易燃厚煤层超长综放面采空区火灾治理技术

　　1 工作面概况

　　常村煤矿属易燃矿井，生产能力180万 t/a。现正在回采的21072综放面是河南省首个“小煤柱护巷外错布置的超长综放面”。

　　21072综放面位于矿井唯一主采盘区――21盘区3个条下山以东自上而下的第4个工作面，上、下为已采完毕的21052综采面和21092综放面，东为盘区东部边界断层带，西为盘区下山保护煤柱，属孤岛区段。走向长1 460 m，倾向长220 m。煤层产状较平缓，倾角8°～17°，可采煤厚6.3～10 m。圈定范围内地质构造较简单，切眼外220 m范围内有5条落差为1～2.5 m的断层。工作面上巷上距21502下巷5.5 m，下距21051下巷16 m。下巷下距21092上巷7 m，上距21091上巷11 m。里段580 m基本为实体煤，外段全部处于21091,21071,21051采空区的下层。所采煤层为侏罗纪中统下部义马组2～3煤，煤岩以亮煤为主，普氏系数ƒ=2~2.5。煤种低变质的长焰煤，挥发份含量高达42.3%，自燃倾向性极其严重，自然发火期15～30 d。煤层瓦斯含量整体上较小，相对瓦斯涌出量为1.35～1.76 m3/t。但受盘区东翼局部顶板砂岩体条带自上而下纵贯全区的影响，工作面沿走向有221 m原始煤层的瓦斯含量较大，相对瓦斯涌出量达到4.2～5.77 m3/t。煤尘具有危险性，爆炸指数48.33%。通风方式为“U”型上行负通风。

　　工作面采用自然垮落法管理顶板。割煤高度2.6 m±0.1 m，放煤高度3.6～7.3 m，采放比为1:(1.25~1.27)，机头、机尾各3架不放顶煤。

　　2004年2月8日，工作面回采273.5 m时，回风流CO浓度呈快速增大趋势，一天时间内由0.006%增大到0.024%。120架以上支架后尾梁架缝CO达到0.06%～0.5%。130～135架的后尾梁架缝CO最大，达到0.5%，但整个工作面及回风流没有烟雾。上述征兆表明工作面采空区已发火。

　　2 火点位置判定及发火原因分析

　　2.1 火点位置判定

　　准确判定火点位置，是有效，快速灭火的关键。火情出现后，根据CO气体涌出特征、采空区漏风特征及近段工作面生产状况等对火点位置进行综合分析、判定。

　　1)根据工作面120架以上支架后尾梁均涌出高浓度CO气体，且130～135架后尾梁架缝CO气体浓度明显高于其两侧，结合采空区漏风轨迹、CO气体扩散运动规律、工作面130架以上顶煤放出情况，以及130架顶层对应于21051下巷的实际，初步判定发火点有2处：一是130架顶层的21051下巷下帮松动破碎的高温煤体落入本煤层采空区后遇风自燃;二是工作面下半部局部架后采空区遗煤自燃。

　　2)现场观测期间，机组在43架停滞时，43～45架后尾架缝CO浓度由0.008%锰增到0.3%。并且，10架以上后尾梁架缝CO浓度均不同程度增大。当机组上行离开后，该处后尾梁架缝CO浓度突降到0.05%，且10架以上后尾梁架缝的CO浓度基本恢复原状。根据工作面局部存在较大风压差时采空区的漏风轨迹和CO气体扩散涌出特征，可进一步判定下部火点位于10架以下局部架后，且距工作面较近。

　　3)2月4日4点班，气割工作面下端头架上侧后立柱顶部连接销时，曾引燃过架顶碎煤。并且，自该班起，受工作面下半部顶板破碎，支架工作阻力较小失稳倒斜的制约，工作面下口几乎未动。加之当时下隅角巷顶客观存在高冒区，其中的碎煤出现自燃隐患时，前期往往不易被检测到，落入采空区后，诱发自燃的可能性极大。由此可锁定下部火点位于3架以下、且靠近支架后尾梁的架后遗煤。随后的灭火实践证实了该判定是准确的。

　　2.2 发火原因分析

　　造成发火的原因除煤层自身具有极易自燃的特性外，主要有：

　　1)工作面3架以下采空区遗煤发火原因 一是未彻底处理干净气割引燃架顶的碎煤，造成潜在的、最直接的发火危险源;二是下隅角巷顶高冒区出现高位自燃隐患点未及早检测到，支护棚梁回撤后顶煤塌落，疏松程度增大，触氧面和吸氧条件由弱变强，氧化速率加快后释放的热量积聚;三是受工作面下部支困倒斜扶正的影响，推进速度很快，自燃隐患点的外部条件未得到较大改变而使蓄热环境遭到破坏。尤其是10架以下，几乎是原地不动。上述因素综合的结果则造成发火。

　　2)130架顶层的21051下巷遗煤发火原因 根据“O”型圈理论可知，虽然21051工作面早已采过，但沿巷道周边客观存在着未压实条带，本分层工作面顶煤放出后，势必与其连通。加之21072上巷顶板存在多处高冒区，在矿井通风负压的作用下，极易形成很难被检测发现的、复杂的“一源多汇”漏风通道，造成向顶层采空区遗煤连续漏风供氧而积热。随着工作面向前推进，热煤体落入本分层采空区后，疏松程度大增，供氧充分，氧化速率加快。虽然有防火工程，但受采空区防火工程的局限性和管理不力等因素的影响，安全有效性较差。一旦工作面推进速度变缓或停滞，很容易发火。

　　3 治理组织、技术对策

　　3.1 治理组织对策

　　明确工作思路，强力组织实施是决定灭火工作安全、快速进行的关键。因此，根据发火点位置的分析判定，确定以“决策合理、落实到位、确保质量、综合防治”的思路统筹整个灭火工作。加强通防、采煤队现场配合协调，实施齐抓共管。每班布置的作业计划，必须保质保量完成，从各方面为强力推动综合灭火进度提供可靠的组织保障。

　　3.2 治理技术对策

　　1)全方位封堵下隅角主漏风通道。对下隅角进行全方位封堵，可有效减弱向火点的漏风供氧量，遏制火患蔓延发展，为快速灭火提供条件。封堵时，按照“空间分层、长短结合、扇形散开、全面充填”的方式，布置深、浅钻孔各5个。深钻孔的参数为孔深8～10 m;角度与巷顶呈30°仰角;布置方式;首个钻孔沿走向距下巷下帮煤壁0.3 m，终孔位置依次相隔1 m等间距布置。浅钻孔的参数为孔深4～6 m;角度与巷顶呈25°～30°仰角;布置方式基本同深钻孔。钻孔下管均采用Φ40 mm的钢管，其前端1～1.5 m的管壁上间钻有8～10个Φ18～20 mm的小孔。

　　封好孔后，先用土水比为1:(4~6)的稀浆液大流量灌注，后改注胶体泥浆进行大量充填封闭。该处共充填了130 m3。

　　2)工作面局部均压。工作面实施局部“均压”，一是可降低火点上、下端的压差，减小其漏风共氧量;二是通过调整均压幅度，可抑制高浓度的CO气体涌入工作面，为各项灭火工程的实施创造相对安全的外部环境;三是可防止注入采空区的氮气大量泄漏。均压时，分别在工作面下巷跨胶带建一组三道风门和上巷建造一组三道调节风门后，利用安设于下巷风门以外的DBSF-6.3型大功率(2×22 kW)局部通风机向工作面供风，对工作面实施半开区联合均压。风筒出口位于里道风门以里30 m处。均压程度以“工作面回风量控制在原回风量的65%～70%、且风流中CH4浓度不超或增幅不大”为准。实施均压后工作面的回风量由原来的720 m3/min降到490 m3/min。稳定6h后，回风流CO浓度由0.042%降到0.008%～0.01%，CH4浓度由0.68%降到0.52%。

　　3)稳定工作面通风系统。保持稳定的通风系统是准确分析、掌握各项防火工程的有效性、火患发展变化势态和均压稳定程度的基础。因此，整个灭火期间，安排专人看管上、下巷均压风门。并且，均压风机实行“双风机、双电源及自动倒台”。保证工作面回风量稳定在490～510 m3/min，上巷风门内、外压差稳定在430 Pa。

　　4)采空区注氮惰化。采空区注氮不仅可控制3架以下火点和130架处火点的蔓延发展速度，同时可有效防止采空区发生新的自燃隐患点。因火点靠外，用采空区预先未压管，注氮先用钻孔法。钻孔布置于工作面下隅角，共布置3个深度15 m，仰角10°左右的注氮孔。注氮工作在下隅角全方位充填堵漏后开始，氮气流量1 000 m3/h，连续进行注氮，注氮量以工作面及其回风流中O2浓度不低于18%为准。

　　该采空区共注氮130 452 m3。随工作面向前推进，注氮孔即将报废时，利用其向采区充填胶体泥浆37 m3再次封堵。

　　5)充填封堵顶层采空区的漏风通道。打钻充填惰性材料，是阻断21051下巷漏风通道的有效途径。钻孔布置方式;分组间隔布置，每组3～4个，孔间距2 m，组间距50 m。孔深以打透为准。孔径Φ40 mm。封好孔后，先大量注稀泥浆对浮煤体充分湿润，浆水沿遗煤体裂隙向两侧渗流，渗入架后发火煤体的浆水可直接灭火。随后又改注胶体泥浆或阻化粉煤灰浆阻断隔离，切断漏风供氧通道，防止外部的未压实带发生新的自燃隐患点。

　　6)加快工作面推进速度。强化支架纠斜扶正，恢复工作面正常推进一定程度上不仅可使火点被压实窒息，而且可防止采空区遗煤出现新的自燃隐患。支架扶正时，沿工作面下部易冒落段煤墙打单体柱控顶放炮落煤，但不放顶煤。单体柱间距不超过0.5 m，循环进尺0.5 m。采一排，支架拉一排。放炮落煤范围：易冒落区及其以上10 m。工作面向前推进5 m后，支架全部扶正，机组开始“通刀”割煤，仍不放顶煤，继续外推10 m后，恢复到正常的生产状态。

　　4 结语

　　治理采空区发火时，应做到以下几点：

　　1)应先根据CO气体涌出的外部征兆，结合工作面的推进度和上学收集、统计的自燃隐患资料，判定出火点位置后，有的放矢。

　　2)应明确整体灭火工作思路，加强各方面的管理监督，尤其是现场组织配合十分重要。

　　3)实施各项措施时，应分清其作用程度、针对性等，有条不紊的严格落实，充分发挥综合治理效果，是能够有效、快速灭火的。

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