综合机械化放顶煤开采矿井的防灭火技术

【慧聪消防网】据统计，我国煤矿有50%以上的综合机械化放顶煤开采工作面存在着自燃发火危险，严重威胁着矿井的安全生产。因此，防灭火技术的研究工作也是综合机械化放顶煤开采工作面安全生产的关键之一。近几年来，山东兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿针对以前在矿井防灭火方面存在的问题进行了认真分析和归纳，并且与有关单位共同开展了科技攻关，积极应用当前已有的矿井防灭火适用新技术，提出解决方案并进行了实施，有效地保障了矿井的安全，取得了良好的效果。

1红外探测技术在煤层自燃发火早期预报的应用

兖州矿业（集团）公司救护大队和山东科技大学将红外探测技术应用于煤层自燃发火早期预报中，为确定井下高温火点的位置、及时采取防灭火措施、消除火灾隐患及保证矿井安全生产提供了有效的技术手段。

自从采用综合机械化放顶煤开采技术以来，兖州矿区已经发生煤层自燃发火或者隐患26次，其中巷道顶煤及相邻采矿区松散煤体发火或者隐患20次，占发火总次数的77%。因此，煤巷煤炭的自燃成为兖州矿区煤炭自燃的重点防患区域。虽然他们在防治煤巷煤炭自燃方面投入了大量人力、物力，但是由于隐蔽高温点难于准确定位和自燃温度难于确定，给矿区煤炭自燃的预防带来了许多不利的影响，因此寻求煤巷隐蔽高温点的早期预测预报技术是矿区安全生产中亟待解决的重大课题。将红外探测技术应用于煤层自燃发火的早期预报，较好地解决了这一技术难题。红外探测法的实质是自然界的任何物体只要处于绝对零度之上就会产生分子振动和晶格振动，都会自行向外发射红外电磁波，并形成红外辐射场。

近年来，通过在济宁二号煤矿4301轨道顺槽和南屯煤矿1300综合机械化放顶煤开采工作面运输顺槽的实际应用，表明利用红外测温仪基本能够测出高温区区域位置；从测试数据来看，无论哪个矿井其上帮红外电磁场强度一般高于下帮。从理论和实际情况来看，这一探测方法是可行的。红外探测法通过能量场综合判断煤炭的自燃区域，具有简单、迅速、精确的特点，其操作方法较为简便、容易为现场职工所掌握。当然，现场应用也发现一些问题，要进一步提高对煤层自燃发火早期预报的精度必须对红外探测的有关基础数据进行观测和测定，如煤体的辐射系数及其影响因素、煤体的导热系数和比热、煤体的原始温度等，得出易氧化区段和高温区段红外电磁场强度的变化规律。

2易燃中厚煤层孤岛综合机械化放顶煤开采工作面综合防灭火技术

兖州矿业（集团）公司东滩煤矿通过对4303孤岛综合机械化开采放顶煤工作面“两巷”、相邻采空区及自身采空区采取了综合防灭火的措施，从准备生产、开始生产至安全撤出设备历时两年，同时该矿综采工区在该面创出了年单产501万吨的全国第一好成绩，为兖州矿区及其它易燃中厚煤层孤岛综采放顶煤工作面的安全回采积累了经验。

4303综合机械化开采放顶煤工作面为走向长壁工作面，面长200m，通风方式为U型。该工作面是东滩矿首次开采的“孤岛”工作面，在开采的过程中和开采以后，西翼5个采煤工作面的采空区连接在一起，造成了矿井西翼复杂的采场漏风，防灭火局面极为不利。

东滩矿的经验表明，10次自燃发火有8次发生在巷道，特别是“两巷”，这就要求在巷道掘进时采取综合防灭火措施。4303工作面上、下顺槽开掘时候的综合防灭火技术措施如下：设置注水管路、巷道喷涂防漏、红外线测温仪探测巷道两帮、顶板温度变化、巷道过断层与冒顶处理、测温探头测温、凝胶快速防漏。

为了保证4303综合机械化开采放顶煤工作面在回采期间及相邻的区段不出现自燃发火事故，他们在采取合理开拓布置、开采程序及巷道布置的同时，还积极有效地采取了采面采空区埋管压注黄泥浆、喷洒雾化阻化剂、开采期间的均压、采空区温度探测、均压通风及气体检测预测预报、向邻近采空区的遗煤带及高温点打钻注浆等防灭火技术措施。其中，由于4303综采放顶煤工作面的轨道顺槽东邻4302综采放顶煤工作面的采空区，仅仅间隔3m煤壁，而且在轨道顺槽一侧的采空区有1条完整的遗煤带，宽度为5~6m，在超前压力的影响下，采空区一侧的煤壁被压酥从而引起漏风造成了局部高温火点，他们采用在轨道顺槽打钻，通过测温探头确定了高温区域，然后在轨道顺槽及43运输集中巷打钻注水、注浆，很快就将火点消灭了。

3复杂构造易燃煤层无煤柱综合机械化放顶煤开采工作面自燃发火防治

兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿开展了复杂构造易燃煤层无煤柱综合机械化放顶煤开采工作面自燃发火防治的研究，总结了复杂构造易燃煤层自燃的影响因素，分析了无煤柱综合机械化放顶煤开采工作面的防灭火难点和自燃发火的原因，并且找到了防治的对策。

济二煤矿自从开采综合机械化放顶煤工作面以来，自燃发火1次，为巷道顶煤自燃；发生自燃发火隐患3次，分别出现在停采线、沿空采空区松散煤体和工作面开切眼采空区。此项研究总结煤层自燃发火影响因素有：大巷布置在煤层中；煤层厚度变化大；褶曲多，煤层倾角变化大；断层多，裂隙发育；无煤柱开采。综放工作面的防灭火技术难点在于：煤层自燃发火期缩短，由3～6个月缩短到33天；综放开采丢煤相对集中，特别是工作面采空区周边丢煤量增大；新实行的顺槽及切眼锚网梁加锚索支护，在支护强度加大的同时也为向采区及切眼长时间通风供氧创造了条件；无煤柱开采时，大面积的采空区连成一片，漏风关系复杂且不可避免；综合机械化放顶煤开采工作面两巷沿煤层底板掘进，地质条件变化时，巷道顶煤易破碎、冒顶，极易自燃；生产高效快速，对矿井防灭火工作的安全可靠性提出更高要求。

在对综合机械化放顶煤开采工作面发火原因（包括相邻采空区端头的煤体容易自燃、巷道的顶煤容易自燃、开切眼的遗煤自燃、停采线的遗煤自燃）分析的基础上，他们提出了综合机械化放顶煤开采工作面自燃发火的综合防治技术，诸如喷浆堵漏技术、密集浅孔注凝胶技术、膜分离制氮装置注氮防灭火技术（临面采空区防火、后部采空区防火）、胶体泥浆快速灭火技术、快速堵漏（密闭）泡沫技术、煤巷近距离红外探测火源技术等防治措施，为无煤柱开采综放面的安全生产提供了保障。

4超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃火灾防治

西安科技大学和兖州矿业（集团）有限责任公司在确定超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃危险区域的基础上，提出了有针对性的高效综合防灭火技术体系，建立了超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃火灾快速应急防灭火系统，成功地对兴隆庄煤矿4324超长综合机械化放顶煤开采工作面煤层自燃火灾进行治理，为超长综合机械化放顶煤开采工作面的安全生产提供了重要的技术保障。

此项研究指出：根据煤层自然发火的特点，当空间小且火势较小时，利用以高分子复合胶体、轻型压注机和快速打钻机具为主的快速防灭火系统，可以迅速控制及扑灭局部小范围火灾；当空间范围大且火势猛时（如采空区浮煤发生自燃火灾），建立以惰泡压注装置、注氮系统和快速打钻机具为主的快速应急防灭火系统，迅速控制火灾的发展，为确定火源位置以及采用综合治理技术彻底扑灭火灾赢得时间。快速灭火系统的关键是快速有效地向火区施工灭火钻孔。尤其是超长综合机械化放顶煤开采工作面采空区浮煤自然发火后，高温区域广、埋藏深，分布在工作面“两道”，施工钻孔难度很大，应用一次成孔钻具可以解决向采空区松散煤体施工钻孔的技术难题。通常在现场有水、电时，设备和材料到达指定地点10min内就能投入灭火工作。

火区治理以胶体防灭火技术直接灭火为核心，以压注惰泡及注氮惰化控制火区为关键，以及采取诸如均压、堵漏等防灭火方法相结合的综合治理，分控制火势、直接灭火及封闭灭火三个阶段。控制火势主要采取控制漏风、注胶灭火与注氮惰化控制采空区相结合的灭火措施；直接灭火主要通过快速向火区打钻，向火区压注胶体泥浆封堵灭火，如果火势有所发展，则必须对工作面进行封闭；封闭灭火主要采用均压降低工作面上下头两侧风压差减少漏风，注氮与注惰泡相结合惰化并控制火区，压注胶体泥浆充填采空区的直接灭火区等综合治理措施。

5短壁轻型综合机械化放顶煤开采工作面的综合防火

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿通过对防灭火的综合研究与应用，确定了工作面的最佳通风和防灭火技术方案，保证了短壁轻型综合机械化放顶煤开采工作面的安全回采。

由于短壁轻型综合机械化放顶煤开采工作面采空区内的氧化带宽度大，加之该煤层自燃发火期较短，所以预防自燃发火工作的难度很大。

他们根据现场的观测研究结果，对不同区域有针对性地采取防火措施。工作面“两道两线”的防火以泥浆为主要原料，并添加少量的化学药剂形成不易脱水的胶体材料，既能阻止残煤氧化又能充填堵漏。利用现有注浆站，在地面注浆站的泥浆池中加入一种辅助材料，然后利用井下辅助材料供给系统（距工作面100m）加入另一种辅助材料，形成胶体泥浆防火系统。辅助材料选择成胶效果好、成本较低的水玻璃和铝酸钠，使用浓度分别为5%和2%，成胶时间2～3min。正常开采期间的采空区防火，采用提高工作面推进速度和合理的通风量来实现。如果推进速度低，则实施汽雾阻化、在进风隅角堆放沙袋堵漏等措施。阻化剂以工作面漏风风流为载体，随风流漂移到采空区中，附着在残煤表面，阻止煤的氧化，达到抑制或延迟煤炭自燃的目的。根据现场条件在进风顺槽设立移动式雾化泵站，随着回采工作面的推进不断移动。雾化器布置在工作面进风侧隅角，沿途布置Φ25高压胶管。通过对阻化率测定，采用氯化镁做阻化剂，浓度15%～20%，残煤用液量为30～50kg/t。由于该工作面长度短，顶板不易冒落，必然增加向采空区的漏风量，故选用炉渣作为堵漏风材料，在工作面后的轨道顺槽和胶带顺槽内每隔60m用炉渣袋设立隔离墙，有利于采空区的防火。

6综合机械化放顶煤开采工作面撤面期间的防火措施

兖州矿业（集团）公司杨村煤矿307综合机械化开采放顶煤工作面可采范围内的地质构造非常复杂，煤层自然发火期3～6个月，为易自燃发火煤层，煤尘本身具有爆炸性。由于该面停采线中间有落差3.5m的断层，严重地影响了液压支架回撤的速度和防灭火安全。为此，他们采取了一系列措施，有效地防治了撤面期间的采空区自然发火，保证了307综放工作面设备的顺利撤除。

首先是在工作面距停采线100m的时候提前做好预防性措施，在进风顺槽安设阻化多用泵以实施汽雾阻化，在采煤面的后部采空区埋设束管对有害气体实施连续监测，有效地阻止了采空区浮煤的氧化；由于工作面的风量大使得采空区的漏风量增加和氧化带的范围变宽，因此在保证有害气体和温度不超限、风速符合《煤矿安全规程》的前提下尽可能及时降低工作面的风量；停采以后，在上下隅角的液压支架尾梁处分别砌筑370mm的密闭墙，墙体的上部预留注浆管路，通过注浆钢管向下隅角灌注胶体泥浆，有效地堵塞了采空区的漏风通道；根据断层处顶板破碎、漏风严重的特点，对断层及其前后10m范围内进行喷涂，共喷涂原料600kg，有效地封闭了断层及其周围的漏风通道；随撤架随对液压支架处及停采线其余空间均匀地撒洒阻化剂，一般撒洒量为2.5kg/，起到了比较好的预防作用；为了防止浮煤氧化，停采以后尽可能清理底板及架内的浮煤，技术部门认真地绘制停采线剖面，以便封闭以后合理地安排注浆；在两顺槽高的一侧沿着停采线的煤壁敷设注浆管路至另一侧，中间每隔10m设一个三通，及时浇注阻化泥浆，撤面结束以后尽快于停采线5～10m处砌筑永久密闭墙，可以比较好地封闭停采线；沿着307联络巷垂直于停采线每隔20m打一个直径为40mm的钻孔，钻孔的最前端为1m的花管，保证了注浆扩散的范围。

7综合机械化放顶煤开采工作面及相邻采空区煤炭自燃防治

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿实行以防为主和综合治理的防灭火措施，连续多年杜绝了综合机械化放顶煤开采工作面及相邻采空区煤炭自燃发火现象。

①为了防治自燃发火，首先采取一些超前预防措施，比如向有发火的隐患点打钻孔，进行注水、注浆、MEA、罗可休、粉煤灰和喷洒阻化剂等。

②综合机械化放顶煤开采工作面生产时两端头液压支架难以放落顶煤而在相邻采空区造成一定厚度的丢煤带，钻孔沿用巷道靠采空区侧上、下布置，每组打2个钻孔，每组相邻钻孔间隔5～10m。钻孔深度和角度应能使浆液将丢煤带全部覆盖，以此隔断供氧通道，防止煤炭继续氧化。

③如果在生产的工作面上有氧化聚热的煤体，则要采取打钻孔下套管的措施。套管为1″钢管，长度1.5～2m。套管头部有便于插入钻孔的钢锥。前部钻杆设有若干0.2～0.3mm小孔。钻孔用快速水泥加棉纱封堵，防止注防火材料时泄出。钻杆尾部焊有高压快速接头与注浆系统连接，利用高压泵压注防火材料和降温堵漏，阻止煤炭连续供氧过程，达到防火的目的。

④为防止生产中的工作面发火，采用随采随注的方法。在综合机械化放顶煤开采工作面上、下隅角每隔30m打隔离沙袋垛墙，铺设一路3″注浆管。根据工作面推进速度随时注浆、粉煤灰或其它防火材料，有效解决工作面后方采空区的自燃发火隐患。

⑤该矿采用综合机械化放顶煤开采技术，采空区在生产开始阶段留下很多浮煤，氧化聚热比较快。如果推进速度慢，采空区后部空间较大并有足够时间，给防灭火工作带来很大隐患，所以要进行喷洒阻化剂。喷洒阻化剂主要在自燃煤层回采的开始及停采线50m范围内实施。阻化剂必须严格按照设计配制，要均匀喷洒。喷洒量根据遗煤的温度和丢失的煤量而定，对新工作面顺利开采起到了防灭火的好效果。

8易燃厚煤层机械化放顶煤开采工作面采空区自燃发火治理

兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿针对综合机械化开采、综合机械化放顶煤开采工作面走向起伏变化较大或负坡开采的工作面在预防性灌浆不能充分发挥作用时，采用工作面进回风隅角合理分段砌筑防火隔离墙以及采空区埋管注氮惰化等综合措施，简便易行、适应性强、效果明显。

4303综合机械化放顶煤开采工作面采空区产生高温点后，他们采用了“隅角堵漏、注氮惰化、均压控制、加强监测、稳定系统、快速撤面、及时封闭”的治理方案，一氧化碳浓度从589ppm下降至22ppm，乙烷浓度从34ppm逐渐消失；进风隅角一氧化碳浓度从234ppm降为零，乙烷浓度从18ppm逐渐消失；回风隅角一氧化碳浓度从118ppm降为14ppm，乙烷浓度从8ppm逐渐消失。根据以上结果可以看出；高温火点得到了有效的控制，取得了显著的效果。5304综合机械化开采工作面采空区产生高温火点后立即采取工作面减压降压措施，在回风巷建调节风窗限风，将工作面风量由860/min降为300/min左右。并且，在第二切眼东头建立风障一道，在第二切眼以南的工作面回风侧设置全断面栅栏、悬挂标志禁止人员入内。减风后回风流一氧化碳降低为600左右。为了加快消除高温点和确保跳面工作顺利进行采取在进风隅角喷涂艾格劳尼进行封堵，并埋管注氮惰化采空区。在采空区高温点热风压作用下，于进风隅角处发现一氧化碳。为了创造良好的撤架环境，防止一氧化碳进入工作面，采取在进风隅角封闭处挖一个洞，安设28kW风机一台，连接Φ600mm风筒300m。风筒出风口接到第二切眼以东回风流中，将进风隅角处一氧化碳抽排到工作面回风流中。通过采取上述措施后，有效地控制了一氧化碳的涌出，确保了跳面工作的顺利进行。新的工作面安装完毕后，在第二切眼后部尾巷分别建立密闭墙各一道，对第二切眼后部采空区进行永久性封闭，直至该工作面安全开采完毕。

9综合机械化放顶煤开采顺槽自燃发火综合防治

无煤柱综放开采是提高煤炭回采率的主要措施之一。由于这种采煤工艺的顺槽沿空侧松散煤体空隙比较大，采用表面聚胺酯喷涂和采空区均压已经不能够解决问题。为此，山东科技大学和兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿研究出了一种新型的行之有效的无煤柱综合机械化放顶煤开采顺槽沿空侧松散煤体及临面采空区遗煤自然发火的综合防治技术——复合胶体泥浆固水降温快速灭火技术和井下移动式膜分离制氮注氮技术。

复合胶体泥浆是利用水玻璃作基料。以碳酸氢钠、碳酸钠等作促凝剂，以黄泥浆作充填剂而构成的一种新型灭火材料。其作用原理是：水玻璃与促凝剂结合以后形成硅胶，但是硅胶的内部充满了黄泥浆和水，硅胶起到了骨架的作用，黄土起着稠化充填的作用——增加胶体的强度、耐湿性能和有效期，同时把易于流动的水固封在硅胶的内部，从而形成了复合胶体泥浆。

复合胶体泥浆的热稳定性比纯硅胶体更好，在高温火炭中不熔化，失水速度很慢，并且能够大量地吸收周围松散煤体的氧化热量，降低煤体的温度。此外，复合胶体泥浆的耐压稳定性也随着含土量的增加而提高。它不仅能够固水吸热降温，而且能够充填碎煤的间隙，使得煤氧隔离而窒息。即使高温蒸烤最终使其失去全部水分，仍然有25%左右的黄土和二氧化硅留在缝隙中起到防火的作用。所以，复合胶体泥浆尤其适用于高位火区和大面积火区的防火。同时，他们还采用了井下移动式膜分离制氮装置，采取间隔方式从沿空顺槽向邻面采空区大量注入氮气。效果检测表明：在沿空顺槽侧形成了一条宽45m的较稳定惰化带；惰化带钻孔取气样分析，结果氧气浓度下降到10%以下；从自燃征兆点钻孔取气样分析，CO气体消失。专家们认为：此项成果值得借鉴和大力推广。

10无煤柱综合机械化放顶煤开采条件下煤层自燃发火防治

随着无煤柱综合机械化开采技术的推广，煤层自燃发火呈现出与分层综合机械化不同的特点。兖州矿区从实际出发，针对综合机械化放顶煤开采易发火区域的发火原因及技术难点，开发应用了多种防灭火新材料、新技术，形成了综合机械化放顶煤开采条件下的一整套防灭火技术。

无煤柱综合机械化放顶煤开采条件下沿空顺槽松散煤体自燃的综合防治的关键技术如下：

①聚胺酯喷涂堵漏技术。该材料是由黑白两种原料经混合发泡后形成的一种泡沫状物质解决了传统的水泥砂浆堵漏所固有的易压裂、施工工艺与综掘施工相互干扰等缺点，特别适合于综掘沿空掘进巷道。

②密集浅孔注凝胶技术。凝胶是由主剂和促凝剂经混合反应而形成的，解决了黄泥浆等传统防灭火材料解决不了的巷道顶煤自燃等难题。其混合液在凝固前粘度近似于水，可渗透到煤和岩石裂隙中；成胶后粘度则是水的1500倍，能有效地防止漏风。

③井下移动式膜分离制氮装置注氮技术。兖州矿区由于综放工作棉推进速度快，其后部采空区自然发火的可能性小，放火重点是邻近采空区，因此以注入氮气为主，以均压、沿空堵漏措施为辅，综合防治综放面邻近采空区遗煤发火。

④开发应用注惰化阻化剂技术。惰化阻化剂兼有阻化和惰化两种功能。当煤温上升到50℃以上时，注入煤体的溶液开始吸热汽化，产生的惰性气体充塞煤体裂隙，阻碍煤自燃过程的发展。

⑤开发应用胶体泥浆快速灭火技术。胶体泥浆是在凝胶基础上开发的，利用基料、促凝剂的凝胶作用，以黄泥浆作充填剂，增加胶体强度、耐温性能和有效期限。在黄泥灌浆系统的基础上建立的大流量连续注胶工艺，对扑灭大面积火区具有明显的优势。

11煤巷锚网支护的矿井自燃发火原因及防治

兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿目前开采的3层煤为近水平特厚煤层，煤层平均厚度8.65m，有自燃发火倾向性。自燃发火期为65天，发火等级为一级，煤层有爆炸危险性，煤的挥发份指数为39.8%。1992年开始使用综合机械化开采放顶煤工艺，煤巷掘进采用锚网支护，自燃发火的规律有所改变。最近，他们对矿井自燃发火的原因进行了分析，提出了针对性的措施，为今后矿井自燃发火防治工作提供了经验。

他们对综合机械化放顶煤开采工作面防治自燃发火的认识如下：

①联络巷、溜煤眼等直接与邻近采空区相通的地点打砂袋垛，紧贴砂袋垛封闭堵漏；附近巷道喷水泥沙浆堵漏；对可能产生漏风通道的区域施工钻孔，压注凝胶、胶体泥浆堵漏，均能产生比较理想的效果。

②对开切眼和停采线因施工绞车窝形成的通道，采取砂袋充填、砂袋外喷水泥的堵漏措施，并对附近的巷道喷浆堵漏、施工钻孔、压注凝胶胶体泥浆，也可以撤面后在下头面口以外建闭墙，闭墙以里大量压注胶体泥浆。

③煤巷中顶板破碎地点加强防灭火观测，如果发现CO浓度持续上升，可以采取喷浆堵漏，并施工钻孔和压注凝胶。

④煤巷铺网支护要结合实际、注重质量，首先从顶板稳定性优化支护参数，保证煤巷顶板的完整性。

⑤对煤巷中的高冒区，采取喷浆堵漏，并施工钻孔和压注凝胶。

⑥对出现明火及高温点区域，首先采取施工钻孔、压注黄泥浆与高压水的方法，降温后再压注凝胶封堵漏风通道。

⑦认真加强特殊地段的采煤管理，确保采煤速度，一般来说日推进速度不得少于1m，尽最大限度减少丢煤量。

⑧工作面停采以后及时撤面，并对高温点采取向支架后部施工钻孔和压注凝胶、胶体泥浆的措施。