易自燃煤層火災(zāi)原因分析與綜合防治技術(shù)實踐

摘 要：通過對義馬煤田易自燃煤層發(fā)火機理及原因的分析，探索和開發(fā)研究煤層火災(zāi)防治技術(shù)，形成一套易自燃煤層綜合防治體系，為保障礦井安全、實現(xiàn)高產(chǎn)高效提供可靠保證。
關(guān)鍵詞：易自燃煤層；發(fā)火原因；防治技術(shù)
1 煤層基本概況
義馬煤田的開采煤層為中生界侏羅系下侏羅統(tǒng)煤層，煤層地質(zhì)構(gòu)造比較簡單，賦存條件較好，煤層傾角6°～14°，煤層較厚。煤種為長焰煤，不粘結(jié)，中等硬度，極易風(fēng)化成粉末。下侏羅統(tǒng)含煤共5層，各煤層均有自然發(fā)火傾向，發(fā)火期1個月，最短只有8 d，煤層自然發(fā)火問題比較嚴(yán)重。煤層瓦斯涌出量較小，煤塵具有爆炸危險，爆炸指數(shù)為44．7％～51．8％。
2 煤炭自燃機理和條件
根據(jù)我國煤炭自燃傾向性分類，義馬煤田的煤層屬容易自燃煤層(工類)。自然發(fā)火的決定因素是發(fā)火地點存在低溫氧化的浮煤、碎煤，同時向它供有足夠的氧氣以及煤炭氧化時有蓄熱準(zhǔn)備條件。自然發(fā)火的實質(zhì)是煤炭自身與空氣中的氧氣接觸，產(chǎn)生氧化反應(yīng)所致。氧化是煤炭自燃的主要原因。煤炭在井下大氣的常溫和常壓條件下，遇空氣中的氧氣，便產(chǎn)生表面吸附作用，使煤炭進(jìn)入低溫氧化階段，此階段中發(fā)熱量很少，能出現(xiàn)一些不穩(wěn)定氧化物的最后產(chǎn)物——C02、CO、水蒸汽；如果熱量不及時擴散，逐漸積蓄，大于煤體向周圍介質(zhì)散失的熱量，煤炭溫度繼續(xù)上升，稱為自熱，待煤炭溫度上升到某一極限值(一般為70—80℃)時，煤體溫度上升急劇加速，達(dá)到臨界著火點時，便發(fā)生煤炭的自然發(fā)火。
3 煤炭自然發(fā)火的規(guī)律及其成因分析
針對義馬煤田的生產(chǎn)技術(shù)因素，我們通過對煤層自然發(fā)火幾率分析可以看出，發(fā)火的原因是多方面的：巷道布置不合理、煤柱受壓破碎、浮煤護頂較多、地質(zhì)因素、漏風(fēng)、冒頂及通風(fēng)設(shè)施管理不善、生產(chǎn)管理不善等。煤炭自然發(fā)火的規(guī)律及其成因分析如下。
3．1 兩道兩線處煤炭易自燃(指采煤工作面上、下巷，開采線，停采線)
(1)上、下進(jìn)回風(fēng)巷煤炭易發(fā)火。①巷道變坡處煤炭易發(fā)火。由于地質(zhì)因素，巷道掘進(jìn)期間，巷道變坡處易發(fā)生冒頂，或者棚梁上浮煤堆積，風(fēng)流經(jīng)過變坡點處形成漏風(fēng)供氧，使棚梁上的松散煤體升溫，熱量積聚而導(dǎo)致發(fā)火。②與相鄰巷道交叉處煤炭易發(fā)火。由于工程設(shè)計原因，工作面上、下巷道與相鄰巷道垂直上、下交叉，交叉巷道布置在一層煤中，交叉間距小，致使2條巷道間產(chǎn)生漏風(fēng)，引起煤炭自燃。③護巷煤柱易發(fā)火。留設(shè)煤柱保護區(qū)段巷道時，在采動壓力的作用下，煤柱被壓裂、破碎、坍塌，再加上工作面端頭回柱后，冒落不徹底，留下漏風(fēng)通道，容易引起煤炭自燃。④分層巷道假頂內(nèi)煤炭易發(fā)火。分層巷道采用內(nèi)錯式或重疊式布置時，除第一分層外，各分層都是在假頂下掘進(jìn)。因而在第二分層及其以下的分層巷道掘進(jìn)和采煤期間，都會向上一分層采空區(qū)漏風(fēng)，使上分層采空區(qū)中的遺煤自燃。⑤綜放工作面上、下巷頂煤易發(fā)火。由于綜放工作面開掘巷道，沿煤層底板掘進(jìn)，造成巷道頂煤開裂冒落，形成巷道為主通風(fēng)系統(tǒng)，冒落處為弱通風(fēng)系統(tǒng)。
　 (2)停采線處易發(fā)火。在開采下部分層時，上部分層的停采線遺煤容易自然發(fā)火。同時在工作面開采過程中，還可能引起本分層或上部分層的相鄰采空區(qū)停采線浮煤自燃。停采線是壓差最大的漏風(fēng)通道，若兩端都由密閉墻封閉不嚴(yán)，停采線處煤炭易于自然發(fā)火，特別是在厚煤層分層開采時，表現(xiàn)更為突出。
　 (3)開采線(切眼)處易發(fā)火。①分層開采切眼處。開切眼積存浮煤的情況與停采線大致相同。因此，如果相鄰的工作面進(jìn)、回風(fēng)巷向采空區(qū)的開切眼漏風(fēng)，則該處易發(fā)生煤炭自燃。②綜放開采開切眼處。由于綜放開切眼托頂煤較厚且開切眼寬度大，支護不當(dāng)或安裝支架抽棚梁時，易造成冒頂現(xiàn)象，加之綜放支架重，安裝速度慢，時間長，往往造成支架剛安裝完畢，就發(fā)生煤炭自燃發(fā)火。
3，2 采煤面采空區(qū)遺煤，上下隅角處易發(fā)火
　 (1)由于地質(zhì)條件變化或設(shè)備等原因，造成工作面推進(jìn)速度慢，當(dāng)工作面推進(jìn)度低于采空區(qū)遺煤氧化升溫帶寬度時，氧化升溫帶內(nèi)煤炭氧化蓄熱，煤體存留時間可能超過自然發(fā)火期而出現(xiàn)自燃。
(2)采煤工作面上下隅角在回柱時，上巷上幫、下巷下幫塌落不實，易形成三角區(qū)漏風(fēng)通道；上下隅角處于漏風(fēng)源點、匯點；上下隅角易堆浮煤；綜放工作面上下端頭放煤不徹底，丟下大量遺煤，為煤炭自然發(fā)火提供了物質(zhì)條件。
3．3 巷道冒頂處、斷層附近煤炭易發(fā)火
巷道冒頂處，正常風(fēng)流沖刷不到冒頂深部，煤炭氧化熱量易于積存，易自然發(fā)火；斷層附近易于造成冒頂，加之處理不及時，巷道支護“軟關(guān)門”，易發(fā)生自然發(fā)火。
4 易自燃煤層火災(zāi)綜合防治技術(shù)
4．1 預(yù)防性灌漿預(yù)防煤層自燃技術(shù)
灌漿防滅火是義馬礦區(qū)最基本的防治措施，主要有采后密閉灌漿、隨采隨灌、巷頂插管注漿等形式。當(dāng)工作面回采結(jié)束后，在工作面膠帶巷、運輸巷口修建永久密閉，利用密閉前鋪設(shè)到停采線的灌漿管實施封閉注漿，間歇充填，灌漿量以黃泥接實巷頂為準(zhǔn)。
對于分層開采并有下分層的采煤工作面，必須對采空區(qū)隨采隨灌黃泥漿，每天至少一班向采空區(qū)灌漿，以濕潤包裹采空區(qū)遺煤，防止遺煤氧化積熱，灌漿實行少量多次的方法，每次注漿量以工作面出漿水為止。
對于工作面上下巷道頂部留有煤皮或冒頂空洞的地方，多采取巷頂插管注漿措施。對冒頂空洞，采用人工直接下人注漿管；無冒頂?shù)囟尾捎勉@機打鉆孔下入注漿鋼管，注漿管一般采用40mm的無縫鋼管(前端為多孔花管)，下管長度一般不低于3m，鉆孔角度45°，孔間距4m.
4．2 低風(fēng)量穩(wěn)定風(fēng)流供風(fēng)防治技術(shù)
對于正?；夭善陂g，合理控制工作面風(fēng)量，采取低風(fēng)量供風(fēng)。采用“U”型通風(fēng)的工作面，降低供風(fēng)量是壓縮采空區(qū)氧化帶寬度，防止采空區(qū)遺煤自燃的手段之一。根據(jù)工作面瓦斯絕對涌出量，在滿足人員呼吸、有害氣體濃度、溫度不超限的情況下，采用低風(fēng)量供風(fēng)；同時加強工作面通風(fēng)設(shè)施管理，保證風(fēng)流、風(fēng)量穩(wěn)定，避免風(fēng)量忽大忽小，使采空區(qū)遺煤連續(xù)氧化，蓄熱升溫，而引起煤炭自燃。
4．3 壓注化學(xué)凝膠及膠體泥漿防治技術(shù)
義馬礦區(qū)引進(jìn)并推廣了化學(xué)凝膠防滅火技術(shù)。它是目前礦區(qū)處理高溫點、封閉堵漏的主要手段。制取化學(xué)凝膠的原料是水玻璃和碳酸氫銨(促凝劑)。水玻璃含量3％～9％，碳酸氫氨含量2％～4％，通過2臺注膠泵用三通與鉆孔注管聯(lián)通壓注。成膠時間與促凝劑的含量成正比關(guān)系。
在需要大量快速充填空洞時，往往采用膠體泥漿(阻化泥漿)，膠體泥漿的制取主要是利用地面灌漿站向井下輸送水玻璃，井下加入促凝劑。
4．4 壓注增稠泥漿和聚氨酯噴涂防治技術(shù)
(1)壓注增稠泥漿，降低采空區(qū)遺煤溫度，杜絕注漿脫水影響支架拆除現(xiàn)象的發(fā)生。距停采線40～50m，在上拐頭逐步壓人長度分別為40 m、30m、20m的注漿鋼管，停采后注入增稠泥漿(增稠劑在地面注漿站，以注漿水的0．3％比例加入)，以降低采空區(qū)遺煤溫度。增稠劑為白色粉末狀高吸水材料，吸水倍率100—180倍，能有效地將漿水固定在采空區(qū)范圍內(nèi)，杜絕注漿脫水影響工作面支架拆除現(xiàn)象的發(fā)生。
(2)聚氨酯隔風(fēng)噴涂技術(shù)在義馬礦區(qū)主要用于工作面拆除支架期間，噴涂工作面架頂及架后，封閉架頂碎煤及架后采空區(qū)遺煤的供氧通道。聚氨酯噴涂所用原料，以異氰酸酯為一組份(黑料)，其他如多元醇聚醚、催化劑、阻燃劑、發(fā)泡劑等合在一起為一組份(白料)。使用時，將黑白兩料等，攪拌均勻，可在幾分鐘內(nèi)制得聚氨酯泡沫制品。因聚氨酯涂料發(fā)泡倍數(shù)高達(dá)20—25倍，并且有很強的粘著力，其以液體狀態(tài)噴射粘附在架縫表面，在膨脹發(fā)泡過程中，靠膨脹力擠壓進(jìn)入所有漏風(fēng)的空隙，堵漏效果良好。
4．5 采空區(qū)壓詿與汽霧噴灑阻化劑防治技術(shù)
阻化劑采空區(qū)防滅火在義馬礦區(qū)的應(yīng)用分為2種方式：一是利用地面水源連通自制的ZHI—Ⅲ型阻化劑加入裝置，通過注液槍(前端為花眼鋼管)向采空區(qū)壓注阻化劑，阻化液含量一般為10％～20％，此種方式不需電源，阻化液濃度易控制；另一種是將阻化劑和水按比例(10％一15％)配成溶液，通過高壓泵、汽霧發(fā)生器(噴嘴)將其霧化，在工作面下拐頭以漏風(fēng)為載體，將汽霧阻化劑帶入采空區(qū)煤體表面，延緩煤的氧化過程，常用的阻化劑有CaCl2、MgCl2等。
4. 6 充填復(fù)合凝土防治技術(shù)
對冒頂區(qū)長、冒頂高、范圍大的地帶，充填復(fù)合凝土。復(fù)合凝土成分組成：固化劑15％、水50％、黃土35％，固化凝結(jié)時間3～8 min。充填工藝為：將復(fù)合凝土原料(地面有加工廠、袋裝)加入充填機中，調(diào)節(jié)好進(jìn)水量，在充填機旋轉(zhuǎn)下形成含固化劑15％、水50％、黃土35％的稠漿液，經(jīng)高壓泥漿泵充填鉆孔進(jìn)入高冒區(qū)3—8min后，凝結(jié)成復(fù)合凝土。
4．7 上下隅角遺煤自燃防治技術(shù)
在工作面上下隅角設(shè)置看火工，每班在采面拉架放頂之后，用長槍頭(15mm鋼管端頭縮口成尖)灑水降溫，使上隅角內(nèi)放下的煤始終處于濕潤和低溫狀態(tài)；在下隅角附近(進(jìn)風(fēng)側(cè))后輸送機頭以里設(shè)置1道常開水幕，增加隅角漏風(fēng)的濕度，延長隅角附近煤的自然發(fā)火期。采用臨時密閉和凝膠充填相結(jié)合的方法，隔絕采空區(qū)漏風(fēng)，處理下隅角高溫點。在下巷轉(zhuǎn)載機機尾之后，上接過渡架下幫，下接下巷下幫煤壁建1道臨時密閉墻，墻處打上防倒戧柱。從墻外向墻內(nèi)巷頂及過渡架尾梁之后打鉆下注漿管2組，深度分別為4m、2m。利用地面注漿系統(tǒng)注入低濃度化學(xué)凝膠，膠體從巷道頂板煤縫及過渡架尾梁處擠出停止。隨工作面推進(jìn)，每隔5m建1道密閉墻，充堵1次凝膠，直到測不出CO為止。
4．8 巷道背板抹泥和噴射混凝土防治技術(shù)
受煤柱集中壓力和回采動壓影響，上下順槽壓力顯現(xiàn)嚴(yán)重，支架上浮煤堆積嚴(yán)重。為此，改變支護方式，一是巷道頂板背設(shè)由原來的荊芭、椽子改變?yōu)槟痉幢吃O(shè)，而后抹泥封閉；二是巷道掘進(jìn)50m，在原有支護斷面上噴射混凝土，掘進(jìn)、噴射循環(huán)進(jìn)行，大大減少了巷道煤體擴散漏風(fēng)。
實踐證明，在義馬煤田易自燃煤層進(jìn)行開采，汁對煤層發(fā)火原因的不同，采用不同的防治手段 和方法，完全可以保障安全生產(chǎn)。