，僅采取封閉滅火技術，著火點多，造成砌筑墻體耗費時間。如果采用開放式的方式，著火面積太大，很難完全覆蓋。若采用任何一種方法都無法有效地解決火災問題，則可以將兩者相結合，首先在發火區多、封閉困難的部位打孔，然后在發火區內注入超高水性物料的泥漿，使泥漿在發火區迅速凝固和固化，將自燃煤體包裹，填充裂縫，同時降低溫度，抑制火勢。同時，在大火發生較大、容易被封鎖的地方，先用密封的墻壁將其封住，再將超高水性的漿液注入其中，以撲滅大火，并將裂縫等縫隙填滿，從而達到全面滅火的目的。

傳統的消防措施成本高，見效慢，施工不便，且易造成施工延誤。與此相比，超高壓井下防滅火技術具有成本低、不會對井下環境造成污染的特點，可以針對易燃物、易燃物、著火源等三個方面實現滅火，既方便快捷，又能發揮良好效果[1]。

3 工作面端頭封堵技術

3.1 常用的端頭封堵技術

在礦井作業中，在掘進過程中，必須對采空區的末端進行封堵，既能擋風，又能調整風向，又能防止采空區的漏風引起火災。

目前，大部分礦井井口封堵方式都是用人工將破碎煤和泥砂裝入袋口，然后再進行圍堵，這種封堵方式勞動強度大，封堵效果差，容易導致瓦斯超限。

潞安化工集團公司2303工作面采取了傳統的隅角封閉技術，其技術特點是：每天8點班，在采空區一側使用煤袋進行封堵，煤袋封堵與頂板嚴密接觸，在封堵完畢后，采用廢棄的風筒密封煤袋墻，為了使煤袋墻發揮最佳的效果，為采空區的抽采創造了一個封閉的空間，提高了采空率，改善上隅角的瓦斯治理。

3.2 新型端頭封堵技術

針對礦井開采中，利用人工碎煤砂裝袋方法封堵礦井底端頭存在較大的缺陷，封堵作業強度大，封堵效果不佳，文章介紹了一種利用超高水材料進行充填封堵礦井端頭的工藝。

超水分材料的泵送式灌裝方式與碎煤砂灌裝方式相比，具有快速、高含水率、高流動性等優點，可以通過管線輸送，達到地面送料和井下分配的有效交換，并且在一段時期內，超高水性材料可以自己流動，達到與井道墻貼合的效果。這種工藝具有成本低、操作簡單等優點，能顯著地減少人工資源浪費、增加工作的效率、減輕勞動量、改善工作條件。

3.2.1 準備工作

（1）在井下硐室建設超高水性材料配料基地和管線傳輸系統，該基地由入料池、攪拌器、三通連接器、控制閥和抽吸設備組成，確保了工作面物料的穩定、持續供應。

（2）本發明提供一種具有（3500~4500mm）×100mm（寬）×3000mm（高）的彈性充填袋（如圖5中所示，可按要求改變填充袋的規格）；填充袋由可收縮的吊桿、吊鉤、吊環、注料口、封口旋鈕、排氣口、封氣旋鈕及折疊式鎖頭組成，可實現折疊、懸掛、注料、封口、排氣等功能。

圖5 充填袋樣式

（3）根據巷道截面的大小，采用裝料包的折疊作用，調整到合適的尺寸。該產品具有輕質、柔韌性好、綠色環保等特點，并與超高水性物料在漿體狀態下的流動性相結合，可以更好地適應巷道斷面，實現較好的封堵效果。

3.2.2 施工工藝

（1）將S形鉤掛在巷道頂板錨網上，再將裝料袋上的吊桿置于吊鉤下鉤上方，使掛鉤與吊鉤相對應；裝料袋裝有六個環圈和兩個懸掛桿，該懸掛桿是用中空的鐵質材質，用多個套筒套入，可實現伸縮，便于搬運，并能適應各種大小的隧道截面。通過懸掛桿的設置，可以將負載均勻地傳遞到頂部，并且可以防止在吊袋和頂板之間留下空隙[2]。

（2）開啟填充袋上方的進料和排氣孔，從注料口向填充袋中注射超水性物料，袋中的氣體由排氣管排出，直到物料從排氣管排出為止；用密封手柄和空氣封閉手柄來封閉排氣口和進料口[3]。

工作面端頭封堵效果如圖6所示。

圖6 工作面端頭封堵效果

3.2.3 效果對比

該工藝與已有技術比較，具有下列優勢：

（1）減少了煤礦工人的勞動強度，從人工裝填向機械裝填改變，省去了人工裝填、搬運、堆疊等繁瑣的工序，縮短了50%的工作時間。

（2）具有良好的封堵效果，超水性物料具有良好的流動性，在自身重力的作用下，能夠更好地貼合巷道墻，具有較好的密封性能和穩定性。

（3）超防水材料是一種綠色、清潔、無污染的新型材料，可以防止破碎煤塊在包裝過程中產生的粉塵污染[4]。

4 結論

（1）本文就煤礦采空區遺煤易發生自燃這一問題進行了研究，并就傳統滅火技術的工作機理和不足進行了深入的探討，基于此提出超高水材料井下滅火技術，并指出了其在成本、效果和便捷性等諸多優點。

（2）由于采用常規的頂板封堵技術，勞動強度大，封堵效果差，易造成瓦斯超標，本文提出采用超高水材料泵送裝袋充填封堵礦井端頭，縮短50%的工作時長，使生產效益得到顯著提高，既降低了工人的工作強度和生產成本，也改善了井下環境。