老黑头
[天外飞仙] 易自燃煤层火灾原因分析与综合防治技术实践
时间：2008年8月4日
摘 要：通过对义马煤田易自燃煤层发火机理及原因的分析，探索和开发研究煤层火灾防治技术，形成一套易自燃煤层综合防治体系，为保障矿井安全、实现高产高效提供可靠保证。
关键词：易自燃煤层；发火原因；防治技术
1 煤层基本概况
义马煤田的开采煤层为中生界侏罗系下侏罗统煤层，煤层地质构造比较简单，赋存条件较好，煤层倾角6°～14°，煤层较厚。煤种为长焰煤，不粘结，中等硬度，极易风化成粉末。下侏罗统含煤共5层，各煤层均有自然发火倾向，发火期1个月，最短只有8 d，煤层自然发火问题比较严重。煤层瓦斯涌出量较小，煤尘具有爆炸危险，爆炸指数为44．7％～51．8％。
2 煤炭自燃机理和条件
根据我国煤炭自燃倾向性分类，义马煤田的煤层属容易自燃煤层(工类)。自然发火的决定因素是发火地点存在低温氧化的浮煤、碎煤，同时向它供有足够的氧气以及煤炭氧化时有蓄热准备条件。自然发火的实质是煤炭自身与空气中的氧气接触，产生氧化反应所致。氧化是煤炭自燃的主要原因。煤炭在井下大气的常温和常压条件下，遇空气中的氧气，便产生表面吸附作用，使煤炭进入低温氧化阶段，此阶段中发热量很少，能出现一些不稳定氧化物的最后产物——C02、CO、水蒸汽；如果热量不及时扩散，逐渐积蓄，大于煤体向周围介质散失的热量，煤炭温度继续上升，称为自热，待煤炭温度上升到某一极限值(一般为70—80℃)时，煤体温度上升急剧加速，达到临界着火点时，便发生煤炭的自然发火。
3 煤炭自然发火的规律及其成因分析
针对义马煤田的生产技术因素，我们通过对煤层自然发火几率分析可以看出，发火的原因是多方面的：巷道布置不合理、煤柱受压破碎、浮煤护顶较多、地质因素、漏风、冒顶及通风设施管理不善、生产管理不善等。煤炭自然发火的规律及其成因分析如下。
3．1 两道两线处煤炭易自燃(指采煤工作面上、下巷，开采线，停采线)
(1)上、下进回风巷煤炭易发火。①巷道变坡处煤炭易发火。由于地质因素，巷道掘进期间，巷道变坡处易发生冒顶，或者棚梁上浮煤堆积，风流经过变坡点处形成漏风供氧，使棚梁上的松散煤体升温，热量积聚而导致发火。②与相邻巷道交叉处煤炭易发火。由于工程设计原因，工作面上、下巷道与相邻巷道垂直上、下交叉，交叉巷道布置在一层煤中，交叉间距小，致使2条巷道间产生漏风，引起煤炭自燃。③护巷煤柱易发火。留设煤柱保护区段巷道时，在采动压力的作用下，煤柱被压裂、破碎、坍塌，再加上工作面端头回柱后，冒落不彻底，留下漏风通道，容易引起煤炭自燃。④分层巷道假顶内煤炭易发火。分层巷道采用内错式或重叠式布置时，除第一分层外，各分层都是在假顶下掘进。因而在第二分层及其以下的分层巷道掘进和采煤期间，都会向上一分层采空区漏风，使上分层采空区中的遗煤自燃。⑤综放工作面上、下巷顶煤易发火。由于综放工作面开掘巷道，沿煤层底板掘进，造成巷道顶煤开裂冒落，形成巷道为主通风系统，冒落处为弱通风系统。
(2)停采线处易发火。在开采下部分层时，上部分层的停采线遗煤容易自然发火。同时在工作面开采过程中，还可能引起本分层或上部分层的相邻采空区停采线浮煤自燃。停采线是压差最大的漏风通道，若两端都由密闭墙封闭不严，停采线处煤炭易于自然发火，特别是在厚煤层分层开采时，表现更为突出。
(3)开采线(切眼)处易发火。①分层开采切眼处。开切眼积存浮煤的情况与停采线大致相同。因此，如果相邻的工作面进、回风巷向采空区的开切眼漏风，则该处易发生煤炭自燃。②综放开采开切眼处。由于综放开切眼托顶煤较厚且开切眼宽度大，支护不当或安装支架抽棚梁时，易造成冒顶现象，加之综放支架重，安装速度慢，时间长，往往造成支架刚安装完毕，就发生煤炭自燃发火。
3．2 采煤面采空区遗煤，上下隅角处易发火
(1)由于地质条件变化或设备等原因，造成工作面推进速度慢，当工作面推进度低于采空区遗煤氧化升温带宽度时，氧化升温带内煤炭氧化蓄热，煤体存留时间可能超过自然发火期而出现自燃。
(2)采煤工作面上下隅角在回柱时，上巷上帮、下巷下帮塌落不实，易形成三角区漏风通道；上下隅角处于漏风源点、汇点；上下隅角易堆浮煤；综放工作面上下端头放煤不彻底，丢下大量遗煤，为煤炭自然发火提供了物质条件。
3．3 巷道冒顶处、断层附近煤炭易发火
巷道冒顶处，正常风流冲刷不到冒顶深部，煤炭氧化热量易于积存，易自然发火；断层附近易于造成冒顶，加之处理不及时，巷道支护“软关门”，易发生自然发火。
4 易自燃煤层火灾综合防治技术
4．1 预防性灌浆预防煤层自燃技术
灌浆防灭火是义马矿区最基本的防治措施，主要有采后密闭灌浆、随采随灌、巷顶插管注浆等形式。当工作面回采结束后，在工作面胶带巷、运输巷口修建永久密闭，利用密闭前铺设到停采线的灌浆管实施封闭注浆，间歇充填，灌浆量以黄泥接实巷顶为准。
对于分层开采并有下分层的采煤工作面，必须对采空区随采随灌黄泥浆，每天至少一班向采空区灌浆，以湿润包裹采空区遗煤，防止遗煤氧化积热，灌浆实行少量多次的方法，每次注浆量以工作面出浆水为止。
对于工作面上下巷道顶部留有煤皮或冒顶空洞的地方，多采取巷顶插管注浆措施。对冒顶空洞，采用人工直接下人注浆管；无冒顶地段采用钻机打钻孔下入注浆钢管，注浆管一般采用40mm的无缝钢管(前端为多孔花管)，下管长度一般不低于3m，钻孔角度45°，孔间距4m.
4．2 低风量稳定风流供风防治技术
对于正常回采期间，合理控制工作面风量，采取低风量供风。采用“U”型通风的工作面，降低供风量是压缩采空区氧化带宽度，防止采空区遗煤自燃的手段之一。根据工作面瓦斯绝对涌出量，在满足人员呼吸、有害气体浓度、温度不超限的情况下，采用低风量供风；同时加强工作面通风设施管理，保证风流、风量稳定，避免风量忽大忽小，使采空区遗煤连续氧化，蓄热升温，而引起煤炭自燃。
4．3 压注化学凝胶及胶体泥浆防治技术
义马矿区引进并推广了化学凝胶防灭火技术。它是目前矿区处理高温点、封闭堵漏的主要手段。制取化学凝胶的原料是水玻璃和碳酸氢铵(促凝剂)。水玻璃含量3％～9％，碳酸氢氨含量2％～4％，通过2台注胶泵用三通与钻孔注管联通压注。成胶时间与促凝剂的含量成正比关系。
在需要大量快速充填空洞时，往往采用胶体泥浆(阻化泥浆)，胶体泥浆的制取主要是利用地面灌浆站向井下输送水玻璃，井下加入促凝剂。
4．4 压注增稠泥浆和聚氨酯喷涂防治技术
(1)压注增稠泥浆，降低采空区遗煤温度，杜绝注浆脱水影响支架拆除现象的发生。距停采线40～50m，在上拐头逐步压人长度分别为40 m、30m、20m的注浆钢管，停采后注入增稠泥浆(增稠剂在地面注浆站，以注浆水的0．3％比例加入)，以降低采空区遗煤温度。增稠剂为白色粉末状高吸水材料，吸水倍率100—180倍，能有效地将浆水固定在采空区范围内，杜绝注浆脱水影响工作面支架拆除现象的发生。
(2)聚氨酯隔风喷涂技术在义马矿区主要用于工作面拆除支架期间，喷涂工作面架顶及架后，封闭架顶碎煤及架后采空区遗煤的供氧通道。聚氨酯喷涂所用原料，以异氰酸酯为一组份(黑料)，其他如多元醇聚醚、催化剂、阻燃剂、发泡剂等合在一起为一组份(白料)。使用时，将黑白两料等，搅拌均匀，可在几分钟内制得聚氨酯泡沫制品。因聚氨酯涂料发泡倍数高达20—25倍，并且有很强的粘着力，其以液体状态喷射粘附在架缝表面，在膨胀发泡过程中，靠膨胀力挤压进入所有漏风的空隙，堵漏效果良好。
4．5 采空区压诖与汽雾喷洒阻化剂防治技术
阻化剂采空区防灭火在义马矿区的应用分为2种方式：一是利用地面水源连通自制的ZHI—Ⅲ型阻化剂加入装置，通过注液枪(前端为花眼钢管)向采空区压注阻化剂，阻化液含量一般为10％～20％，此种方式不需电源，阻化液浓度易控制；另一种是将阻化剂和水按比例(10％一15％)配成溶液，通过高压泵、汽雾发生器(喷嘴)将其雾化，在工作面下拐头以漏风为载体，将汽雾阻化剂带入采空区煤体表面，延缓煤的氧化过程，常用的阻化剂有CaCl2、MgCl2等。
4. 6 充填复合凝土防治技术
对冒顶区长、冒顶高、范围大的地带，充填复合凝土。复合凝土成分组成：固化剂15％、水50％、黄土35％，固化凝结时间3～8 min。充填工艺为：将复合凝土原料(地面有加工厂、袋装)加入充填机中，调节好进水量，在充填机旋转下形成含固化剂15％、水50％、黄土35％的稠浆液，经高压泥浆泵充填钻孔进入高冒区3—8min后，凝结成复合凝土。
4．7 上下隅角遗煤自燃防治技术
在工作面上下隅角设置看火工，每班在采面拉架放顶之后，用长枪头(15mm钢管端头缩口成尖)洒水降温，使上隅角内放下的煤始终处于湿润和低温状态；在下隅角附近(进风侧)后输送机头以里设置1道常开水幕，增加隅角漏风的湿度，延长隅角附近煤的自然发火期。采用临时密闭和凝胶充填相结合的方法，隔绝采空区漏风，处理下隅角高温点。在下巷转载机机尾之后，上接过渡架下帮，下接下巷下帮煤壁建1道临时密闭墙，墙处打上防倒戗柱。从墙外向墙内巷顶及过渡架尾梁之后打钻下注浆管2组，深度分别为4m、2m。利用地面注浆系统注入低浓度化学凝胶，胶体从巷道顶板煤缝及过渡架尾梁处挤出停止。随工作面推进，每隔5m建1道密闭墙，充堵1次凝胶，直到测不出CO为止。
4．8 巷道背板抹泥和喷射混凝土防治技术
受煤柱集中压力和回采动压影响，上下顺槽压力显现严重，支架上浮煤堆积严重。为此，改变支护方式，一是巷道顶板背设由原来的荆芭、椽子改变为木反背设，而后抹泥封闭；二是巷道掘进50m，在原有支护断面上喷射混凝土，掘进、喷射循环进行，大大减少了巷道煤体扩散漏风。
实践证明，在义马煤田易自燃煤层进行开采，汁对煤层发火原因的不同，采用不同的防治手段 和方法，完全可以保障安全生产。
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