复杂环境下采煤工作面综合防灭火技术的实践与应用

Comprehensive Fire Prevention and Extinguishment in Coal Mining Face under Complex Environment Practice and Application of Technology

摘要: 鹤煤公司五环分公司，煤与瓦斯突出矿井，列入2018年去产能关闭退出矿井计划。井田范围内有一向斜构造，向斜两翼伴生断层较多，煤层为三级不易自燃煤层。矿井采空区多，构造应力大，煤层裂隙发育，易发生煤层自燃，影响矿井安全生产。为此，根据矿井实际条件，采取了针对性综合防灭火技术，取得了良好的效果，促进了安全生产和效益保证。

Abstract: The coal and gas outburst mine of the Fifth Ring Branch of the Crane Coal Company was listed in the 2018 plan to shut down and exit the mine. There is a syncline structure within the scope of the mine field. There are many associated faults on both wings of the syncline. The coal seam is a Class III coal seam that is not easy to spontaneous combustion. There are many goafs in the mine, the tectonic stress is large, the coal seam cracks are developed, and the spontaneous combustion of the coal seam is easy to occur, affecting the safe production of the mine. Therefore, according to the actual conditions of the mine, the targeted comprehensive fire prevention and extinguishing technology has been adopted, and good results have been achieved, promoting safe production and benefit assurance.

1. 前言

改革开放以来，煤炭作为新中国经济发展的主要能源，使我国的经济得到了高速稳定地发展 [1]。虽然有很多更加环保如水能发电、风力发电等清洁能源在不断被提倡并应用于实践中，当然像石油等传统能源的应用也在逐渐提高 [2]。但是煤炭资源依旧是在我们国家经济飞速发展过程中非常重要的能源，其地位没有发生根本性变化。然而在煤矿的开采中有各种灾害风险，像水、火、顶板、瓦斯、粉尘等灾害，其中火灾的影响举足轻重 [3]。随着近几年采煤技术的不断发展，我国普遍使用综采放顶煤技术作为工作面开采的采煤技术，在使煤矿工作面的开采效率得到了大幅度提高的同时，随之也带来了许多非常棘手的问题，例如山西省朔州市平鲁区后安煤炭有限公司采煤工作面采空区就存在遗留残煤增加、漏风量增加等问题 [4]。这些也成了矿井火灾发生的不可忽略的原因，这也影响了煤矿开采技术进一步的发展 [5]。矿井遗煤自燃造成的火灾是限制煤矿安全生产的主要矿井灾害之一，例如在河北的艾家沟矿业公司曾在2013年就发生过一起严重的矿井火灾事故，火灾造成经济损失大约在1400万，更可怕的是其中有12人遇害死亡 [6]。内因火灾是煤矿火灾事故中是最主要的，其占比大约达到了百分之九十，而外因火灾也只是占了百分之十左右 [7]。工作面中呈立体分布，且其中的浮煤大都在上部，这些在采空区上部中的浮煤发生自然发火是内因火灾最主要的表现形式 [8]。主要是因为这些浮煤有自然发火倾向且在氧气等条件都达到后便会发生氧化反应造成自燃，当浮煤自燃后产生的热量不能及时散发，那么浮煤会因积聚的热量而发生自燃 [9]。因此采煤工作面采空区遗留煤炭自燃防治是困扰煤矿安全发展的技术难题，尤其是复杂环境下采煤工作面采空区遗留煤炭自燃防治更是防治的重点。本论文正是针对这个技术难题展开了技术研究，收到了良好的治理效果。

2. 矿井及3107外段工作面概况

2.1. 矿井概况

鹤煤公司五环分公司位于鹤壁矿区中部，开拓方式为立井、暗斜井和多水平主下山开拓。五环分公司与三矿、六矿均有大断层相隔，矿井整体构造形态为一个轴向北东45˚，向北东倾斜的向斜。开采煤层为石炭二叠系山西组二1煤层，平均厚度8 m，煤层倾角10˚~30˚，平均倾角18˚。由于矿区地质构造影响，矿压大，封闭的巷道即便用新型防灭火材料封堵后仍可能出现采空区自燃情况，自建矿以来采空区氧化和自燃情况几乎每个回采工作面都存在，对矿井的安全生产极为不利。矿井列入了国家2016~2018年过剩产能关闭退出计划，最后一个回采工作面为31采区的3107外段工作面，在防灭火方面采取了“三堵、四注、一均压”的综合治理措施。矿井煤层经抚顺煤科院化验为三级不易自燃煤层，自然发火期为138天，煤尘有爆炸危险，爆炸指数一般在15.14%。

2.2. 3107外段工作面概况

3107外段工作面位于五环分公司31采区，其西部为3208南炮放工作面采空区，南部为3105西工作面采空区，东部为3107工作面采空区，北部为三水平延深中间专用回风下山，与矿井向斜轴相邻20 m~140 m。工作面为走向长壁采煤工作面，综采放顶煤工艺，工作面切眼斜长112 m，走向长197 m，煤层平均煤厚8.55 m，煤层走向80˚~332˚，倾角13˚~30˚，平均倾角为21˚30'，受断层牵引局部倾角变化较大。3107外段工作面掘进施工中实际揭露内部有2条断层，切眼外侧1条。如表1、图1所示。3107外段工作面煤层氧化严重再加上采空区残留的煤炭的氧化导致工作面上隅角出现了CO气体，是困扰工作面安全生产的一个技术难题。

Table 1. Fault occurrence of 3107 outer working face

表1. 3107外段工作面断层产状表

Figure 1. 3107 Working face plan of outer section

图1. 3107外段工作面平面图

3. 3107外段工作面煤层氧化原因分析

3.1. 外围采空区密闭不良、漏风

1) 3107外段工作面三面临采空区，且临近向斜的轴部，巷道应力较为集中，掘进过程中易出现巷道片帮、冒顶，造成向临近采空区漏风，缓慢氧化，出现自燃发火。

2) 3107外段工作面上阶段的3105、3103工作面横川巷道封闭质量差，受巷道压力影响，密闭压裂，采空区间连通，形成大面积的漏风通道。

3) 3107外段工作面形成后，下顺槽进风，造成局部向切眼后部的3107里段工作面采空区漏风。

4) 3107外段工作面上隅角(绞车窝及抬棚高顶处)透3105采空区，出现漏风通道，形成缓慢氧化过程。

3.2. 煤层裂隙发育，抽采钻孔内煤体氧化

1) 3107外段工作面下顺槽沿原三水平延深中央专用回风扩掘，且该巷道曾经向3107外段工作面施工过抽采钻孔，受向斜轴影响，巷帮10米范围内煤质松软，裂隙发育，煤体氧化速度较快，易出现高温及CO。

2) 3107外段工作面上顺槽和下顺槽施工顺层钻孔期间为风力排粉，受地质构造的影响，巷道压力较大，个别钻孔在钻进过程中与煤体有反复硬磨现象，造成3107外段工作面下顺槽切眼口向外50 m范围内巷帮抽采钻孔内煤粉氧化并产生CO。

3.3. 高冒区煤体氧化

3107外段工作面切眼掘进期间，因煤体破碎，不易支护，巷道顶板流煤形成高冒区散煤聚热氧化。

4. 综合防灭火技术的实践与应用

回采前及回采期间的防灭火技术

1) 工作面外段轨道上山、上顺槽、揭露老巷处喷浆堵漏

对3107外段轨道上山、3107外段上顺槽进行喷浆封闭采空区老巷；揭露3105东中巷新一川四岔口处及前后各5 m的巷道全断面喷浆，喷浆厚度不低于100 mm。

2) 工作面注防灭火充填材料堵漏

对3105东中巷新一川四岔口、上安全口抬棚梁处及两个硐室顶部高冒处压注防灭火充填材料，以注浆泵压力上升缸体运行减缓为5秒一次判定为充填完毕。

3) 工作面外围通道注防灭火充填堵漏

采用砖墙封闭3107切眼外围的三水平下运皮带巷及3105新一川密闭，密闭一组两道，中间间隔500 mm充填防灭火堵漏材料。

4) 临近采空区静压注水

在3107外段工作面切眼下部70 m范围内向3107里段工作面采空区进行“打点滴式”插直径4分钢管静压注水，每隔5 m布置一个钻孔，倾角45˚，深度以打透采空区为准，采前每小班注水3次，每次注20分钟。在3107外段轨道上山、3107外段上顺槽老巷侧巷帮煤层静压注水湿润煤体，每隔10 m布置一个钻孔，插入直径4分钢管，倾角45˚，深度以打透采空区为准，回采前及回采期间每小班注水3次，每次注20分钟。如图2所示。

5) 从地面向井下317外段工作面采空区注黄泥浆及阻化剂

回采期间从矿井地面注浆站向3107外段工作面上隅角采空区及综采支架架间后部顶煤内注黄泥浆并掺氯化镁阻化剂，每天检修班注浆6小时，使采空区浮煤表面湿润，防止浮煤氧化自燃。

6) 顺层抽采钻孔静压注水

由于工作面已抽采达标，采取对上顺槽和下顺槽的所有顺层抽采钻孔进行静压注水，注水后用抽采管专用堵头彻底封闭。

Figure 2. Schematic diagram of “drip type” intubation with water injection

图2. “打点滴式”插管注水湿润示意图

7) 顶板裂隙抽采钻场预留长钻孔静压注水

在3107上顺槽顶板裂隙抽采钻场专门施工两个长度为120 m深孔，钻孔终孔位置到3107采空区上部，距煤层顶板垂距15 m，作为静压注水钻孔使用，在工作面初采初放阶段进行防灭火，每天八点班注水1小时。如图3所示。

Figure 3. Reserved long holes in roof fissure extraction drilling field

图3. 顶板裂隙抽采钻场预留长钻孔

8) 均压防火

由于工作面回风系统不得有控风设施，故采取短路风量均压，在3107外段工作面进回风巷之间的风门安设调节风窗，并具备防逆风功能，保证通风系统稳定，计算如式1所示。

根据公式计算 [10] ：

$A=1.1917Q/\sqrt{h},{\text{m}}^2$ (1)

式中Q——通过井巷或矿井的风量，m³/s；

h——井巷或矿井的通风阻力，Pa；

A——井巷断面或等积孔面积，m²。

对工作面进行短路均压防火，将风量控制在1000 m³/min,巷道断面为10 m²，计算得出工作面上顺槽和下顺槽的风流压差应稳定在10 Pa左右，每十天测一次风量，确保工作面系统压差稳定。

5. 防灭火效果分析

5.1. 防灭火效果

(1) 3107外段工作面上隅角顶煤空顶内(绞车硐室及抬棚高顶处) CO从最高的400 PPm，稳定在回采前5 PPm；温度由最高的28℃稳定为25℃。如图4所示。

Figure 4. Curve of co concentration and temperature change at the upper corner of 3107 outer section working face

图4. 3107外段工作面上隅角CO浓度及温度变化曲线图

2) 3107外段工作面本煤层顺层钻孔(下顺槽切眼口向外50 m范围内钻孔)内的CO从最高的1000 PPm降至5~10 PPm，温度从最高的45℃降至25℃左右。如图5所示。

Figure 5. Variation curve of co concentration and temperature in the boreholes along the seam in the 3107 outer working face

图5. 3107外段工作面本煤层顺层钻孔内CO浓度及温度变化曲线图

5.2. 效果分析

通过采取“三堵、四注、一均压”的综合治理措施，成功的治理了自燃发火的隐患，上隅角采空区及抽采钻孔内CO浓度稳定，未出现高温现象，风流中未出现CO，符合安全生产要求，治理效果良好。

6. 结论

6.1. 地质构造影响因素

1) 环境复杂的孤岛工作面受地应力和老空区影响，煤层裂隙通常较发育，煤体呈破碎状，且外围相连通漏风通道多，对抽采钻孔浅部防火和巷道高冒处防火极为不利，在抽采达标期间和掘进期间要加强自燃征兆排查和检查，及时采取预防措施。

2) 巷道位于向斜轴附近，矿压大，易造成巷道频繁维修，巷帮煤质松软，透气性增加，抽采钻孔极易串孔，钻孔密封性差，形成小循环漏风氧化带，应尽量避免在向斜轴附近布置回采巷道。

3) 以往的防灭火方法用的比较多的单一的注浆或者注氮气任选一种，然后再配合喷洒阻化剂等方法，方法相对比较单一，而这次采取了注浆、均压通风、注水、注阻化剂、注堵漏材料等综合防灭火方法，收到了良好的应用效果。

6.2. 自燃条件影响因素

尽管煤层为三级不易自燃煤层，但只要具备漏风、聚热、通风系统不稳等条件，自然发火期将缩短，仍极易发生煤层自燃现象，以后在类似环境布置采煤工作面必须特别重视自然发火的预防和检测工作，防患于未然。