煤層自燃防治技術
摘要：針對華豐煤礦大傾角厚煤層綜放面煤層自然發火的特點，提出大傾角綜放面煤層自燃綜合防治技術，通過在1409大傾角綜放面生產過程中的實際應用，確保了華豐煤礦大傾角厚煤層綜放面的安全生產。
關鍵詞：大傾角煤層；綜放工作面；煤層自燃：防治
華豐煤礦1409工作面是新汶礦業集團公司第1個采用綜采放頂煤技術開采的工作面。1409工作面位于-1100m水平前組一采區第1區段，上下限標高分別為-750，-840 m，走向長2100m，傾斜長150m，由西向東推采，煤層平均厚6.4m，傾角30o~35o，平均為32o，f=1.5~2.5。2005年經煤炭科學研究總院重慶分院鑒定，4層煤自燃傾向性為容易自燃，并有自然發火災，*短發火期為42d。工作面位于井田的中東部，地層走向自東向西略有變化，煤層從西部的125o。變至東部的75o，傾角從西部的34o變至東部的30o。該層煤頂板具有強烈沖擊性，工作面在開采過程中受沖擊地壓威脅，推采速度多次受到影響。
1 大傾角綜放面煤層自然發火特點
1)火災一般發生在距煤體暴露面一定距離的深部?？迓浞秶?，滲透性強，漏風范圍廣，強度大。
2)采空區垮落高度和空間體積增大，火源位置的不確定性和隱蔽性將給防滅火造成極大的困難。
3)現有的各類防滅火方法如黃泥灌漿、注阻化劑等常規滅火措施難以達到防滅火的要求。
4)1409大傾角工作面受強沖擊地壓威脅，作為保護層開采的6層煤工作面在其前方推進速度緩慢，為保證安全距離，4層煤工作面推采速度受到人為限制，煤體自燃氧化時間長，自然發火幾率增加。
2 大傾角綜放面回采期間煤層自燃預防
1409大傾角綜采放頂煤開采以來，在工作面切眼處、終采線、采空區兩側發生自燃火災可能性大，采空區兩道受自燃火災威脅，采空區“三帶”動態移動，自燃高溫區域范圍大且隱蔽，采空區漏風量大，漏風規律復雜，自燃火災滅火難度大。因此，必須對自燃危險區域進行預防性處理。利用溫度分析法和束管氣體分析法對煤炭自燃進行早期預報，一旦出現自然發火隱患，采取各類防滅火技術措施對自燃火災進行綜合處理。
2.1 煤層自燃預測預報
建立完善的防火預測預報制度，派專職防火觀測員對石門見煤線、防火密閉內氣體定期取樣檢查，工作面回風流、回風隅角每班檢查3次。充分利用各種監測手段，機防和人防相結合，提高煤層自燃預測預報的準確性。
2.1.1 人工觀測
工作面在開采過程中，安排專職防火觀測員每2 d對推采過的石門防火墻內、部分支架頂部煤體內、回風石門見煤線、巷道高冒區、工作面回風、下隅角風流中的瓦斯、CO2、CO、溫度使用電子檢測儀器儀表現場檢測1次，工作面配備專職瓦斯檢查員每班對工作面回風、下隅角風流中CO檢查1次，發現問題及時匯報。自2006年1月開始，在工作面架間頂部(每隔5架)煤體中、上、下隅角、工作面回風流中共設加余處防火觀測點，每班監測2次，監測指標有CO、O2、溫度，檢測結果分別匯報通防部、調度室和專業負責人。
2.1.2 對采空區內CO連續監測
工作面推采過石門后，在構筑防火密閉墻時，在墻內預先埋設束管，在工作面后部下隅角內敷設束管，隨推采不斷前移位置。圍繞1409工作面的開采，共設5路束管與地面KSS-200型CO束管監測系統主管路連接，每天對各觀測點巡回檢測1次，自動生成報表，提供防火觀測信息，以便及時分析氣體變比趨勢，進行預測預報。
2.1.3 對發火指標氣體進行微量分析
配備先進的SP3430氣相色譜儀，對以上人工觀測地點的氣體每2d取樣1次，帶至地面束管站分析，分析項目有H2，CO，CO2，瓦斯，C2H4，C2H2，C2H6，O2，N2等9種氣體，及時分析CO，C2H4，C2H6等自然發火指標氣體和其他氣體的濃度，以及變化趨勢，結合煤樣自燃實驗結果，掌握煤體自燃氧化過程的發展進程，及時預報發火危險性，指導現場采取措施提前進行處理。
2.1.4 對CO濃度、風流溫度和風量進行連續監測
在1409下平巷回風流中，安設CO傳感器、溫度傳感器、風速傳感器，對工作面下平巷回風流中的CO濃度、風流溫度和風量進行連續監測。
2.1.5 利用紅外場強探測儀查找煤體氧化異常點
在1409工作面防火中使用了ST6防爆紅外探測儀。該儀器主要用于井下探火、探水、探瓦斯。為了滿足井下防范3種災害的需要，該儀器上設有3個擋，第1擋是測溫擋，第2擋是常用紅外輻射場強擋，第3擋為高靈敏度紅外輻射場強擋。儀器上裝有激光指向器，用以對準被探測目標，通過儀器上的轉換開關，根據探測時的需要，可直接在儀器的數字顯示屏上，讀取紅外輻射場強的瞬時值、*大值、*小值、差值和平均值。
在采煤期間，對上下平巷局部地段存在高冒區的上幫、頂板和下幫設點探測紅外場強的輻射情況，沿巷道走向每隔5m探測3個點，分別是上幫中、頂板中和下幫中，按順序編號，升井后將探測數據及時輸入微機，繪出曲線。探測工作每隔5d進行1次，對連續幾次測定的數據和曲線形狀進行對比分析，發現有變化時，立即找出原因。對發現有異常的地點，及時再次測定，探測點的間距縮小，每隔2架棚測定1次，并在每個測點位置增加探測部位，如頂板有時探測3個部位：頂板上(靠近上幫位置)、頂板中、頂板下(靠近下幫位置)。
2005年2月，利用紅外場強探測技術，發現下平巷第5石門以西70~90m巷道頂部探測點紅外場強數值有升高趨勢，共設40個觀測點，隨后加強了觀測。通過觀測，14~19號點探測值比其他點升高，18號點為*高，如圖1所示。該處有地質構造帶，掘進過程中出現了頂煤垮落，用水泥背板裝頂，底部煤體破碎，煤體內部溫度達到32℃，CO體積分數達到230×10-6，原因是垮落空間內風流小，氧化產生的熱量積聚不能散發，導致氧化過程不斷擴大，出現了發火隱患點，后采取了噴漿，打鉆先注水降溫、后注凝膠的防火措施。很快將隱患點消除。
2.2 煤層自燃預防
2.2.1 采空區注氮
華豐礦共配備2臺井下移動變壓吸附式制氮機，1臺JXZD一300型制氯量為300m3/h，另1臺IXZD-700型制氮量為700m36/h，出日N2壓力不低于0.5MPa，N2純度在97%以上。采取2種注氮方式：①自進風平巷上隅角向采空區內埋設2趟Ф50mm鋼管，管路出口相距24m，2路管路交替注氮，當一路管路埋設深度達到48m時即斷開重新埋設，注氮位置始終保持在上隅角以里24~48m處，防止N2從支架后大量泄人工作面；②在后部進風石門內提前埋設注氮管路，在工作面推采過該石門前，自石門內向石門兩側平巷內埋設注氮鋼管，并隨工作面向前推采，不斷延長，管路出口分別相距60m，共埋設4趟，采空區注氮范圍走向能達到300m。1409工作面正常開采期間，每5d對采空區注氮1次。進入末采階段后，采取三班連續注氮措施，2臺制氮機交替開機，分別工作5h，注氮量5000m3班。2006年1-9月累計注氮600萬m3。
2.2.2 工作面單體支柱段灑漿、采空區灌漿
在推采過程中，在采空區預留注漿管路，隨工作面推進向外接管路，保持深度在30～60m，向采空區注漿，同時工作面上部帶采煤柱單體支柱段采取了灑漿措施。正常推采過程中，每天二班注漿，每班注6車黃土漿，泥漿比例為1：(3～5)。進入末采階段后采取三班注漿措施，并在漿液中加人MEA等防火劑，提高泥漿黏稠度和堵漏效果。2006年1-9月注漿用黃土2705車，灌漿量達到1.63萬m3。
2.2.3 采空區注水
1)實施高位注水技術。2006年1月，1409工作面過地質構造期間，推采速度慢，為防止支架頂部煤體氧化自燃，在工作面上平巷安設SGZ-IB鉆機，自巷道底板以上1m高度按設計角度施工鉆孔，終孔位置在工作面50~100架支架卜方、底板以上25m處，鉆孔直徑75mm，下Ф40mm套管，沿工作面走向每20m為1組，2006年1月23日-4月9日共施工長鉆孔15個，鉆孔平均深度80m。鉆孔接通注水管進行連續注水，每個鉆孔連續注水3d，然后接通注氮管進行注氮，依次輪換注水、注氮。2006年9月13日-10月3日在上平巷向工作面施工3排高位注水孔，共18個，第1排位于支架前部，第2排位于支架后尾梁處，第3排位于支架后部3m位置，鉆孔平均深度53m，*深17#孔長為94m。高位注水孔注水效果：注水前監測的CO體積分數為(100~300)×10-6，*高達到562×10，注水后穩定在(30~60)×10，效果較明顯。
2)綜放支架頂部注水。2006年1月23日，1409工作面40架以下架頂出現CO異常，采取了對工作面60架以下逐架進行打鉆注水處理。使用KZG-15型隔爆型震動沖擊電鉆配麻花鉆桿打孔，深度為2.5~4m，下Ф15mm套管，接通水管進行注水。每架設鉆孔3個，分別位于架前、架中部、架后尾梁處，隨工作面推采，及時補孔。2006年1月23日-3月1日共打淺孔148個。
在工作面上平巷后部隅角處，利用震動沖擊電鉆向采空區打30o鉆孔，深度12～18m，下Ф20mm套管，注膠體泥漿，共打鉆孔12個。在1409工作面溜尾處，向溜尾架頂煤打0o鉆孔，深度12m，下Ф15mm套管，共打鉆孔23個，接通水管注水或注氮。共施工頂部注水孔172個。對工作面支架頂部、后部尾梁處打鉆下套管注水、MEA等材料堵漏風。
2.2.4 上隅角注膠體封堵漏風
應用復合膠體防火系統，向采空區注入膠體，固化、包圍浮煤。對工作面上隅角及工作面單體支護段采取了膠體注漿堵漏技術，注入高分子材料、膠體泥漿、增稠劑、MEA等防火材料，封堵采空區漏風。
2.2.5 上下平巷后部建編織袋墻降低漏風量
在工作面正常推采情況下，每15m建1道墻。自2006年1月后堅持每5m構筑1道，并根據后部垮落情況隨時建筑。改變采空區漏風路線，降低采空區漏風量，減小氧化深度。工作面推采到位后，上隅角建矸石袋墻1道，墻后充填膠體防滅火材料。
2.2.6 控制風量，減少氧化帶寬度
工作面末采期間在下石門構筑了調節風門，工作面風量控制在600m3/min以下工作面回撤時，自于需要回撤機電設備，拆除了下石門風門，在-840m水平巖巷煤倉處構筑擋風墻，過膠帶處加設了風簾，每班安排專人檢查維護，嚴格將風量控制在500~600m3/min。
2.2.7 石門見煤線加固處理
工作面上下平巷石門在揭露煤層前5m，采用錨噴支設“U”形棚加強支護，防止煤體松散垮落。工作面過下石門時在見煤線處支設水泥板垛4個加強支護，上下平巷石門封閉全部建筑防火密閉墻，保證施工質量，杜*漏風，安設觀測管、束管加強監測，預留Ф50mm鋼管作為注氮管，工作面推過后進行注氮預防。
2.3 煤層自燃隱患處理
2.3.1 封閉石門內防火處理
2005年7月9日，防火觀測人員在取樣分析-840m水平西四石門防火密閉墻內氣體時，發現CO體積分數較以前升高，隨后幾天CO體積分數快速上升，*高達到3.6×103。-840m水平西四石門于3月31日采過，7月11日石門距工作面距離為280m。分析認為：產生CO的主要原因是由于采動壓力影響，石門內圍巖產生裂縫漏風，造成煤體氧化。7月12日夜班，由救護隊對1409西四石門進行了啟封，對原防火墻外巷道進行噴漿處理，在原防火密閉外6m處重新構筑了防火密閉，密閉墻掏槽深度0.6m，并在墻前支設“U”形棚加強支護，重新進行了封閉。7月12日早班，利用JXZD-300型制氮機對-840m水平西四石門進行注氮，每小班注氨6h，注氮量5400m3。至7月20日，-840m水平西四石門內CO消失，隨后對該石門實行連續注氮，直至9月5日停注，共計注氮54d，注氮量29.16萬m3。
2.3.2 工作面推采速度慢形成發火隱患時的處理
自2005年12月26日起，1409工作面因頂板破碎，煤壁片幫冒頂嚴重，推采速度慢，造成采空區遺煤及支架頂部破碎煤體氧化產生發火隱患，2006年1月下隅角CO體積分數達到40×10-6，支架頂部煤體中測點CO體積分數*高達到1403×10-6，采取采空區注氮、注漿、上、下隅角壘砌矸石袋墻、支架頂煤注水、高位鉆孔注水、注膠體泥漿、高分子材料、隅角充填封堵等綜合防火措施，CO體積分數降低至0并趨于穩定
2.3.3 工作面撤面期間煤層自燃預防
工作面撤面期間后部采空區浮煤、支架頂部和接近支架尾梁的采空區煤體容易出現自燃隱患。工作面進入東翼后推采速度十分緩慢，后期采取了不放頂煤的措施，采空區大量的浮煤氧化程度已相當嚴重，撤面時間長，后部采空區氧化帶內的煤體接觸氧化時間已經超過*短自然發火期。是*大的發火隱患點。其中30#～50#架內CO體積分數比其他地點高，工作面30#架以上是防火的重點部位。在支架回撤期間，頂部破碎煤體裂隙發育，局部存在較厚的頂煤，如果回撤時間過長，超過發火期，容易形成自燃，是防火的另一個重點。
1409綜放工作面撤面期問防火工作仍采取“綜合治理，預防為主”的方針，提前采用常規技術措施消除發火隱患，對容易發火的特殊地點，采取有針對性的防火措施，破壞煤體自燃的條件，使發火條件不能同時存在。
3 結束語
針對華豐煤礦的現場實際情況，分析并掌握了大傾角綜放面煤層自然發火規律，采用有針對性的防滅火技術措施，形成了一套大傾角煤層自燃火災預測及防治技術，在工作面推進速度慢，開采條件差的情況下，成功實現了*個綜放面的安全生產，安全產煤190萬t，創造經濟效益1.2億元，為深部大傾角綜放面的安全生產提供了保證。
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