空间立体防灭火技术论文

1、“空间立体化”定向防灭火技术作者：高法民王开德作者单位：肥城矿业集团有限责任公司煤炭自燃火灾是煤矿五大自燃灾害之一，煤炭自燃火灾对煤矿安全生产有着非常严重的影响，主要危害主以下几个方面：（1）烧毁设备、支架、煤炭、巷道，造成冒顶事故；（2）引起外因火灾、引起瓦斯煤尘爆炸事故，带来灾难性的事故；（3）产生大量的有毒、有害气体，造成人员中毒或窒息死亡；（4）封闭火区，冻结可采储量，影响矿井正常生产。预防和控制煤炭自燃一直是煤矿安全管理的一个重中之重的任务，也一直是一通三防工程技术人员不懈的努力。一、肥城矿区煤炭自燃发火概况：肥矿集团权属6对生产矿井，负有安全主管责任的破产改制矿井4对，其中老区肥城

2、煤田有6对生产矿井（破产改制4对），鲁西南有4对生产矿井。肥矿集团老区各矿陆续于1958年建井并投产。矿区共有煤层16层，其中可采煤层810层。除3层煤为厚煤层外，其它均为薄及中厚煤层。开采煤层中2、3、9、10层煤具有自燃发火倾向，发火倾向性类型为类，发火期为612个月，梁宝寺自燃发火期为36个月。六个开采发火煤层的矿井中，有四个曾发生过发火事故， 肥城矿区老区从70年开始陆续出现发火事故，历史上出现发火及发火隐患57次，封闭采煤工作面11个，影响产量21万吨，封闭巷道4736m，丢失金属支柱、棚梁2383棵。二、肥城矿区自燃发火的规律与特点：矿井煤炭自燃发火的要素：一是开采煤层有自燃倾向性

3、，二是有连续的供氧条件，三是热量能够蓄积。第一个要素是由煤层形成和存在的自燃条件决定，后两个要素与开采技术条件和管理水平密切相关。肥城矿区的2、3、9、10层煤均具有自燃发火倾向，具备发火的基本要素。3层煤为厚煤层开采，根据煤层厚度采取分层开采、放项煤开采或一次采全高的回采方式。分层开采3层煤的矿井，由于重复揭露和采动影响，为煤层氧化自燃提供了条件；放顶开采由于地质条件影响放煤不彻底、上下端头不能放顶煤，大量浮煤遗留在采空区，增大了自燃发火的隐患和管理的复杂性；9、10层煤属薄及中厚煤层，9层煤平均厚度1.2m，10层煤平均厚度1.7m，两个煤层虽是一次采全高的单一煤层，但由于两个煤层为近距离

4、煤层，层间距平均2m，存在着10层煤掘进和回采为九层煤已采区提供漏风氧化条件，九层煤采空区发火影响10层煤安全回采的突出矛盾。肥城矿区地质构造复杂，断层较多，由于煤层的完整性差，工作面布置和回采顺序不够规范；加之受煤层限制，采用高档普采工艺回采，煤层生产能力较低，同时生产的工作面个数多，构成了防灭火工作的种种不利因素。根据历史上自燃发火的案例归纳分析和日常防灭火工作经验总结，肥城矿区煤层自燃发火有以下几个主要特点：1、多煤层联合布置或分层开采，采区上下山布置在煤层中，是诱发自燃发火的重要因素。联合布置或分层开采的采区上下山布置在煤层中，采区上下山使用时间长，与工作面连接巷道多，上下山煤柱受重复

5、动压影响，极易破坏压酥，形成采区主要进回风巷与采空区之间的漏风通道。一是采区上下山通过煤柱与采空区“两道一线”之间的漏风；二是上下山两侧各煤层或分层立体交叉巷道与上下山之间形成漏风通道；三是由于煤柱的压酥破坏，工作面回采结束后封闭难度大，密闭压坏、周边漏风成为管理方面的一大难题；四是由于巷道破坏失修，通风阻力高，形成采空区两侧漏风压差，是采空区发火重要条件。类似条件发火的典型案例是查庄矿3400采区。2、厚煤层分层开采，各分层联合布置，工作面运输巷与岩石集中巷（或运输上下山）的共用溜煤小井是易发火地点或发火的主要诱因。主要原因一是回采工作面结束后，采空区予以封闭，溜煤小井上口封闭于采空区内，下

6、口位于主要运输巷，而运输巷一般为采区主要回风道，形成了采空区密闭和溜煤小井的漏风通道；二是回采结束后小井漏风处理困难，一般采用浮煤充填，不能完全隔绝漏风，同时具备了漏风供氧、可燃物和蓄热三个条件；三是溜煤小井靠近工作面停采线，往往由溜煤小井发火蔓延到停采线煤柱。3、近距离煤层（或分层）开采，巷道布置采用内错式，导致下层（下分层）工作面在上层（上分层）工作面采空区区段煤柱下掘进和回采，从掘进准备开始即形成了上层（上分层）煤柱漏风氧化条件，下层（下分层）工作面回采时，上层工作面采空区煤柱发生自燃发火。4、受地质构造影响，回采工作面沿走向分段回采时，其里、外面构造带煤柱处于采空区内，下层（下分层）工

7、作面准备和回采时，形成了上层工作面采空区煤柱的漏风系统，最易形成自燃发火。类似情况发生的自燃发火事故，由于发火位置处于生产工作面的上方，直接威胁生产安全，又处理难度大，经常导致工作面搬家改造。5、发火煤层采区顶部或底部工作面，其工作面顺槽通过贯眼与采区（或矿井）主要进回风巷相连，或保留回采巷道作为采区（或矿井）主要进回风巷，也是采空区发火的一个重要因素。分析原因一是回采工作面区段煤柱尺寸较小，易受动压破坏；二是联络巷道较多，容易形成漏风通道；三是类似巷道断面较小，风量通过能力低，巷道通风阻力大。以上三种情况往往导致采空区间形成较大压差，漏风通道封堵困难，引起自燃发火。6、通风设施设置位置不合理

8、，形成采空区范围内的局部通风阻力，也是矿井自燃发火的一个重要原因。如在采区上下山等主要进回风巷中间设置调节风门；分层或近距离煤层开采，位于采空区下的巷道中设置风门或调节风门等，造成采空区间形成较大压差，构成矿井自燃发火的条件。7、采空区封闭设施质量差或检查维护不及时，密闭漏风引起发火。多数发火事故原因之一就是采空区封闭出现漏洞，或密闭掏槽不到位、墙体厚度不够；或密闭砌筑位置不当；或密闭压坏不能及时发现维修等原因，构成发火条件。特别是个别矿井采空区防火密闭采用墙外墙方式，即在采空区密闭以外巷道口处再砌一道墙，既掩盖了采空区密闭的质量问题，又不能及时检查和发现防灭火方面出现的苗头，往往是引起发火或

9、延误处理发火时机的根源。8、矿井通风阻力高，阻力分布比较集中，特别是生产采区巷道失修，影响有效通风断面，产生局部通风阻力的情况，易形成自燃发火的条件。肥城矿区发火期较长，采空区发火影响作业区是一个明显特点。而采空区发火的主要诱因是进回风端的压差。因此，调整和优化矿井通风系统，降低和控制通风压力是肥城矿区防火的重要先决条件。9、因受生产条件的影响和制约，回采顺序和回采时间安排也是矿井自燃发火问题的一个原因。如九、十层煤的开采时，工作面方出后需要先行开展防治水工作，特别是九层煤采空区下的十层工作面，在防治水工作期间，为九层工作面采空区发火提供了良好条件。一是时间上达到了发火期，二是十层工作面的形成

10、为九层采空区构成了漏风供氧系统。在回采顺序方面，采区回采结束后，露头煤柱或孤岛煤柱回收，都是容易发火的作业地点。10、梁宝寺厚煤层自燃发火特点：（1）综放工作面开切眼、停采线易发火综放工作面开切眼断面大，受矿压影响易压裂破碎，存在漏风供氧；综采设备安装时供风量小，风流温度较高；安装时间较长，初期工作面推进速度一般相对较慢，开切眼松散煤体氧化升温时间长，煤体温度较高。停采前30m左右。工作面不再放顶煤，采空区遗煤太厚；停采后不能及时撤面、封闭，而导致自燃危险性增加。因此，开切眼、停采线附近采空区易发生自燃火灾。（2）回采期间采空区“两道”易发火综采放顶煤开采一般情况下相对以往的炮采、普采推进速度

11、较快，但比一般的综采面推进速度慢。从采空区浮煤分布情况看，由于端头支架处不能放顶煤，留有大量遗煤。而“两道”（运输道、回风道）顺槽顶板的煤已经过长时间的氧化蓄热升温，进入采空区后，“两道”的遗煤氧化产热加快，温度升高，使得自燃发火期大为缩短，因此、即使在较快的推进速度下也有可能发生采空区遗煤自燃。（3）因村庄压煤，工作面条带式开采，形成“孤岛”面易发火由于“孤岛”面上下均为采空区，受多次采动影响，靠老采空区侧的煤体会变得松软、破碎、裂隙增多，使得掘进期间老采空区浮煤自燃发火危险性增大；在回采期间，工作面上下端头矿山压力可能会很大，必然会影响工作面的推进速度，增加采空区浮煤自燃的危险性。（4）采

12、空区自燃高温范围大。综放工作面采空区遗留大量浮煤，煤的氧化作用使热量逐渐积聚，一旦自燃，采空区共蓄存了大量的热能，造成周围煤（岩）体的温度亦相当高，因此，采空区高温范围大。（5）放顶煤工作面煤层出现分岔,上部煤层放不出来，大量浮煤遗留在采空区同，是诱导自燃火灾的重要因素。（6）采空区高温点隐蔽。煤体自燃产生的烟流顺着风流流动，高温火点逆着风流流动，而采空区为开放式漏风，其漏风分布及规律极其复杂，因此，很难判断采空区高温区域。（7）采空区自燃火灾灭火难度大。综放工作面采空区漏风范围大，火源隐蔽，而且因工作面作业空间的影响，目前治理采空区火灾比较困难。三、“空间立体化”防灭火技术通过以上对矿区煤层

13、自燃发火特点与规律的分析，结合多年来防灭火工作的经验，特别是近几年对梁宝寺煤矿厚煤层开采自燃发火规律的研究，我们探索了一套行之有效的防灭火技术，即“空间立体化”防灭火技术，主要内容包括：“一钻”（高位钻）、“五注”（注浆、注氮、注高分子、注二氧化碳、注三相泡沫）、“一喷”喷洒阻化剂、“一挡”（挡火墙）的空间立体化防火技术措施。高位钻孔防灭火技术：高位钻孔防灭火技术具体的说是一种针对防治采空区浮煤自燃的高位钻孔注浆灭火技术。高位钻孔的施工位置选择在距离工作面采空区自燃危险区域较近的上下顺槽内，确保钻孔终端始终位于自燃危险区域上部煤层顶板中，一组几个钻孔，呈扇形排列，随工作面推进每20米距离钻下一

14、组钻孔，每组钻孔数量可根据采空区自燃危险区域大小灵活选择，钻孔施工完毕后对孔口进行封孔；当钻孔终孔位置与采空区连通后可向钻孔内注浆，由于钻孔终孔位置位于采空区遗煤之上的煤层顶板处，通过高位钻孔注浆可以使黄泥浆液自上而下对采空区遗煤进行立体覆盖，大大提高注浆效率。采用本方法可以有效控制自燃危险区域范围，降低危险区域温度，使有害气体浓度降低，控制灾情，消除采空区自燃隐患。该技术尤其适于了老区十层煤回采时，对九层采空区煤柱高温点进行注浆，预防九层煤柱自燃。同时适用于综放工作面停采撤面期间。二氧化碳惰性防灭火技术：该技术利用液态的二氧化碳转换成520气态二氧化碳通过注浆管路用于采空区灭火，减少氧含量，

15、降低燃烧速度和燃烧火势，以达到灭火或减少爆炸危险性。气态CO2防治煤层自燃发火转换设备的出口气体温度低，在520之间，到达释放地点可继续升华能吸收释放地点的热量，降低其温度。气体比重大，沉积在底部形成隔离层，能有效的隔离煤体的氧气形成致密保护层和堆积层使火源熄灭或阻止其进一步氧化。提高了防灭火治理的装备水平，能够更加有效的杜绝自燃发火事故的发生，确保安全生产。该技术适用于仰斜开采的综采工作面。三相泡沫防灭火技术：该技术是中国矿业大学研发的一种新型防灭火技术。我公司在梁宝寺矿井下首个孤岛采煤面3206工作面的开采过程中，通过使用三相泡沫防灭火技术成功确保了工作面的安全生产。通过对工作面分析，划分

16、出了动态自燃危险区域与静态自燃危险区域。通过向已有煤柱施工钻孔，并向钻孔中灌注三相泡沫，提前湿润邻近采空区浮煤，预防邻近采空区自燃氧化。邻近采空区是多空介质，因此一般的泥浆类防灭火材料难以在采空区中很好的覆盖湿润浮煤，因此，可以选择在钻孔中预注加有黄泥浆的三相泡沫，由于三相泡沫的发泡倍数高，并且在多孔介质中具有很好的流动扩散性和堆积性，因此，可以大范围的覆盖湿润邻近采空区浮煤。当停止注三相泡沫时，要及对钻孔进行封堵，防止增加采空区的漏风。注氮技术：制氮原理，矿井防灭火中所用的氮气，是通过对空气中的气体进行分离而制取的。对空气进行分离制取氮气的方法有三种：深冷空分、变压吸附、膜分离法。我公司梁宝

17、寺矿制氮设备采用的是变压吸附法，其基本原理是：通过碳分子筛对氧气加压吸附排氮，减压脱附排氧，从而将氮、氧分离。注氮防灭火机理：氮气是无色、无味、无臭的惰性气体，相对于空气的密度为0.97，微容入水，无毒、不助燃。地面大气中氮气约占整个空气体积含量的79%，因此，由制氮装置通过管路系统，将一定压力的氮气注入采空区内，可以置换采空区内的氧气，使其失去氧化燃烧的条件，从而达到防灭火的目的。其机理是：（1）稀释和冲淡采空区中的氧气浓度，使氧气含量不足而熄灭或不能氧化自燃；（2）在内瓦斯和火灾气体爆炸危险的区域内，注入氮气使可燃性气体失去爆炸性；（3）使采空区或火区呈正压状态，阻止新鲜空气漏入。该技术适

18、用于俯斜开采的综采工作面。高分子材料防灭火技术：高分子材料在矿井防灭火方面的应用主要是堵漏技术，当工作面回撤时，可以用高分子材料，把支架间的空隙进行封堵，以减少向采空区漏风供氧，该技术适用于工作面停采回撤期间，及工作面出现高温后。阻化剂技术：喷洒阻化剂防灭火技术，就是利用阻化剂能够延缓煤层氧化有机理，在工作面安装、回撤和生产过程中，对回采工作面周围暴露在空气的煤层喷洒阻化剂，以延缓煤层的氧化；该技术也可用于采空区灌浆，在泥浆中加入一定比例的阻化剂，以可延缓采空区浮煤的氧化。该项技术适用于工作面开切眼、搬家撤面、遇断层推采速度慢时。喷洒阻化剂防灭火工艺图：挡火墙技术：挡火墙技术就是沿工作面上下顺槽在采空区侧每隔1020m砌筑一道挡火墙，以阻挡和减少风流进入采空区，减少采空区的供氧量。挡火墙的材料多种多样，可以用砖砌筑，可以用高分子材料喷涂，可以用塑料编制袋装沙子堆砌、也可装碎矸石、还可用碎煤加阻化剂等。该项技术适用于工作面回采期间。四、应用效果根据矿区自燃发火规律和特点的分析，因地制宜地实施“空间立体化”防灭火技术，可以是一项技术，也可以是多项技术的结合，通过多年来的现场实践和逐步完善，形成了一套适合肥城矿区实际的防灭火技术途径和系列防灭火措施。通过实施“空间立体化”防灭火技术全集团公司杜绝了煤