易燃厚煤層超長綜放麵采空區火災治理技術

1 工作麵概況
　　常村 煤礦屬易燃礦井，生產能力180萬 t/a。現正在回采的2107 ₂綜放麵是河南省首個“小煤柱護巷外錯布置的超長綜放麵”。
　　2107 ₂綜放麵位於礦井唯一主采盤區——21盤區3個條下山以東自上而下的第4個工作麵，上、下為已采完畢的21052綜采麵和21092綜放麵，東為盤區東部邊界斷層帶，西為盤區下山保護煤柱，屬孤島區段。走向長1 460 m，傾向長220 m。煤層產狀較平緩，傾角8°～17°，可采煤厚6.3～10 m。圈定範圍內地質構造較簡單，切眼外220 m範圍內有5條落差為1～2.5 m的斷層。工作麵上巷上距21502下巷5.5 m，下距21051下巷16 m。下巷下距2109 ₂上巷7 m，上距2109 ₁上巷11 m。裏段580 m基本為實體煤，外段全部處於2109 ₁,2107 ₁,2105 ₁采空區的下層。所采煤層為侏羅紀中統下部義馬組2～3煤，煤岩以亮煤為主，普氏係數ƒ=2~2.5。煤種低變質的長焰煤，揮發份含量高達42.3％，自燃傾向性極其嚴重，自然發火期15～30 d。煤層瓦斯含量整體上較小，相對瓦斯湧出量為1.35～1.76 m3/t。但受盤區東翼局部頂板砂岩體條帶自上而下縱貫全區的影響，工作麵沿走向有221 m原始煤層的瓦斯含量較大，相對瓦斯湧出量達到4.2～5.77 m3/t。煤塵具有危險性，爆炸指數48.33％。通風方式為“U”型上行負通風。
　　工作麵采用自然垮落法 管理頂板。割煤高度2.6 m±0.1 m，放煤高度3.6～7.3 m，采放比為1:(1.25~1.27)，機頭、機尾各3架不放頂煤。
　　2004年2月8日，工作麵回采273.5 m時，回風流CO濃度呈快速增大趨勢，一天時間內由0.006％增大到0.024％。120架以上支架後尾梁架縫CO達到0.06％～0.5％。130～135架的後尾梁架縫CO最大，達到0.5％，但整個工作麵及回風流沒有煙霧。上述征兆表明工作麵采空區已發火。
　　2 火點位置判定及發火原因 03manbetx
　　2.1 火點位置判定
　　準確判定火點位置，是有效，快速滅火的關鍵。火情出現後，根據CO氣體湧出特征、采空區漏風特征及近段工作麵生產狀況等對火點位置進行綜合 03manbetx 、判定。
　　1）根據工作麵120架以上支架後尾梁均湧出高濃度CO氣體，且130～135架後尾梁架縫CO氣體濃度明顯高於其兩側，結合采空區漏風軌跡、CO氣體擴散運動規律、工作麵130架以上頂煤放出情況，以及130架頂層對應於21051下巷的實際，初步判定發火點有2處：一是130架頂層的21051下巷下幫鬆動破碎的高溫煤體落入本煤層采空區後遇風自燃；二是工作麵下半部局部架後采空區遺煤自燃。
　　2）現場觀測期間，機組在43架停滯時，43～45架後尾架縫CO濃度由0.008％錳增到0.3％。並且，10架以上後尾梁架縫CO濃度均不同程度增大。當機組上行離開後，該處後尾梁架縫CO濃度突降到0.05％，且10架以上後尾梁架縫的CO濃度基本恢複原狀。根據工作麵局部存在較大風壓差時采空區的漏風軌跡和CO氣體擴散湧出特征，可進一步判定下部火點位於10架以下局部架後，且距工作麵較近。
　　3）2月4日4點班，氣割工作麵下端頭架上側後立柱頂部連接銷時，曾引燃過架頂碎煤。並且，自該班起，受工作麵下半部頂板破碎，支架工作阻力較小失穩倒斜的製約，工作麵下口幾乎未動。加之當時下隅角巷頂客觀存在高冒區，其中的碎煤出現自燃隱患時，前期往往不易被檢測到，落入采空區後，誘發自燃的可能性極大。由此可鎖定下部火點位於3架以下、且靠近支架後尾梁的架後遺煤。隨後的滅火實踐證實了該判定是準確的。
　　2.2 發火原因 03manbetx
　　造成發火的原因除煤層自身具有極易自燃的特性外，主要有：
　　1）工作麵3架以下采空區遺煤發火原因 一是未徹底處理幹淨氣割引燃架頂的碎煤，造成潛在的、最直接的發火危險源；二是下隅角巷頂高冒區出現高位自燃隱患點未及早檢測到，支護棚梁回撤後頂煤塌落，疏鬆程度增大，觸氧麵和吸氧條件由弱變強，氧化速率加快後釋放的熱量積聚；三是受工作麵下部支困倒斜扶正的影響，推進速度很快，自燃隱患點的外部條件未得到較大改變而使蓄熱環境遭到破壞。尤其是10架以下，幾乎是原地不動。上述因素綜合的結果則造成發火。
　　2）130架頂層的2105 ₁下巷遺煤發火原因 根據“O”型圈理論可知，雖然2105 ₁工作麵早已采過，但沿巷道周邊客觀存在著未壓實條帶，本分層工作麵頂煤放出後，勢必與其連通。加之2107 ₂上巷頂板存在多處高冒區，在礦井通風負壓的作用下，極易形成很難被檢測發現的、複雜的“一源多彙”漏風通道，造成向頂層采空區遺煤連續漏風供氧而積熱。隨著工作麵向前推進，熱煤體落入本分層采空區後，疏鬆程度大增，供氧充分，氧化速率加快。雖然有防火工程，但受采空區防火工程的局限性和 管理不力等因素的影響， 安全有效性較差。一旦工作麵推進速度變緩或停滯，很容易發火。
　　3 治理組織、技術對策
　　3.1 治理組織對策
　　明確工作思路，強力組織實施是決定滅火工作 安全、快速進行的關鍵。因此，根據發火點位置的 03manbetx 判定，確定以“決策合理、落實到位、確保質量、綜合防治”的思路統籌整個滅火工作。加強通防、采煤隊現場配合協調，實施齊抓共管。每班布置的作業 計劃，必須保質保量完成，從各方麵為強力推動綜合滅火進度提供可靠的組織保障。
　　3.2 治理技術對策
　　1）全方位封堵下隅角主漏風通道。對下隅角進行全方位封堵，可有效減弱向火點的漏風供氧量，遏製火患蔓延發展，為快速滅火提供條件。封堵時，按照“空間分層、長短結合、扇形散開、全麵充填”的方式，布置深、淺鑽孔各5個。深鑽孔的參數為孔深8～10 m；角度與巷頂呈30°仰角；布置方式；首個鑽孔沿走向距下巷下幫煤壁0.3 m，終孔位置依次相隔1 m等間距布置。淺鑽孔的參數為孔深4～6 m；角度與巷頂呈25°～30°仰角；布置方式基本同深鑽孔。鑽孔下管均采用Φ40 mm的鋼管，其前端1～1.5 m的管壁上間鑽有8～10個Φ18～20 mm的小孔。
　　封好孔後，先用土水比為1:(4~6)的稀漿液大流量灌注，後改注膠體泥漿進行大量充填封閉。該處共充填了130 m3。
　　2）工作麵局部均壓。工作麵實施局部“均壓”，一是可降低火點上、下端的壓差，減小其漏風共氧量；二是通過調整均壓幅度，可抑製高濃度的CO氣體湧入工作麵，為各項滅火工程的實施創造相對 安全的外部環境；三是可防止注入采空區的氮氣大量泄漏。均壓時，分別在工作麵下巷跨膠帶建一組三道風門和上巷建造一組三道調節風門後，利用安設於下巷風門以外的DBSF-6.3型大功率（2×22 kW）局部通風機向工作麵供風，對工作麵實施半開區聯合均壓。風筒出口位於裏道風門以裏30 m處。均壓程度以“工作麵回風量控製在原回風量的65％～70％、且風流中CH4濃度不超或增幅不大”為準。實施均壓後工作麵的回風量由原來的720 m ³/min降到490 m ³/min。穩定6h後，回風流CO濃度由0.042％降到0.008％～0.01％，CH ₄濃度由0.68％降到0.52％。
　　3）穩定工作麵通風係統。保持穩定的通風係統是準確分析、掌握各項防火工程的有效性、火患發展變化勢態和均壓穩定程度的基礎。因此，整個滅火期間，安排專人看管上、下巷均壓風門。並且，均壓風機實行“雙風機、雙電源及自動倒台”。保證工作麵回風量穩定在490～510 m ³/min，上巷風門內、外壓差穩定在430 Pa。
　　4）采空區注氮惰化。采空區注氮不僅可控製3架以下火點和130架處火點的蔓延發展速度，同時可有效防止采空區發生新的自燃隱患點。因火點靠外，用采空區預先未壓管，注氮先用鑽孔法。鑽孔布置於工作麵下隅角，共布置3個深度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後開始，氮氣流量1 000 m ³/h，連續進行注氮，注氮量以工作麵及其回風流中O2濃度不低於18％為準。
　　該采空區共注氮130 452 m ³。隨工作麵向前推進，注氮孔即將報廢時，利用其向采區充填膠體泥漿37 m ³再次封堵。
　　5）充填封堵頂層采空區的漏風通道。打鑽充填惰性材料，是阻斷21051下巷漏風通道的有效途徑。鑽孔布置方式；分組間隔布置，每組3～4個，孔間距2 m，組間距50 m。孔深以打透為準。孔徑Φ40 mm。封好孔後，先大量注稀泥漿對浮煤體充分濕潤，漿水沿遺煤體裂隙向兩側滲流，滲入架後發火煤體的漿水可直接滅火。隨後又改注膠體泥漿或阻化粉煤灰漿阻斷隔離，切斷漏風供氧通道，防止外部的未壓實帶發生新的自燃隱患點。
　　6）加快工作麵推進速度。強化支架糾斜扶正，恢複工作麵正常推進一定程度上不僅可使火點被壓實窒息，而且可防止采空區遺煤出現新的自燃隱患。支架扶正時，沿工作麵下部易冒落段煤牆打單體柱控頂放炮落煤，但不放頂煤。單體柱間距不超過0.5 m，循環進尺0.5 m。采一排，支架拉一排。放炮落煤範圍：易冒落區及其以上10 m。工作麵向前推進5 m後，支架全部扶正，機組開始“通刀”割煤，仍不放頂煤，繼續外推10 m後，恢複到正常的生產狀態。
　　4 結語
　　治理采空區發火時，應做到以下幾點：
　　1）應先根據CO氣體湧出的外部征兆，結合工作麵的推進度和上學收集、統計的自燃隱患資料，判定出火點位置後，有的放矢。
　　2）應明確整體滅火工作思路，加強各方麵的 管理監督，尤其是現場組織配合十分重要。
　　3）實施各項 措施時，應分清其作用程度、針對性等，有條不紊的嚴格落實，充分發揮綜合治理效果，是能夠有效、快速滅火的。