易燃综采面俯采过大断层期间防灭火技术研究与探讨

王帅领，王德明,，曹 凯，王少峰

(1.中国矿业大学安全工程学院,江苏 徐州 221008;2.中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾教育部重点实验室,江苏 徐州 221008)

矿井火灾是煤矿井下重大灾害之一。我国煤矿自燃发火严重，我国国有重点煤矿中有56%以上的矿井都存在着自然发火危险，由煤层自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90%以上[1]。针对我国煤矿自燃发火的特点，国内许多专家和技术人员进行了很多煤自燃方面的研究,李增华教授提出了煤自燃的自由基理论[2]；西安科技大学建立了煤自燃升温实验炉进行煤自燃过程的模拟[3]；中国矿业大学采用程序升温氧化装置，通过研究活化能的氧化动力学方法来研究煤自燃[4-5]。灭火技术的研究也一直是研究工作的重点之一。凝胶防灭火技术[6]、三相泡沫[7]防灭火技术是几年来比较典型的以新型材料为基础的防灭火技术，有效治理了许多矿山火灾。但易燃面俯采过大断层防火方面的研究较少，缺乏相关的理论分析和治理技术。

矿井遇到大落差贯穿整个工作面的断层时通常采取跳采的方式[8]，一方面有助于控制地质灾害，减少过断层期间火、水、顶板等方面的灾害发生；另一方面有助于保持矿井正常的出煤量。但一些工作面为保护层，要对上采煤层起到充分的卸压作用[9]，消除卸压盲区，必须采取割矸过断层的方式；此外有些工作面有很多大落差贯穿整个工作面的断层，另开且眼工程量太大，工作面搬家不易，也需要采用强推的方式过断层。

工作面在过大断层期间，工作面的推进速度慢，采空区浮煤在“自燃带”[10]滞留时间变长，引起自燃升温进而导致自燃发火。根据断层和工作面情况，一些断层还需要采用俯采通过，这就加大了防火难度[11]。俯采期间[12]，工作面与采空区的自然风压会加大采空区漏风量，而注浆注水灭火技术也无法应用，一旦采空区着火火风压会引起火区向采空区深部蔓延，灭火难度大，而现有的单一防火措施无法满足要求。因此，易燃综采面过大断层俯采期间的防火技术研究是十分必要的。

1 现有的防灭火技术及特点

1.1 均压防灭火技术

均压通风防灭火技术[10]就是采用风窗、风机、连通管、调压气室等调压手段，改变通风系统的压力分布，减少漏风通道两端的压差，减少漏风，从而达到防灭火的作用。均压防灭火技术是“以风治火”的技术，方法简单，效果明显，被全国很多矿井采纳。但在一些高瓦斯矿井，考虑到增阻和减阻调节会影响工作面或系统的风量分配，并且风窗及局部风机的安装也会对平巷的运输产生影响，在火灾预防中不被采用。

1.2 惰气防灭火技术

惰气防灭火技术就是指将高浓度的惰气通过管道送入拟处理区，使得氧气的含量相对降低，来防止煤炭氧化自燃[13]。通常采用的惰性气体有氮气和二氧化碳。

CO2密度大于空气，适合处理矿井中位置较低的火灾[10]，对仰采工作面的采空区和倾斜巷道下部火灾效果更好，抑爆性能较氮气好；在西北缺水矿井，有时也用液态二氧化碳治理采空区火灾。但CO2应用不当会给工作面带来灾害。

氮气防火技术在预防矿井火灾中应用较为广泛。氮气有良好的流动性，容易到达采空区各处，降低采空区氧气浓度[14]。在着火期间，良好的抑爆性能，又能够防治采空区内自燃诱发瓦斯爆炸。但氮气良好的流动性也限制了惰化效果，采空区停留时间较短，氮气流动受漏风风流控制，也不服从自然扩散规律。

1.3 泥浆防灭火技术

泥浆防灭火技术通常采用预防性灌浆的防火方式。预防性灌浆[10]，就是指在火灾形成以前，将水、浆等材料按合适的比例制成一定浓度的泥浆，然后通过灌浆管路灌进采空区。预防性灌浆措施可以起到隔氧、散热、减少漏风等作用，从而达到防止煤炭自然发火的目的。

泥浆灌注后，固相会逐渐沉淀，水涌向工作面，破坏工作面正常的回采环境，影响工作面生产。注入采空区的泥浆在流动过程中还会出现“拉钩”现象[12]。

1.4 凝胶防灭火技术

无机凝胶是由水玻璃的硅酸钠水溶液和促凝剂反应而成的胶冻状硅酸溶液[6]。混合液在凝固前，流动性较好，可以渗透到煤和岩石的裂隙中，而成胶后则固结在煤体中。该胶体有固水性、吸热降温性、密封堵漏性等特征，凝胶灭火安全性好，保水时间久；但是凝胶流动性较差，在火区位置无法准确探知的情况下，灭火效果受到很大限制。在埋藏较浅的火区，通常采用密集钻孔灌注胶体的灭火方式。

1.5 三相泡沫防灭火技术

三相泡沫[7]是将不溶性的固态不燃物分散在水中，通入N2并添加极少量的添加剂通过泡沫发泡器充分搅拌混合，形成了固体粉煤灰颗粒均匀附着在气泡壁上的大量富集的含有气-液-固三相的体系。三相泡沫灭火原理：阻隔煤氧结合，防止煤炭自燃；吸热降温，降低煤体和周围环境的温度；降低氧含量，抑制煤体自燃发展；润湿煤体，增加煤体的湿度；抑制自由基的产生，阻断链式反应。

三相泡沫良好的流动性和向上堆积性，适合治理采空区隐蔽火源点和泥浆无法到达的高位火点。

1.6 阻化剂防灭火技术

阻化剂根据阻化原理的不同分为物理阻化剂、化学阻化剂[10]。物理阻化剂是一些吸水性很强的无机盐类，如MgCl2和CaCl2等。这些盐类通过吸收空气中水分来阻止氧气和煤体的接触，起到阻化的作用。化学阻化剂通过加入抗氧化物质，来消除煤氧化过程中的自由基，从而阻止链锁反应的进行。

阻化剂防火技术包括喷洒阻化剂防火技术和气雾阻化防灭火技术[15]。阻化剂在防火中，需要用量大，实施工程中会对工作面回采速度产生影响。

2 发火危险性分析

由于俯采过大断层防火问题是过断层和俯采两方面造成发火危险性的叠加和综合，需要分别对大断层和俯采所带来的发火危险性进行分析。

2.1 过大断层期间发火分析

2.1.1 工作面推进速度慢

工作面过断层时，对于落差小的断层，倾斜割矸石较少，比较容易通过，不会对正常回采带来很大影响。而对于大落差的断层，落差是采高的几倍，工作面从下盘向上盘开采，下盘顶板脱离岩体，几乎有支架完全支撑，顶板压力大，为了保障回采期间顶板支撑安全，防治冒顶事故发生，需要加强顶板管理和控制，而影响工作面的推进速度；另一方面，岩石硬度相对较大，通常硬度系数超过5，综采方式无法实施，需要采用炮采的方式过断层，推进速度明显下降。此外，过断层时，俯斜过断层，地址条件复杂，灾害种类多，治理难度大，也会影响工作面推进速度。

2.1.2 采空区“自燃带”移动速度慢

工作面通过大的断层，由于落差是采高的几倍。工作面回采要从下盘煤层底板过渡到上盘煤层顶板，倾斜采出几倍采高的岩石；俯采倾角加大了工作面过断层的距离，同时加上过断层的俯采，造成漏风量更大，自燃带范围加宽。采空区自燃带的移动速度很大程度上决定了煤自燃发火的危险程度，采空区自燃带的部分区域在煤自燃最短发火期内没能移出自燃带的情况下，发火危险性极大。

2.1.3 “散热带”内的“自燃带”

由于俯采过断层，顶板垮落后上面未采煤体会留在采空区“冒落带”[16]的不同位置。而采空区的风速、氧浓度等参数获取位置在“冒落带”的下部，采高范围内，通常也是采高内浮煤堆积的位置。但过大断层不同，遗留煤体在采空区的位置发生了改变，按照传统的采空区三带测量方法，测量数据为采空区内岩石的温度场、浓度场等数据，而垮落堆积的煤体实际在“冒落带”上部甚至“裂隙带”，这部分煤体超过了氧化极限堆积高度，风速较小，具有很好的热量集聚自燃条件，发火危险性大，理论上应归于 “自燃带”。

2.2 俯采发火危险性分析

2.2.1 采空区漏风量大，发火危险性高

由于其回采方向是由高处向低处推采，采空区位于工作面上部。在回采过程中，进入采空区的漏风风流在进风巷风流速压、自然风压的作用下，空气进入采空区的深度较仰采面要大，且俯采工作面的采空区不宜积水，空气干燥，使采空区内的丢煤容易进行氧化反应[11]。

2.2.2 采空区丢煤自燃积聚热量条件好

俯采工作面采空区内的丢煤在氧化过程中生成的热量在其热膨胀和上升力的作用下，易于积存在采空区，为煤炭自燃创造了条件[11]。

2.2.3 采空区灌浆措施不易实施

在进行采空区灌浆时，其灌浆量超过采空区承受能力，就会发生泥浆淹面事故。并且，由于注浆易形成“拉沟”的缺点，即使进行采空区灌浆，其泥浆只覆盖采空区底板小范围的丢煤，采空区大量的顶板落煤得不到泥浆覆盖。

2.2.4 采空区火源点位置较深，不易治理

采空区一旦发生火灾，火风压方向与风流方向一致，火源向采空区深部蔓延，工作面一旦出现冒烟现象，火区面积已经足够大，难以治理。

俯采过断层具有大断层和俯斜开采带来的防火难题，发火危险地点多，治理难度大，单一的防火技术难以满足要求。

3 大断层易燃综采面俯采期间综合防火技术

通过研究上述俯采过大断层发火的特点，借助现有各项防火技术的优势，提出了适合易燃综采面俯采过大断层期间的综合防火技术。该项技术利用了新型灭火材料三相泡沫的高发泡倍数和良好的堆积性及凝胶的堵漏、固水作用，发挥了氮气的扩散和窒息特性，通过阻化剂对危险区域进行了重点处理。

3.1 进风巷埋管注氮措施

氮气具有良好的扩散性，进风巷注入采空区的氮气，逆着煤层底板倾斜方向流向上隅角，对采空区隔氧,氮气克服液相介质流动性的缺点，不会因为俯采而引起氮气流回工作面影响工作面的安全。另一方面，在上下隅角堵风效果好的条件下，进风巷大流量注氮气还能起到一定的增压作用，提高采空区压力，减少了工作面与采空区之间压差，减少漏风。

3.2 回风巷埋管大容量注三相泡沫

三相泡沫发泡倍数高，产生速度快，持续大流量的灌注三相泡沫8h左右，可以产生泡沫300m3，在泡沫未破裂期间起到了很好的堵漏和充填作用；三相泡沫灌注期间要保持一定的干度和持续性，连续的灌注时间，使泡沫破裂后迅速补充，后面的泡沫推挤着前面产生的泡沫流动、堆积，使得发挥泡沫良好性能，更大地充填竖向和横向空间，有助于控制“冒落带”上部遗煤自燃。俯采过程中，低水分的泡沫不会对工作面回采环境的造成太大影响。气相介质为窒息性很好的氮气，本身也是良好的灭火材料，随之泡沫的逐渐破坏，包裹在泡沫里的氮气缓慢释放，引起回风侧采空区压力增大，降低采空区内氧气含量，减少热量集聚。

3.3 加强进风巷堵风措施

在预防采空区自燃中，有效堵风能够很大程度上减少自燃范围，缩小自燃发火危险性。尤其是顶板较稳定的砂岩和石灰岩[16]，直接顶垮落后，采空区漏风比较严重，没法做到有效充填,而砂岩的周期来压步距要达到20m，过断层期间，老顶没有垮落，直接顶的松散大块岩体空隙率大，漏风量大。必须采取有效的堵漏措施，减少危险区域范围。凝胶堵漏材料需要一定的胶凝时间，直接注入会沿着倾斜方向流向工作面。

进风巷构筑沙袋墙是理想的堵漏方式，每隔3m在进风巷打一道沙袋墙，沙袋墙间注入凝胶，凝胶材料能够有效充填沙袋墙间的裂隙，漏风量可以得到很大的控制。

3.4 减少断层前的遗煤量和阻化处理

综采方式一次采全高，丢煤较少，垮落后碎煤小于极限堆积高度，理论上没有发火危险性；但随着底板起伏和煤层高度的不均匀性，采出率降低，留煤多。根据顶板岩性分析和三带测量情况，初步估算工作面推进到距离断层“自燃带”范围时，要对遗煤厚度超过0.3m的区域进行阻化处理，并加大阻化剂用量，破坏煤体中的易氧化活性基团。有条件的情况下，物理化学阻化剂的相互配合，作用互补。

另外，在瓦斯涌出量不大的工作面，过断层期间，还可以通过回风巷增阻的措施减少采空区漏风，配合上述防灭火措施。

4 结语

1) 易燃综采面俯采过大断层期间发火危险性高，治理难度大。俯采过断层防火问题是过大断层和俯采带来的防火问题的综合。工作面过大断层期间，工作面推进速度变慢，采空区部分遗煤在“自燃带”滞留时间过长；加上工作面俯斜开采，会造成采空区漏风量增加，“自燃带”范围变宽，而常用的注浆、注水灭火措施又无法应用，一旦着火，采空区火风压会引起漏风增加，火区向深部蔓延，治理难度大。

2) 首次提出由于俯采过大断层引起采空区“散热带”内形成 “自燃带”。由于断层上下盘距离较大，过断层时，顶板上方的煤体冒落后，会处于采空区“冒落带”的上部，甚至“裂隙带”。采空区“散热带”的这部分遗煤具有较大的松散堆积厚度、风速较小、供氧充分，发火危险性大。

3) 提出了易燃综采面俯采过大断层时的综合防灭火技术。该项综合防灭火技术充分发挥新型灭火材料三相泡沫的堆积性和凝胶的堵漏作用，并有效利用了氮气的窒息和扩散特性，还通过阻化剂对重点区域进行了预处理；该技术可以为易燃综采面俯采过断层期间的防火研究和应用方面提供理论指导。

[1]胡社荣,蒋大成,李泽光，等.煤田煤矿区火灾与环境效应及其防治对策[J].地质灾害与环境保护,2001,12(1)：21-23.

[2]李增华.煤炭自燃的自由基反应机理[J].中国矿业大学学报.1996,25(3):111-114.

[3]徐精彩,文虎,张辛亥，等.综放面巷道煤层自燃危险区域判定方法[J].北京科技大学学报,2003,25(1):9-11.

[4]陆伟,王德明,仲晓星，等.基于活化能的煤自燃倾向性研究[J].中国矿业大学学报，2006,35(2):201-205.

[5]仲晓星,王德明，戚绪尧，等.煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法研究[J].中国矿业大学学报，2009，38(6)：789-793.

[6]邓军,徐精彩,王洪权.新型复合胶体防灭火技术及应用[J].煤矿安全,2001,32(12):42-44.

[7]王德明.防灭火新技术三相泡沫[J].煤矿安全,2004,35(7):15-18.

[8]杜计平.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社，2009.

[9]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992.

[10]王德明.矿井火灾学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[11]杨绪金.贾进章大倾角俯采综放面防止煤炭自燃技术应用[J].辽宁工程技术大学学报，2003(8):465-466.

[12]时国庆,王德明,李祥武，等.急倾斜俯采综放工作面封闭火区治理技术与实践[J].煤矿安全，2008(5)：38-40.

[13]湖广扬，王洪彬.压注惰气灭火技术的研究[J].煤矿安全,1992,23(8):17-21.

[14]黄文清.注氮防火工艺在综放工作面的应用[J].煤炭技术，2009(2):102-103.

[15]边庆林,宋文忠.汽雾阻化防火及其应用[J].煤矿安全,1993,24(8):22-24.

[16]钱鸣高.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社，2008.