浅析煤矿下分层开采防灭火技术
王志荣
【摘 要】在煤矿开采作业过程中，安全问题始终是煤矿企业关注的重点。近年来，我国发生了数起矿井火灾事故，经调查发现多数煤炭火灾都和煤炭自燃有关。其主要原因在于，煤层被开采和破碎之后，破碎的煤体与空气接触，发生了氧化反应，并放出热量。煤发生氧化反应后使煤堆的温度升高，煤温度升高后又加速了煤的氧化反应速度，这样就使煤堆的温度越来越高，当温度超过煤的自身燃点时就会自燃。煤炭自燃对矿井安全生产构成了严重威胁，所以需要对分层开采技术加以利用。基于此，本文以某煤矿为例，从造成煤矿下分层开采发生火灾的原因入手，讨论煤矿下分层开采防灭火技术的利用，最后分析如何加强煤矿下分层开采防灭火管理，希望对相关研究带来帮助。
【关键词】煤矿;下分层;开采;防灭火技术
通过煤矿下分层开采方式进行采用，能够提升开采效率和安全性，不过在煤矿开采过程中存在着空采区遗留残余煤炭较多的问题以及漏风情况，容易出现煤层以及矿井煤炭自燃的现象，需要加强管理。
一、矿井概况
某煤矿面积约124.5km2，截至2020年底，全矿井保有资源储量7.6亿吨，可采储量4.72亿吨。2021经过产能核定，确认其生产能力为1380万吨/年，井田内地质构造条件简单，煤层赋存稳定，瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井。该煤矿已经建立火灾预测预报系统，涵盖人工现场检测、束管监测系统、分布式光纤测温系统及监测监控系统。
（一）矿井火灾防治现状
1煤自燃发火基础参数
该煤矿所有煤层均为一类易自燃煤层，其中两层煤层的最短自燃发火期分别为38天和62天。
（二）火灾预测预报系统
某矿设立了综合预测预报体系，其中涵盖人工现场检测、分布式光纤测温系统、束管监测系统。在矿井安装了一套KSS--200矿井自燃火灾束管监测系统以及两套JSG8矿井火灾束管监测系统，主要作用在于实时监测井下温度和气体情况[1]。
（三）防灭火系统建设
1注浆防灭火系统
该煤矿在立风井广场设置了ZLJ-80型地面灌浆系统，下浆管路设置在回风立井，然后在回风大巷铺设DN150注浆管路，通过三通连接DN100注浆管路进入工作面顺槽。
2注氮防灭火系统
该矿井现有两套制氮系统，分别由两台DM-1000型制氮机和两台ATM37000空气压缩机组成。
二、矿井煤自燃探查方案分析
1、温度探测方法
在工作面巷道内或其顶底板埋设分布式测温光纤，持续检测采空区温度变化情况，达到报警温度时，及时报警并定位升温区段。
2、采空区气体探测方法
煤在氧化升温过程中，会释放出CO、CO2、烷烃、烯烃以及炔烃等指性气体。这些气体的产生率随煤温上升而发生规律性的变化，能预测和反映煤自然发火状态。如CO贯穿于整个煤自然发火过程中，一般在50℃以上就可测定出来，出现时浓度较高;烷烃（乙烷、丙烷）出现的时间几乎与CO同步，贯穿于全过程，但其浓度低于CO，而且在不同煤种中有不同的显现规律;烯烃较CO和烷烃出现得晚，乙烯在110℃左右能被测出，是煤自然发火进程加速氧化阶段的标志气体，在开始产生时，浓度略高于炔烃气体;炔烃出现的时间最晚，只有在较高温度段才出现，与前两者之间有一个明显的温度差和时间差，是煤自然发火步入激烈氧化阶段（也即燃烧阶段）的产物。因此，在这一系列气体中，选择一些气体作为指标气体，以及准确检测，就能可靠判断自然发火的征兆和状态。
褐煤、长焰煤、气煤、肥煤以烯烃或烷比为首选，以CO及其派生的指标为辅;焦煤、贫煤和瘦煤则以CO及其派生的指标为首选，C2H4或烯烷比为辅;无烟煤和高硫煤唯一依据是CO及其派生指标;低变质程度煤着火征兆的灵敏指标为C2H4。
3、同位素氡探测方法
煤自燃会析出同位素氡，氡会随气流及地层裂隙扩散到地表，所以在煤层自燃方面常有采用测量同位素氡的方法。此方法所测得的氡值异常，与氡元素析出至测量位置的氡浓度有关，而同位素氡的运移又与运移通道有关，在存在大面积采空区的范围内，一般裂隙较发育且不均匀，氡元素顺通道和气流运移输出，所以浅表测得的氡异常并不一定和深部煤层自燃区范围一一对应，采用该方法探测时，要结合采空区分布情况、氡值异常特征综合分析。
三、造成煤矿下分层开采采空区气体异常的原因
其一，综放面在推进过程中遇到强矿压导致严重的底鼓、漏顶问题，造成工作面近15天推进仅为20m，并且在空采区遗留较多的碎煤，由于推进速度慢，延长了采空区遗煤的氧化时间;
其二，工作面区域的煤柱强度偏低，并且松软破碎，漏风严重;
其三，地表回填受气温偏低的影响，加之地表存在冻土层，尽管表层间隙已经回填，不过深部依然存在隐蔽裂缝，埋深最浅处只有27m，并且地表塌陷临近工作面，下分层回采时存在地表塌陷情况，难以控制漏风问题[2]。
四、煤礦下分层开采防灭火技术的利用
（一）均压防灭火
空采区出现漏风和密封墙的位置需要设置压力检测装置，分析压力差分布情况，在矿井通风机设备正常运转条件下调整井下的流量，对主要巷道风压分布进行改变，然后让空采区的进风侧和出风侧风压接近平衡，避免采空区内部空气流通，以此断绝氧气，切断自燃条件。
（二）预防性注浆
1注浆材料选择
在当前的防灭火工作中，注浆材料主要采用浆砂以及粉煤灰，不同的材料的性质以及防火效果存在差异。具体说来，注砂浆容易就地取材，并且注入空采区后堆积效果良好，主要用于封堵式防灭火注浆，缺点在于流动性差、容易沉淀，聚积在钻孔周边容易出现堵塞。注粉煤灰的优势在于原材料来源广泛，并且封堵效果好，不容易堵塞钻孔，材料价格低，在覆盖式防灭火注浆施工中效果显著。
2注浆措施
空采区灭火防控以及治理为隐蔽工程，该项工作开展的主要难题在于对火源位置以及着火程度进行判断。预防性注浆措施成为当前矿井空采区防火的重要手段，通过地面施工，采取定向注浆钻孔输送浆液的方法，使其在空采区流动，进而对空采区的煤封堵和覆盖，阻隔氧气、降低温度[3]。该煤矿容易出现自燃的区域集中在停采线、上下分层巷道交汇处以及联络巷口位置，所以要通过地表打钻的方式对以上容易出现自燃的地点进行靶向注浆，通过该措施能够缩短注浆工期，节约施工费用。
（三）通风系统
一方面，工作面范围内的通风构筑物需要保证风门风桥具有密实性，有效减少漏风;另一方面，空采区和废弃巷道需要每周进行防火检查，在检查过程中如果发现一氧化碳异常情况需要及时采取防灭火措施。此外，在应急灭火方面要求制定应急预案，设立以矿长为组长的总指挥部，由总工程师为总负责人，对火灾应急指挥部门进行管理，确保人员分工明确，并定期开展应急演练。
（四）注氮
1制取氮气
煤矿开采过程中防灭火工作需要对氮气使用，主要是把空气中的气体成分分離获得，所以技术人员要结合煤矿工程实际选取制氮设备。目前主要以地面移动式、地面固定式、井下移动式的设备为主。
2 注氮工艺参数选择
一般情况下，煤矿防灭火采取埋管操作的方法，以此达到安全生产以及防灭火目标，在实际操作过程中，需要把注氮管埋设在井下巷道当中。一般采空区采用钻孔方式，然后利用注氮管输送氮气，要求技术人员每间隔一定距离预设释放口，然后设置在和煤层底板以上20-30cm的位置，这样煤层底板以上环境的石块可以对注氮管进行保护，避免孔口堵塞。在注氮地点的管理上需要以防火效果为主，采取拉管移动式，主要是利用回柱绞车向外牵引埋管，确保埋管移动周期和工作面同步运行，进而让采空区注氮孔在氧化自燃环境内。与此同时，要求结合采空区养护、窒息与自燃带宽度确定埋管以及打孔方式，确保采空区注氮连续性。在煤矿巷道火灾扑灭过程中，需要在封闭后连续注入氮气，将采空区氧气质量分数控制在10%之内，可以有效防止瓦斯爆炸事故。在氧气质量分数达到1%-2%能够实现快速灭火[4]。
（五）采空区地表塌陷裂缝回填
由于地表受到二次或多次采动影响，分层开采的采空区地表塌陷裂缝更为发育，采空区漏风更为严重，所以地表回填的作用就尤为突出。对于浅埋深分层开采的矿井应在采空区老顶初次来压后安排专人每天进行地表巡查，发现裂缝及时安排人员进行回填，滞后工作面的距离不宜大于50米。对于回填后再次出现的裂缝要进行二次或多次回填，直至地表裂缝充分填实，无漏风现象。对于地表基岩裸露或地形复杂的裂隙，应采用机械回填，并使用黄土进行覆盖，雨后要重点进行复查整改。对于较大裂缝多次回填后仍无明显效果的，可对裂缝采取高土水比注浆措施。
五、如何加强煤矿下分层开采防灭火管理
其一，为了有效、快速、有序的对问题整改需要成立指挥部，一旦发现空采区存在气体异常情况要求煤矿企业立即成立防火领导小组，分析采空区气体异常的原因，及时采取防灭火措施，对设备，材料、技术利用加强指导。
其二，对各级管理人员和作业人员进行培训，进行一通三防知识宣传，让全体人员具有一通三防的红线意识。
其三，需要坚持快速掘进、快速开采、快速回撤、快速封闭的管理措施。对地面注浆地表堵漏以及井下注氮采取预防性措施。
其四，对现有的管束监测系统加以维护，做好气体采样监控工作，以此延长气体采样抽气时间，确保采集的气体样品具有真实性，然后比对自燃发火指标性气体开展化验工作，发现异常要立即采取措施。
其五，在新形成的工作面巷道内或其顶底板埋设分布式测温光纤，工作面回采结束，光纤设备留在内部，持续检测温度变化情况，达到可报警温度时，及时报警并定位升温区段。
其六，在实际工作中需要加强培训，全面提升一通三防人员的专业水平，具有敏锐的观察能力和提前预判能力，并且需要配备齐全具有一通三防专业知识的技术管理人才，以此满足矿井一通三防工作开展需要。
其七，方案在实际工作中需要完善防火应急处理机制，能够及时处置要求对注浆设备、注氮仪器等方面或装备加强管理，做好维修保养工作，确保随时能够投入使用。
其八，明确责任分工，需要成立设备、材料、技术方案现场施工以及监督保障等小组。
其九，合理规划开采设计，优化通风系统，从设计源头将煤矿防灭火工作深入其中。
结束语：
综上所述，煤矿下分层防火技术有着重要作用，在实际工作开展中必须全面分析导致煤炭自燃的因素，然后采取技术性测试和管理性措施，完善矿井注浆、注氮等综合防灭火系统，然后采取井上下堵漏以及空采区气体监测措施，通过多项举措确保工作面处于安全生产环境状态。此外，需要做好地表回填工作，增加资金及人员的投入，保证现场巡查工作的深入开展，减少空采区漏风情况，进而确保矿井的安全作业。
参考文献：
[1]闫虎君，郭伟成.特厚易燃煤层下分层综放面防灭火预测预报技术研究[J].内蒙古煤炭经济，2020，11（3）：117-118.
[2]邹德龙.综放工作面通过上分层隐蔽老火区防灭火技术实践[J].现代矿业，2018，13（2）：188-190.
[3]缪亚洲，万成，刘宗林.特厚自燃煤层下分层综放工作面开采防灭火技术研究与应用[J].内蒙古煤炭经济，2019，13（11）：92，127.
[4]张克斌.通风防灭火技术在煤矿中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2020，40（10）：212-213.
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