特厚煤层综放工作面防灭火技术研究

杨俊

摘要：针对胡家河煤矿特厚煤层综放开采工作面采空区面临的防灭火问题，分析了特厚煤层综放工作面采空区自燃“三带”分布特征与范围，从科学评估、超前预警、主动预防、快速治理等方面构建采空区火灾防控技术体系，并针对性提出了火灾监测监控技术和煤矿防灭火技术，为类似条件的矿井防灭火技术提供参考。

关键词：特厚煤层；综放工作面；采空区；防灭火

Research on fire prevention and extinguishing technology of fully mechanized caving face in extra-thick coal seam

Yang Jun

Shaanxi Binchang Hujiahe Mining Co., Ltd

Abstract: In view of the fire prevention and extinguishing problems in the goaf of fully mechanized top coal caving mining face in extra-thick coal seam of Hujiahe Coal Mine, the distribution characteristics and scope of spontaneous combustion ’ three zones ’ in the goaf of fully mechanized top coal caving mining face in extra-thick coal seam were analyzed. The fire prevention and control technology system in the goaf was constructed from the aspects of scientific evaluation, advanced warning, active prevention and rapid management, and the fire monitoring and control technology and coal mine fire prevention and extinguishing technology were put forward, which provided reference for mine fire prevention and extinguishing technology under similar conditions.

Keywords:extra-thick coal seam ; fully mechanized caving face ; goafs ; fire prevention

1 前言

近年来，我国对煤矿安全生产重视程度不断增加，煤矿灾害防治手段与技术有了长足进步，煤矿安全生产形势得到了明显好转。截至2020年底，开采容易自燃煤层煤矿852个，生产能力16.3亿吨；开采自燃煤层煤矿1540个，生产能力15.4亿吨。国内外专家针对煤矿火灾防治方面开展了大量的研究工作，梁运涛等[1]依据我国煤矿火灾灾害区域分布特点及近5年来煤矿火灾事故特征，分析指出现有煤矿火灾防控技术与装备的适用性。侯欣然等[2]总结了官能团、自由基在煤自燃过程中的变化、作用机理等微观特征。王建军[3]分析采空区自燃"三带"的基础上，对双柳煤矿防灭火技术进行了研究。孙珍平[4]提出特厚煤层均压通风条件下采空区"三带"明显"漂移"，氧化带宽度"拓宽"。邬剑明等[5]提出运用同位素测氡法探测煤矿自燃火源位置。陈洋等[6]提出自燃火灾光谱在线原位监测、光纤监测等新手段。专家学者对煤矿火灾防控提出了较好的思路和指导。随着煤层开采强度的不断增加，尤其是特厚煤层综放开采的采空区自燃容易引发瓦斯（煤尘）爆炸，煤矿火灾防治仍面临着重大挑战。笔者结合胡家河煤矿4号特厚煤层开采条件和防灭火技术，提出了具有适用性的防灭火技术体系，为该区域火灾防治提供了参考。

2 特厚煤层综放工作面基本概况

2.1 矿井地质条件概况

胡家河井田地处陕西彬长矿区中北部的泾河东侧，整体为宽缓的向斜区，地层总体为走向NEE，地层倾角较小，一般小于5°。井田主要可采煤层为延安组的4号煤层，煤层厚度0.8～26.20m，该煤层结构较简单，为近水平煤层，煤层倾角一般小于7°。

2.2 工作面基本条件

401106工作面是陕西彬长胡家河矿井第九个回采工作面，该工作面设计长度1747m，可采长度1492m，倾向长200m。煤层底板埋深592～770m，总体趋势从工作面西侧向切眼逐渐增大，工作面中间区域向两条回采平巷逐渐增大。

3 采空区自燃

“三带”分布特点及范围

特厚煤层综放开采工作面在工作面布置、工作面回采速率等方面与工作面发生火灾危险密切相关。按采煤工作面采空区内浮煤自燃危险性的不同，将采空区划分为散热带、氧化自燃带和窒熄带。

3.1 特厚煤层采空区自燃“三带”分布特点

（1）综放工作面切眼与停采线附近易诱发火灾

综放工作面开切眼和停采线附近由于初次或末次放煤空间的限制与顶板覆岩结构特征，难以实现煤炭资源的完全放出，致使采空区遗煤较厚。在工作面初期推进和工作面回撤期间，均面临着布置工作面“三机”和回撤工作面“三机”的问题，导致该区域煤体在矿压影响下压裂破碎，存在漏风供氧，且与氧气接触时间过长。综合以上因素，开切眼、停采线附近采空区易发生自燃火灾。

（2）工作面回采平巷附近易诱发采空区自燃

由于端头支架处顶煤放出率低，留有大量遗煤，综放工作面受放煤工艺等因素的限制，多具有推采进度低的特点，为大量的采空区遗煤接触氧气、提升遗煤温度提供了条件，使得位于采空区后方对应回采平巷的位置遗煤温度相对其它地点更高，使得自然发火期大为缩短，导致该区域易诱发采空区自燃。

（3）采空区自燃高温范围大、火源位置高

综放面采空区两巷道留有大量浮煤，煤氧作用热量逐渐积聚，一旦自燃，采空区蓄存了大量热能，造成周围煤岩体的温度亦相当高，因此，综放面采空区高温范围大。采空区浮煤一旦自然升温，由于火风压的作用，较高位置煤体受到加热，造成火源位置较高，用水、浆等流体灭火困难。

3.2 采空区自燃“三带”范围

明确采空区自然“三带”分布情况，是防范采空区煤层自然的基础。结合401106工作面井下采空区氧气浓度监测，获取了工作面采空区自燃“三带”范围，具体见图1、表1。

图1 采空区氧气浓度拟合曲线

表1 基于氧气浓度分布的采空区自燃“三带”范围表

三带范围（m）	散热带范围	氧化自燃带范围	窒息带范围
回风侧	<22	22-60	>60
进风侧	<36	36-88	>88

4 采空区火灾防控技术体系

结合矿井采掘巷道布置、专项设计、防灭火评价等内容，开展科学评估，论证防灭火技术方案是否合理。在方案论证可行的基础上，建立井上下监测监控系统，结合现场监测数据和预先设定的相关指标，对防灭火进行超前预警。在采煤工艺方面，通过减少留底煤、提高回采率等方式，减少采空区遗煤量；通过采空区注氮气、及时封堵巷道等方式降低采空区氧气浓度；通过注黄泥浆等方式实现采空区降温，综合上述方面，形成了具有胡家河矿特色的防灭火技术理论体系见图2。

图2 防灭火技术体系

5 矿井防灭火技术措施

防灭火技术主要以监测监控为主，配备防灭火系统，实现主动预防，当出现问题时，快速响应，将火灾控制在萌发阶段。

5.1 火灾监测监控技术

在井下主要生产作业场所，安装安全监测监控系统，实时获取井下瓦斯、温度、一氧化碳等参数，在采空区内安装井下激光型火灾预警系统、采空区光纤测温系统，实时获取采空区火灾监控相关气体浓度，并辅助以人工不定期监测，实时修正、完善监测数据，实现井下火灾实时监测监控。

（1）安全监测监控系统

建立安全监测系统，对采煤工作面各地点的瓦斯、温度、一氧化碳等参数进行实时监测，在工作面进风、工作面上隅角、回风巷回风口、皮带转载点均安设CO传感器，在工作面安设温度传感器，可以实时监控风流中的CO、温度；在各抽采主管路上安装CO传感器，实时监测采空区及煤层CO浓度，做到防患于未然。

（2）束管监测系统

井下激光型火灾预警系统，通过束管将采空区气体O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H2等防灭火指标气体抽至气体采样泵，再由井下监测主机分析后将数据通过工业环网传至地面监控室；采空区光纤测温系统，将光纤埋至采空区，将光纤引入变电所光纤测温主机，分析后将数据通过工业环网传至地面监控室，实时测量采空区温度。

（3）人工观测

安排技术人员对综放工作面上隅角、回风巷，各处高冒点、闭墙、立交、抽采钻孔、煤仓等地点的温度以及该地点的CH4、CO2、CO等气体进行观测，发现异常汇报通风调度。

在人工观测时，以动静结合的方式，将观测点分为固定观测点、移动观测点和临时观测点。固定观测点：在回采工作面的进、回风巷、盘区回风巷、掘进工作面回风，选择围岩及风流稳定、前后5m范围内断面无变化、支护完好的巷道内建立固定观测点。移动观测点：在回采工作面的进回风巷内距工作面10~20m处设置移动观测点，并随工作面的推进向前移动。临时观测点是当发现有异常现象时，为缩小自然发火范围以便准确查找火源点而增设的观测点。采煤工作面临时观测点在采空区距工作面不大于30m处。

5.2 煤矿防灭火技术

综采工作面采用综采放顶煤采煤方法，为防止煤层自然发火，根据矿井自然条件、煤层赋存特征等，设计选用以上下隅角封堵、汽雾阻化、采空区注氮气为主，以黄泥灌浆、煤层注水、注液态CO2为辅，保证采煤工作面的安全生产。

（1）上下隅角封堵

下隅角采用“双层菱形网+风筒布”作为骨架，表面喷涂普瑞特形成一道墙体。必须与顶板、帮部接实。

正常生产期间上隅角每天施工一道0.3m宽发泡水泥块墙体，墙体要求与顶板、副帮接实，并进行喷涂普瑞特。墙体施工成钝角，将后溜机尾电机处于风流中。墙体上部预埋Φ315mmPE管，抽放管路与顶板距离不大于0.2m。

（2）煤层注水

在煤层中注水或者阻化剂，煤层注水后水分增加，延长煤的发火周期。对降低煤体温度、阻止煤炭氧化自燃十分有利。

（3）注氮气

工作面采用下隅角埋管连续注氮方式，减少氧气在采空区范围内的占比，使采空区气体惰化，起到隔绝遗煤与氧气的关联作用。工作面采空区注氮工艺见图3。

图3工作面采空区注氮工艺图

（4）黄泥灌浆

综放工作面灌浆管路敷设在进风顺槽巷道中，沿工作面倾向方向在液压支架后方埋设一趟灌浆管路，每趟灌浆管路留设3~4个三通（注浆口），三通垂直于底板向上0.5m，要求相邻两组出浆口等距错开，均匀布置，呈三花眼，埋设长度为不小于50米，沿工作面走向长度每50-70m埋设一组，工作面架后埋管灌浆,见图4。

图4 架后埋管布置示意图

（5）汽雾阻化防灭火

在综放工作面顺槽设备列车上安设气雾阻化泵，沿进风巷顺槽铺设一趟Ф25mm高压胶管至工作面喷雾点，在工作面架后均匀布置喷头，在喷雾点安装气雾阻化喷头。阻化剂选用MgCl2，将MgCl2与水按不小于10％比例在贮液箱内混合搅拌均匀，后经过滤器，进入喷雾泵，加压输送到工作面雾化器，将药液转化为气雾向工作面采空区喷洒。气雾阻化工作要求不间断进行。

（6）注液态CO2

液态CO2由化工厂专用的液态CO2槽车运至矿工业广场，并逐次灌注到矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置，然后由胶轮车运送至井下灌注地点，利用自身压力沿提前预埋的防灭火管路压入采煤工作面采空区。

6 结论

（1）分析了特厚煤层综放工作面采空区自燃“三带”分布特征，给出了采空区自燃“三带”范围。

（2）构建科学评估-超前预警-主动预防-快速治理的特厚煤层采空区火灾防控技术体系。

（3）采用以上下隅角封堵、汽雾阻化、采空区注氮气为主，以黄泥灌浆、煤层注水、注液态CO2为辅，结合人工预警及束管监测的综合防灭火措施，保证采煤工作面的安全生产。

参考文献：

[1]梁运涛, 侯贤军, 罗海珠,等. 我国煤矿火灾防治现状及发展对策[J]. 煤炭科学技术, 2016,44(6):1-6,13.

[2]侯欣然,乔建,王福生.煤炭自燃机理的研究进展[J]. 煤炭与化工,2018,41(06):104-107.

[3]王建军.双柳煤矿自燃火灾综合防治技术研究[J]. 煤炭与化工,2018,41(02):149-151.

[4]孙珍平.基于邻空巷钻孔技术的特厚煤层均压工作面采空区自燃“三带”研究[J]. 煤矿安全, 2019,50(12):140-143.

[5]邬剑明,翟建山,吴新文,等.煤矿自燃火灾治理关键技术的研究与应用[J]. 中国安全科学学报, 1988,4:50-53.

[6]陈洋,王伟.采空区自燃火灾预报方法与监测新技术[J]. 煤矿安全, 2021,52(08):118-122.