深部开采综放工作面煤层自燃防治技术 
    孟现臣 
    (安徽金黄庄矿业公司,安徽萧县235222) 
    摘　要:华丰煤矿1410综放工作面开采的四层煤为厚煤层,属易自然发火煤层,工作面上下围岩温 度33℃,工作面回风流温度28℃,环境温度高,对防火工作不利。四层煤属严重冲击地压煤层,已多次 在工作面发生冲击地压事故,造成停产封面。冲击地压对工作面防火有重大影响,必须采取合理措施, 确定合理的技术方案,治理自然发火,确保安全开采。 
    关键词:深部开采;综放工作面;煤层自燃;防治技术 
    中图分类号:TD75　文献标志码:C　文章编号: 1008-4495(2010)01-0072-03 
    华丰煤矿1410综放工作面位于井田的中东部, 上、下限标高分别为-840, -920 m,工作面走向长 2 160 m,倾斜长130 m,煤层倾角32°,煤厚6. 2 m。 1410综放工作面所属四层煤为易自然发火煤层,自 1975年开采四层煤以来,共发生过自然发火事故 39次,历次发火事故都对矿井安全生产造成了极大 威胁。2004年10月,委托西安科技大学对四层煤样 作最短发火期鉴定,采用5 t煤样,模拟现场情况在 原始25℃自然条件下,测定出最短发火期为46 d。 
    1　开采过程中存在的问题 
    随采深增加,矿井内部高温及其带来的问题也 日益突出,根据实测, 1410综放工作面回风流温度 28℃,围岩温度达到33℃,环境温度高,对防火工 作不利。由于矿内环境温度升高,直接导致了煤层 自然发火期变短,煤体温升速度加快。 
    1410综放工作面所属四层煤经鉴定有严重的 冲击倾向性,自1992年首次发生冲击地压以来,已 多次在四层煤工作面发生冲击地压事故,造成了较 大的经济损失,严重威胁着矿井的安全生产。在冲 击地压的影响下,采空区形成了隐蔽漏风通道,煤体 松散度增加,推采速度慢,极易造成煤层自然发火。 实施卸压爆破技术治理冲击地压时,会对围岩造成 破坏,致使裂隙发育,破坏煤体的完整性,形成破碎、 松散煤体,增加漏风通道,易于氧化积热。为防止冲 击地压而控制工作面推采速度时,会使采空区浮煤 氧化时间延长,延迟浮煤进入窒息区的时间,积聚热 量形成自燃。 
    冲击地压与煤层自燃同为1410综放工作面的 重大灾害,两者的治理措施相互矛盾,必须采取合理 措施,研究采深大、倾角大、冲击地压危害严重、环境 温度高、自然发火期短等不利条件下的综合防火技 术,确定合理的技术参数,治理自然发火,确保四层 煤的安全开采。 
    2　三相泡沫技术在华丰矿的应用 
    三相泡沫是由黄泥、N2和水三相介质组成,通 过研制高效三相泡沫发泡剂和发泡装置,利用矿井 已有的灌浆系统,加入气源和发泡剂,使泥浆发泡, 体积增大。三相泡沫流动性好,比一般的黄泥浆和 凝胶覆盖面更广,可快速向上部堆积,能将更多的 水、黄泥浆带入防灭火区域。 
    三相泡沫灌注工艺流程如图1所示。首先在制 浆站中,制成适当浓度的黄泥浆,经过2道注浆池, 自流输送到注浆管路中,在1410回风石门内通过发 泡剂定量添加泵将发泡剂加入到注浆管路中,浆液 与发泡剂在管道中混合均匀后进入灌浆巷的注浆管 路,经过装在管路中的发泡器,在发泡器中接入N2, N2与含有发泡剂的黄泥浆体相互作用产生出三相 泡沫。
 
    结合工艺流程和华丰矿1410综放工作面的实 际情况,制订出灌注三相泡沫的主要技术参数:
1)发泡倍数大于30倍,稳定时间大于8~12 h;
2)水土比(质量比)为(2~4)∶1;
3)耗浆量10~20 m3/h;
4) N2量300~600 m3/h;
5)三相泡沫产生量310~620 m3/h;
6)发泡剂使用的质量分数为0. 5%。 
    在1410综放工作面生产期间,主要采用了上隅 角埋管、消火道打钻、支架后面插管等工艺注三相泡 沫。在受冲击地压影响停产封闭初期,大量三相泡 沫的连续灌注确保了在封闭期间封闭区内没有出现 自燃隐患,CO体积分数稳定在1. 0×10-5以下,瓦 斯、CO2浓度较高,温度平稳无大的变化。 
    3　新型堵漏材料的应用 
    受冲击地压及钻孔卸压、爆破卸压等防冲击地 压措施的影响, 1410综放工作面开采过程中,采空 区存在隐蔽的漏风通道,煤体破碎严重、漏风量较 大,需要大量的漏风封堵材料。新型堵漏材料是以 主料为基材,添加一定的复合添加剂,通过物理机械 的发泡方式,形成泡沫状态的固态泡沫,能在采空区 大量堆积,且凝固时间可调,最后形成具有抗压能力 的轻质固态材料。 
    堵漏材料制备流程如图2所示。首先在移动式 制浆泵中,将一定比例的水与主料搅拌混合形成主 料浆体,通过压力泵输送到注浆管路中,再通过漏斗 形螺杆泵将料箱里的固化剂、发泡剂等复合添加剂 注入到注浆管路中,浆液与复合添加剂混合后进入 发泡器,在发泡器中接入空压机,空气与含有复合添 加剂的主料浆体在发泡器中相互作用,产生出主料 固化泡沫。根据不同气量、不同的强度要求,主料固 化泡沫发泡倍数在8~15倍可调。
 
    1410综放工作面上下隅角是工作面后部采空 区漏风的源头和主要汇合点,在开采过程中采取了 上下隅角每隔10 m建筑双道沙袋墙,两墙中间注入 固化泡沫堵漏材料进行封闭处理,改变了采空区漏 风深度,减小了氧化带的长度。在工作面上隅角向 采空区注固化泡沫封堵充填,利用充填专用泵,铺设 Φ50 mm管路至上隅角,埋入采空区内约10 m,前端 挑起朝向高处,泵安设在石门内,输浆距离约为 240 m。在工作面上下隅角注新型固化泡沫堵漏材料 后,可以有效地改变采空区的漏风路线和漏风深度, 减少向采空区的大量漏风,减小氧化带的长度,有效 地防止煤层的自燃。 
    松散煤体打钻注固化泡沫,同时也在架间打短 孔处理支架顶部、后部近处松散煤体。工作面停采 期间,在支架间向支架顶部、后部施工防火钻孔,每 架2个,孔深1. 5~2m,分别位于支架顶部和支架后 部2~4 m,利用钻孔注新型堵漏材料。钻孔布置见 图3。
 
    1410综放工作面受冲击地压影响封闭期间,在 工作面上下平巷建防火密闭进行封闭,留设了5路 观测束管和2路注氮管,对封闭区内进行观测和处 理。在工作面上出口外4 m建普通密闭1道,厚度 0. 37 m;距上石门以西4 m建防火密闭1道,由2道 厚度0.5m的墙组成,中间充填厚度1m,墙体材料使 用砖、沙、灰,充填材料使用固化泡沫堵漏新型材料。 下平巷在工作面下出口外6.5 m建防火密闭1道,由 2道厚度0. 5 m的墙组成,中间充填厚度1 m,墙体 材料使用砖、沙、灰,充填材料使用固化泡沫堵漏新 型材料;下平巷石门西建临时密闭1道,厚度 0. 37 m。上下防火墙周边围岩使用固化泡沫堵漏新 型材料进行堵漏充填处理。 
    4　注氮工艺优化研究 
    华丰矿将氮气防灭火技术一直作为主要的防灭 火手段,通过注氮来降低煤炭自然发火的可能性,并 由此来减小开采速度缓慢对煤炭自燃防治工作带来 的负面影响。基于对采空区注氮的数值模拟,华丰 矿改变了传统的注氮工艺,采用采空区埋管与上隅 角挡垛相结合的注氮方式,具体做法是:利用-450, -530 m制氮车间,在-450 m制氮车间内安装1套 JXZD-700型井下移动式制氮机,制氮量700 m3/h; 在-530 m制氮车间内安装1套JXZD-300型井下 移动式制氮机,制氮量300m3/h。选用Φ75 mm钢管 作为输氮管路,从制氮机经-750 m前一回风上山、 -750 m管子井车场、- 750 ~ – 920 m管子井、 -920 m西岩巷、1410运输石门、1410下平巷、1410 工作面下隅角。
    采用埋管注氮,在工作面下平巷沿 底板向采空区埋设1趟Φ50 mm钢管作为注氮管, 当埋入25 m后开始注氮;同时再埋入第2趟注氮 管,当该趟管路在埋入采空区25 m后,开始注氮,同 时停止第1趟管路注氮,并又重新埋入管路,如此交 替进行。主管路与注氮管之间用Φ25 mm钢编管连 接。将注氮管口由下平巷压埋在采空区,孔口采取 防止大块煤矸堵塞的措施,借助于漏风将注入的N2 散布在采空区内。 
    在综放工作面进风侧采空区压注固化泡沫建立 隔离带,工作面每推进60 m,在下隅角支架后方建 立厚度约为2m的沙袋墙,同时在顶部安设Φ50mm 的灌浆注胶管,底部预埋注氮管,封堵采空区内未垮 落的巷道,为采空区注胶、注氮创造条件。待工作面 推过沙袋墙10 m,工作面上端头垮落带与沙袋墙结 合充分后,通过沙袋墙顶部压入的注胶管,压注一定 量的复合胶体,而后通过注氮管向采空区注氮,由于 有挡垛的隔离带N2将大幅度减小氧化带宽度,从而 降低采空区自然发火的可能性。 封闭石门内注氮,工作面推采过石门后,在封闭 石门前,在石门预留注氮管路,开口于石门两侧平巷 10, 30, 80 m,石门封闭后,利用预留的埋管向采空区 注氮。 
    由于受到冲击地压的影响, 1410综放工作面推 采十分缓慢,为防止支架顶部及后部近处煤体氧化 自燃,在工作面上平巷向支架顶部、后部施工钻孔, 使用SGZ-IB钻机,自煤层底板起1 m高度,高位钻 孔开孔直径108 mm,终孔直径75 mm,下Ф50 mm 套管,终孔位置在工作面60—80架处,共2排,一排 在支架顶部煤体中,另一排位于支架后3~5 m顶板 以上5 m老空处。封孔后接通注水管进行连续注 水,每个钻孔连续注水3 d,然后再接通注氮管进行 注氮。 
    5　新型防灭火稠化剂在华丰矿的应用 
    引进了新型防灭火稠化剂,该稠化剂材料能满 足堵漏风的要求,同时能很好地均匀覆盖煤体。 1410综放工作面由于受到冲击地压的影响,不得不 停采封闭,在封闭期间,为了有效地防止煤层自然发 火,采取了注稠化剂,即在上下平巷施工双墙。第1 道为防火墙,由2道厚度0. 5 m的墙体组成,中间充 填密实,墙体周边压稠化剂等;第2道墙设置平巷门 口为普通密闭。 
    当工作面启封后,由于采取打钻爆破卸压的防 冲击地压措施,使工作面存在大量的隐蔽漏风通道, 因此,通常隔1个月注1次稠化剂,取得了较好的应 用效果。每次注稠化剂结束后,对采空区内气体进 行了取样化验分析,化验结果表明:采空区CO体积 分数低于5×10-6,无乙烯、乙烷等发火标志性气体, 证明采空区无自然发火征兆,注稠化剂防灭火效果 较为明显。 
    6　结语 
    华丰煤矿1410综放工作面由于受到矿井特殊 条件的影响,具有采深大、煤层倾角大、冲击地压严 重、矿内环境温度高等特点,防灭火工作极其困难。 为了确保矿井的安全开采,开展了深部开采复杂条 件下易自燃综放工作面综合防灭火技术的研究,有 效地防治了该工作面的煤层自燃,使得该工作面不 管是在封闭停采期间还是在推进速度极慢的情况下, 回风巷及支架后面的CO体积分数始终保持在2. 0× 10-5以下。