闫晓斐

（山西新村煤业有限公司，山西 长治 046000）

1 工程概况

新村煤矿设计矿井生产能力为1.8 Mt/a，为高瓦斯矿井。15105采煤工作面位于矿井15采区东翼，主采山西组15#煤层，煤层平均厚度5.6 m，15#煤层自燃倾向性等级为I类，属于容易自燃煤层，煤层自然发火期最短为32天。工作面采用综采放顶煤采煤法，全部垮落法管理采空区。新村煤矿15105工作面自生产以来，工作面曾发生过多次煤层自燃引起的矿井火灾事故，严重影响了矿井的安全生产。因此，为解决这一重大安全风险问题，新村煤矿不断加大资金投入，更新装备，合理选用防灭火材料，持续探索创新，建立一套相对完善的综合防灭火管理体系，通过近年来的应用实践，效果较为明显。

2 矿井防灭火综合管理措施

为了有针对性制定矿井防灭火措施，矿井通风部门与高等院校联合对15#煤层自然发火标志性气体及临界值进行了测试，得出来了15#煤层自然发火标志性气体及其临界值为：CO临界温度35℃、C2H6临界温度85℃、C2H4临界温度125℃、C3H8临界温度150℃、C2H2临界温度220℃； 氧化临界温度点T164.5℃、氧化增速温度点T2315.6℃、干裂温度点T186℃、活性温度点T4202.5℃、着火温度点T4202.4℃。

2.1 技术措施

在防灭火技术管理中，矿井主要制定“三注一淋”和“两堵一阻”6项技术措施，“三注一淋”即向采空区注入惰性气体、工作面煤壁超前浅孔注水、工作面进回风隅角注入阻化浆液、顶板穿层钻孔淋水；“两堵一阻”即对工作面进回风隅角进行密闭封堵、工作面喷洒阻化剂。通过采取综合防灭火技术措施，能够对采煤工作面采空区内的遗留残煤自燃起到有效的抑制作用。

（1）工作面采空区注入惰性气体

在井上下建立注氮系统，利用地面制氮机制造氮气后输入到工作面冷氮机中将氮气制冷，然后通过工作面运输巷内安装的4寸管路系统将氮气注入到工作面采空区内，氮气流量控制在1 000 m3/h左右，持续不断进行，每天注向采空区内注入氮气量不少于200 000 m3。同时，当采空区内出现CO浓度有不断升高现象时，可以通过制氮系统向采空区内注入CO2，提高采空区内惰性气体浓度，使空气惰化，增强对采空区内的遗留残煤氧化的抑制作用，注入的CO2量每次控制在35～45 t。工作面采空区注氮系统见图1。

图1 工作面注氮系统

（2）煤壁浅孔注水

工作面在回采过程中，沿工作面推进方向垂直煤壁施工注水孔，注水孔直径为42 mm，孔深不小于6 m，注水孔间距6～8 m，见图2。注水孔施工后采用水力膨胀式封孔器封孔，封孔深度不小于1.5 m，确保注水过程中煤壁及钻孔不渗水、漏水或跑水。使用注水泵联接管路进行注水，注水压力控制在2.5～5 MPa以内，注水时间以煤墙挂汗、支架顶梁上方滴水、相邻注水孔出水为宜。确保作业地点煤层煤体充分湿润，并超前工作面煤墙不少于2 m。对煤壁进行注水后，通过对煤体采样分析，煤体水分由2%～3%提高到了5%～6%。煤体充分湿润后，能够对煤层自燃起到很好的抑制作用。

图2 工作面煤层注水钻孔布置

（3）工作面进回风隅角注入阻化浆液

采煤工作面在推进过程中，每天在工作面进回风隅角各打设4～5根1寸花管向采空区5 m范围内进行注防灭火阻化浆液，花管长度6 m，间距3 m。注浆口设置在煤层顶部上方，见图3。提前将阻化浆液搅拌好后，利用注浆泵将浆液通过花管高压注入到采空区内，注浆量以工作面煤层底部出现浆液渗出现象为准。注入的浆液将采空区遗留的残煤进行充分包裹，隔绝其与空气接触，抑制其氧化。同时，注入的阻化浆液能够将进回风隅角周围采空区未垮落压实的岩石裂缝进行充填严实，从而减少上下隅角漏风量。

图3 工作面隅角注浆花管布置

（4）顶板穿层钻孔淋水

工作面回采过程中，提前在风巷和运输巷内向工作面切眼方向每间隔50 m施工一组顶板淋水穿层钻孔，每组布置12个钻孔，钻孔直径为113 mm，每组相邻两个钻孔孔口间距1 m，终孔间距12.5 m，钻孔开孔位置距巷道底板1.8 m，终孔位置设计布置在15#煤层顶板上方15～20 m位置，见图4。钻孔施工后利用注水泵向钻孔内注水，进入煤层顶板后通过岩层裂隙向采空区淋水，每天每组钻孔淋水量大约在35 m3，为更好的抑制采空区残煤氧化，可以在向淋水钻孔注水时加入适量的氯化钙或氯化镁等阻化剂，可以降低采空区温度，从而抑制遗留的残煤氧化自燃。

图4 工作面淋水钻孔布置

（5）工作面隅角密闭封堵

采煤工作面回采过程中，对进回风隅角锚网支护巷道采取退锚措施，保证进回风隅角顶板能够及时垮落严实。同时，工作面每班使用黄泥土装袋，对进回风隅角使用黄土袋垛成密闭墙对隅角采空区进行封堵密闭，密闭墙厚度不低于0.5 m，见图5。通过对进回风隅角进行密闭封堵，能够有效减少采空区漏风量，防止采空区遗煤氧化。

图5 工作面隅角密闭封堵

（6）采空区喷洒阻燃剂

因工作面采用综采放顶煤开采工艺，工作面上下端头不能放煤，造成上下端头的顶煤进入采空区较多，为防止上下端头的遗煤在采空区内氧化自燃，在对进回风隅角封堵前对上下端头采空区20 m范围内喷洒阻燃剂，对遗留的残煤进行全覆盖，阻碍其氧化，防止遗煤出现自燃现象。

2.2 监测监控手段

为保证采空区有害气体发生异常变化时能够及时掌握动态信息，需加强对采空区有害气体的监测监控，新村煤矿主要采用采空区埋设束管实时在线监测、实验室定期色谱分析监测、人工现场定期取样监测等手段预测预报自然发火。

（1）采空区埋设束管实时在线监测

将移动束管监测系统安装在工作面进回风巷道内合适位置，在工作面进回风隅角和后部运输机后方埋设束管，通过束管采集采空区的CH4、CO、CO2、O2、C2H2等气体，并将采集的气体实时传输到监测系统进行分析，监测系统对采集的气体数据分析并传输到地面，见图6。

图6 移动束管监测系统

（2）实验室定期色谱分析监测

色谱检测室配备1套GC-6890A型气相色谱分析仪对采集的气体组分进行分析。在工作面回采过程中，每班安排专职人员对工作面进回风隅角和采空区束管及工作面高（低）抽放巷内抽取的气体进行采样，对采集的气样利用气相色谱仪进行分析，准确掌握采空区及隅角气体成分变化情况。

（3）人工现场定期取样检测

每班安排瓦检员采用一氧化碳检测仪对工作面固定地点的CO浓度进行检测。

通过采用上述三种检测方式对工作面采空区内煤层自然发火产生的主要气体指标进行在线和人工监测、采样分析，及时准确掌握采空区气体的成分及主要指标参数变化情况，为矿井防灭火措施的制定提供科学依据。

2.3 正规作业循环作业

根据新村煤矿采空区“三带”测定结果，采空区煤层自然发火发生在自燃带，其最大宽度为80 m。因煤层的最短自然发火期为32天，所以，根据自燃带的宽度，确定采煤工作面月回采进度为90 m，日推进度为3 m，每天5个正规作业循环，即5刀煤（每刀煤推进度0.6 m），工作面月推进度大于自燃带宽度，可以保证将自燃带推进至窒息带范围，能够有效防止煤层发生自燃。

3 应用效果分析

新村煤矿在早期开采期间只采用注氮的方式进行防灭火，工作面在生产过程中，采空区CO的浓度经常保持在45 ppm左右，工作面拆除回收过程中，为防止采空区自然发火，回撤作业必须分2次进行，工作面也曾经出现过因防灭火措施效果不好，造成采空区多次发生煤层自燃现象。近年来，通过采取上述 “三注一淋”、“两堵一阻”6项综合防灭火措施，坚持正规循环作业，加强采空区气体指标参数监测分析，采煤工作面在回采过程中，采空区CO浓度一直保持在10 ppm以下；同时在工作面回撤过程中能够实现一次性回撤，不仅节约开采成本，创造了经济效益，而且大大提升了矿井的安全管理水平，实现了安全开采。

4 结语

新村煤矿通过采取“三注一淋”、“两堵一阻”综合防灭火措施，建立自然发火监测系统，开展自然发火监测工作，健全自然发火预测预报及管理制度。实际应用中，能够有效控制工作面采空区煤层自燃，保证矿井安全生产，经济效益和安全效益显著。