高瓦斯易自燃冲击矿压条件下煤层综合防灭火技术研究

付田田，郭 庆，左兵召，武光辉，吴长俊，昝军才

(1.陕西彬长胡家河矿业有限公司，陕西 咸阳 713600；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116)

煤炭自燃是我国矿井的主要自然灾害之一。在我国国有重点煤矿中，存在煤炭自燃的矿井占矿井总数的56%，煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%以上[1-2]。近年来，国民经济快速增长对煤炭的需求拉动了煤炭工业的迅速发展，随着煤炭产量的日益增加，煤炭开采深度和强度也日益增加，煤炭的开采条件也不断恶化，突出表现在开采深度增加，地质构造条件复杂，瓦斯、火、水、冲击矿压以及煤与瓦斯突出等几大灾害日趋严重[3-4]，并且部分煤矿多种灾害同时共存，在此种条件下，矿井火灾的预防和治理更显得突出。

1 工作面概况及冲击矿压对煤炭自燃防治的影响

胡家河煤矿属于彬长矿业集团，位于陕西省咸阳市彬县县城西北约20km处。该矿是新建矿井,年设计生产能力为500万t，2012年10月份开始联合试运转。

401101工作面是该矿联合试运转后第一个综放工作面，该工作面倾斜长175m，走向1563m，赋存稳定，煤层近乎水平，厚度15～26m,平均厚度23.5m。工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤分层开采，回采上分层煤平均厚度13.5m(采煤机割煤高度为3.5m，放顶煤开采总厚度预计在10m)，下分层煤平均厚度10m，工作面回采过程中，工作面回收率确定为78%。全部垮落法管理顶板。该工作面煤层属于易自燃煤层，自然发火期最短为20天。

该工作面布置了五条巷道，即回风巷、进风巷、高抽巷、灌浆巷和泄水巷，其中灌浆巷和泄水巷分别位于回风巷道和进风巷道的外侧20m处，且煤柱中还设有联络巷，如图1所示。胡家河矿属于高瓦斯矿井，401101工作面回采期间绝对瓦斯涌出量达35.8m3/min，另外，该矿还有冲击矿压和高温的灾害。因此，多种灾害共存的条件下，针对该工作面煤炭自燃的防治有如下难点。

图1 工作面巷道布置示意

1)采用综采放顶煤技术，冒落高度大、采空区遗留浮煤多，漏风严重，为煤炭氧化提供了充足的反应物，采空区煤炭自燃危险性增大[5]。

2)工作面布置五条巷道，破坏了煤体的整体性，再加上冲击矿压，灌浆巷与回风和泄水巷与进风巷道之间的煤柱被压酥，回风和进风巷道顶板破碎，支护难度加大，工作面及端头支架往前移动缓慢，最终导致工作面推采速度缓慢，给采空区浮煤氧化提供了时间。

3)由于冲击矿压，灌浆巷与回风和泄水巷与进风巷道之间的煤柱被压酥，工作面上下隅角及采空区与灌浆巷和泄水巷之间形成畅通的漏风通道，造成漏风严重，采空区供氧充分。

4)频繁的冲击矿压造成煤体裂隙进一步发育，煤体与氧气接触的表面积增大，吸氧量增加，从一定程度上缩短了煤的自然发火期。

5)工作面瓦斯涌出量大，为了有效的治理瓦斯，采用了3套瓦斯抽放系统，抽放方法包括采前预抽、高抽巷抽放、回风隅角埋管抽放等。其中高抽巷和回风隅角抽放均属于泄压抽放，将会对采空区形成立体抽放效果，从而会导致采空区漏风量增大。

6)由于地温的影响，造成该工作面温度较高，采空区浮煤氧化产生的热量不易散发，给煤炭氧化过程中热量的积聚创造了良好条件。

2 煤层自燃特性测试

2.1 测试装置及程序

指标气体实验系统图如图2所示，其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。

1-干空气瓶；2-减压阀；3-稳压阀；4-稳流阀；5-压力表；6-气阻；7-流量传感器；8-隔热层；9-控温箱；10-气体预热铜管；11-进气管；12-出气管；13-煤样罐；14-铂电阻温度传感器；15-风扇；16-加热器；17-控制器及显示键盘；18-数据采集系统；19-自动采样控制系统；20-气相色谱仪；21-计算机

测试时，将50g粒度为40～80目的煤样置于铜质煤样罐内，将煤样罐置于程序控温箱内，连接好进气、出气的气路和温度探头(探头置于煤样罐的几何中心)，检查气路的气密性，然后向煤样内通入50mL/min的干空气，在程序控温箱控制下对煤样进行加热，当达到指定测试温度时候，恒定温度5min后采取气样进行气体成分和浓度分析。

2.2 测试结果与分析

从胡家河井下401101工作面采取煤样，马上进行密封储存，实验室测试前前先剥去煤样表面氧化层，然后对其进行破碎并筛分出40～80目的颗粒50g作为实验煤样，测试曲线如图3、图4所示。

图3 C2H4和C2H2浓度随温度的变化趋势

图4 CO浓度随温度的变化趋势

从图3、图4可以看出，401101工作面的煤样在30℃到216℃温度范围的氧化过程中有规律的出现CO、C2H4和C2H2气体，且生成量随煤温的升高基本呈指数上升趋势；CO在30℃时即开始出现，说明工作面的煤在常温下就会产生CO，在低温氧化阶段CO的生成量较小，煤温达到60～70℃之后其生成量迅速增加，这说明该温度下煤已经开始迅速氧化，物理吸附已经越来越弱而化学吸附和化学反应则占据了主要位置，由此可以判断煤样的临界温度为60～70℃；当煤温超过90～100℃时，耗氧速度，CO的产生速率又一次产生率急剧增加，且有微量C2H4等煤分子支链裂解的气体产生，当温度超过90℃时C2H4的浓度基本成指数规律迅速增大，故推断该煤样的干裂温度为90～100℃；当温度达到190℃左右时开始有少量的C2H2气体出现，并呈现出有规律的变化。说明一旦能监测出C2H4和C2H2时，煤温已经分别达到了80℃和190℃左右了，表明煤已经发生剧烈的化学反应。因此，在生产过程中，要监测CO、C2H4和C2H2的浓度变化趋势来掌握煤炭自燃情况。如果CO的变化趋势持续增加，则说明煤已经发生氧化反应，一旦有C2H4出现说明煤温已超过80℃，C2H2的出现则说明煤温至少已经超过190℃，此时应采取积极的防灭火措施。

3 “堵、灌、隔”综合防灭火技术

3.1 工作面上下隅角封堵漏风

卡弗尼预制块是一种高分子材料(改性聚氨酯泡沫)，是由多种高分子化合物经过复配加入适量的交联剂、稳定剂和固化剂，在特定条件下反应预制成的块状泡沫体，而且体内所有的泡沫均为闭孔泡沫，达到提高强度和密闭不透气的目的。具备重量轻、施工快、密封性能好、阻燃防爆、成本低的特点。由于它是柔性材料，当顶板有压力时，会愈压密封性能愈好，这是该封堵材料重要一个性能。

401101工作面开始回采后就开始运用卡佛尼快速预制块对上、下隅角未冒落的区域进行封堵，如图5所示，大幅度降低了工人劳动强度，缩短了封堵墙的施工时间，有效地减少了上、下隅角瓦斯涌出量，抑制了上、下隅角的漏风。

图5 上下隅角采用预制块封堵未冒落区域示意

3.2 大流量灌注三相泡沫

防治煤炭自燃的三相泡沫由固态不燃物(粉煤灰或黄泥等)、气体(N2或空气)和水三相防灭火介质组成。与现有的防灭火技术及材料相比，含氮气的三相泡沫兼有一般注浆方法和惰气泡沫防灭火的优点。泥浆通过引入氮气发泡后形成三相泡沫，体积大幅快速增加，被注入后能充斥整个采空区，因为三相泡沫有很好的堆积性，所以能在火区中向高处堆积，对低、高处的浮煤都能覆盖；三相泡沫能将浆水均匀的分散，有较好的挂壁性，有效地避免浆体的流失，保护井下环境；注入在采空区的氮气被封装在泡沫之中，能较长时间滞留在采空区中，充分发挥氮气的窒息防灭火功能；三相泡沫中含有粉煤灰或黄泥等固态物质，这些固态物质是三相泡沫面膜的一部分，可较长时间保持泡沫的稳定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黄泥仍然可较均匀地覆盖在浮煤上，可持久有效地阻碍煤对氧的吸附，防止煤的氧化，从而防治煤炭自然发火[6-8]。

401101工作面三相泡沫灌注工艺流程是：首先在制浆站中，用高压水枪冲洗山上的黄土，形成适当浓度的黄泥浆，经过过滤网，靠泥浆泵将其输送到注浆管路中在，在井下适当位置加入发泡剂，经过安装在灌浆巷和泄水巷的两发泡器产生三相泡沫，随着工作面的推采，每隔50～80m在灌浆巷和泄水巷设一个钻场，钻场内往采空区施工若干153mm的钻孔，通过孔径同时往采空区灌注三相泡沫，具体流程如图6所示。

图6 401101工作面灌注三相泡沫工艺流程

3.3 注凝胶形成隔离带

凝胶是在水或者黄泥浆中添加一定比例的胶凝剂而生成的果冻状物质，它能封堵煤体裂隙，阻断氧扩散，同时凝胶中含有的大量水份，能吸收大量煤氧化产生的热量，进而降低煤体内部温度，从而达到防灭火的效果[9]。

为了防止向采空区漏风及阻止灌注到采空区的黄泥浆或者三相泡沫等防灭火材料流到支架前方。随着工作面的推采，每隔80m，从401101工作面向架后采空区灌注凝胶，使凝胶在工作面架后形成一道平行于工作面的墙体，隔离支架后部与采空区。

施工时，首先在401101工作面由煤壁侧向架后施工钻孔，每隔5架布置一个钻孔。钻孔设计方位90°，仰角20～25°，伸入采空区内15～18m，钻孔内留有Φ50mm的套管。然后在工作面前部溜子上敷设一趟Φ108mm钢管与井下灌浆管路连接，钢管上每隔30m设置一个出口，出口采用Φ100mm闸阀单独控制，且每个出口上均连接一个分流器，每个分流器均使用Φ51mm高压胶管三个钻孔相连，每个注浆孔采用Φ50mm阀门控制。

为了降低成本，401101工作面采用水玻璃与化肥制备凝胶，其中水玻璃与化肥质量比为3.75∶1，水玻璃在地面灌浆站按照一定比例被加入到灌浆管路中，化肥为胶凝剂，在井下合适的地方通过注胶机添加。施工时采用2台ZM-5/1.8G型煤矿用注胶机(技术参数见表1)添加凝胶剂，整个注凝胶工艺如图7所示。

表1 ZM-5/1.8G型煤矿用注浆机技术参数

图7 401101工作面注胶工艺

4 结语

1)分析了401101工作面多种灾害共存条件下，煤炭自燃防治的技术难点，特别是冲击矿压对煤炭自燃的影响。

2)测试了401101工作面煤样的自燃特性，为工作面煤炭自燃的预测预报提供了科学依据。

3)本文结合矿井的实际情况提出了工作面“堵、灌、隔”综合防灭火技术。首先在工作面上下隅角进行封堵防治漏风；其次，采用“两道”同时灌注三相泡沫技术有机的把黄泥灌浆和注氮结合起来，避免黄泥浆流失严重现象，将黄泥体积大幅度增加，把黄泥带至采空区高低、隐蔽处，对采空区大面积自燃危险区域进行覆盖；然后，随着工作面推采，每隔

80m在支架后部灌注凝胶墙，形成隔离带，一方面防止采空区漏风，另一方面防止俯采时灌入采空区的黄泥浆或者三相泡沫等防灭火材料从采空区流出。

4)综合防灭火技术在401101工作面的实施，保证了该工作面安全、正常的开采，表明该技术防灭火效果显著，同时也为同类工作面煤炭自燃的防治提供了新的技术手段和宝贵经验。

[1] 王省身,张国枢.矿井火灾防治[M].徐州:中石矿业大学出版社,1990：20-27.

[2] 戚颖敏.矿井防灭火(煤矿安全手册)[M].第4篇.北京:煤炭工业出版社,1991.

[3] 李学诚.中国煤矿安全大全[M].北京:煤炭工业出版社,1998.

[4] 王德明.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[5] 刘英学,邬培菊.黄泥灌浆防止采空区遗煤自燃的机理分析与应用[J].中国安全科学学报,1997,2(1),36-39.

[6] 任万兴，巫斌伟，王德明，等.高瓦斯易自燃超大俯采工作面的防灭火技术研究[J].采矿与安全工程学报，2009，26(2)：198-202.

[7] 任万兴，王德明，周福宝，等.松软巨厚煤层高冒区自然发火原因及其防治技术[J].煤炭科学技术，2007，35(5)：24-27.

[8] 王德明.矿井防灭火新技术——三相泡沫[J].煤矿安全，2004，35(7):16-18.

[9] 徐精彩，文虎，邓军，等.凝胶防灭火技术在煤层内因火灾防治中的应用[J].中国煤炭，1997(5)：28-30，59.