浅谈综放开采煤层自燃火灾及其防治

　　1 引言

    煤矿井下火灾分为内因火灾（煤自燃火灾）和外因火灾，内因火灾占井下火灾的70％，在自燃发火严重的矿区高达80％～90％。在我国，80％的煤层有自燃发火倾向。由于自燃火灾的隐藏性，常发生在难以进入的采空区或煤柱内，因此有的自燃持续几个月甚至数十年，烧毁大量的煤炭资源，并冻结了大量的开拓煤量；另外，在火灾发生过程中，会产生大量有毒有害气体，造成井下工作人员中毒死亡，给煤矿安全与生产造成极大的损失与危害。

    综合机械化放顶煤开采方法具有高的单面产量与效益，低成本与低的巷道掘进率，以及良好的作业环境等优点，在我国煤炭生产企业得到广泛的应用。是因为煤自燃性的存在，综放开采工作面煤层自燃火灾也时有发生。据统计，自采用综放开采以来，在综放工作面发生数百起不同程度的自燃火灾，严重地影响着煤炭企业正常的安全生产。由于综放开采工艺的特殊性，所发生的煤层自燃火灾也有其特殊性，为了减少或防止自燃火灾对综放开采工作面生产的影响，提高综放开采工作面的安全性，有必要对其进行单独地研究和分析。

　　2 综放开采自燃火灾的特点

　　2.1 煤层自燃的条件

    煤层自燃的煤氧复合学说理论已指明，煤层的自燃必须满足4个条件：

    （1）煤层具有自燃倾向并呈破碎堆积状态存在；

    （2）堆积状态的煤炭，可以通过各种方式得到自燃所必须的氧；

    （3）煤氧化产生的热量积蓄，使煤温度升高；

    （4）煤的氧化可以持续发并超过煤的自燃发火期。

    与其他的采煤方法相同，综放开采工作的煤层自燃也必须满足这4个条件，其中任何一个条件不具备都不会发生煤层自燃。这也是进行防灭火工作的依据。

　　2.2 综放开采自燃火灾的特点

    综放开采煤层自炮火灾具有其自己的特点，主要包括：

    （1）由于综放开采工作面的单面产量高，在综放开采工作面设计时，为了减少工作面的搬家次数，提高经济效益，工作面（长壁工作面）走向长度较大，目前已超过2000m。工作面的回采时间均超过煤层的最短自燃发火期，煤体在空气中的暴露时间较长。综放开采有着较大厚度的顶煤。受采动影响，顶煤承受较大的矿山压力，煤体比较破碎。

    （2）受各种条件的限制与约束，目前我国综放开采工作面顶煤的回收率较低，一般不超过80％，采空区遗煤较多。在矿山压力的作用下以及在放煤动作的影响下，采空区的遗煤呈破碎状态存在，为采空区自燃火灾的发生提供了条件。

    （3）为了保证综放工作面良好的工作与安全环境，综放开采一般采用支掩式支架与过渡支架。相对工作面，综放开采的采空区是一个封闭区域。此外，采空区遗煤的氧化带与自燃带一般在工作面30m之后，因而，综放开采采空区自燃火灾具有较强的隐藏性，不易发现。一旦在工作面发现异常时，采空区火热已经形成。

    （4）综放开采工作两端头的顶煤一般不作回收，导致两端头遗煤大量堆积。在没有相邻采空区时，综放工作面的漏风为采空区的小并联漏风。图1为综放开采采空区的漏风流场示意图。由此可以看出，综放工作面两端头是采空区漏风的源与汇，这两处的漏风均比较大。虽然，由于两端头的散热空间较大，不易形成端头自燃火灾，但大量的遗煤与适量的漏风成为综放开采工作面自燃火灾的一个隐患。

    图1 综放开采采空区漏风流场示意图

    （5）对于特厚煤层实行分层综放开采，或者上分层为综采，下分层为综放开采时，由于矿山压力的作用，顶煤破碎，列隙发育，在回采过程中，上部采空区漏风源多，漏风量大，并呈层流状态，有利于采空区遗煤的充分氧化与热量的积聚，成为煤层自燃火灾易发生地带。图2为下分层综放开采工作面漏风流场示意图。

    图2 分层开采综放工作面漏风流场示意图

　　2.3 综放开采工作面自燃火灾易发生地点

    对于一次采全厚综放开采工作面与特厚煤层分层开采综放工作面而言，虽然同为综合机械化放顶煤开采，但由于漏风源的不同及矿山压力的变化，二者易发生自燃火灾的地点及难易程度也不同：一次采全厚综放开采工作面易发生自燃火灾的地点依次为开切眼与停采线、运输顺槽（进风顺槽）、回风顺槽以及采空区。如图3所示；特厚煤层分层开采综放工作面易发生自燃火灾的地点依次为上分层采空区、运输顺槽（进风顺槽）、本层采空区、开切眼与停采线以及回风顺槽，如图4所示。

    图3 一次采全厚综放工作面自燃火灾易发生地点

    图4 分层开采综放工作面自燃火灾易发生地点

　　3 综放开采工作面自燃火灾的防治

    根据煤层自燃的煤氧复合学说理论，煤层自燃火灾的发生必须同时满足全部4个条件，缺少其中任何一个都不可能形成自燃。因此，综放开采工作面煤层自燃火灾的防治，就必须从消除煤层自燃火灾发生的必要条件着手。

　　3.1 合理的综放开采工艺

    在进行综放开采的过程中，综放开采工艺是否合理，在很大程度上影响着自燃火灾发生的可能必一，特别是综放开采采空自燃火灾的发生可能性。影响自燃火灾发生的综放开采工艺主要有以下几个方面：

    （1）综放开采的回收率。通过各种可能的方法提高综放开采工作面的回收率，特别是顶煤回收率，这种方法一方面减小煤炭资源的损失，另方面减少了综放开采工作面采空的遗煤量，从而降低自燃火灾发生的可能性。

    （2）综放开采工作面的推进度。采空区中，存在不自燃带、自燃带、窒熄带3个划分带。综放开采工作面向前推进的过程中工作面的推进速度越慢，自燃带的宽度越大，采空区煤层自燃的可能性越大。因此，在设计综放开采工作面的倾向长度（长壁工作面）时，必须根据煤层的自燃发火期和采煤设备的能力，保证在设计倾向长度下，综放开采工作面的推进度可以达到一定的值，缩短采空区自燃带的宽度，减小采空区煤层自燃火灾发生的可能性。

    （3）对于易自燃煤层，尽可能一次采全厚。而不作分层综放开采。对于易自燃的煤层，采采用分层综放开采（或分层开采），当进行下分层开采时，上分层采空区的漏风源较多（如图2所示），极易发生煤层自燃火灾。若发生自燃火灾，由于火区位于现彩工作面的上部，也会给火灾的治理工作造成困难。因此，在条件许可时，易自燃煤层尽可能一次采全厚。

　　3.2 其他自燃火灾防治措施

    除在综放开采工艺上采取预防措施外，还有一些可行的防治措施，这些方法对煤层自燃火灾可以达到“标本兼治”，常用的防治措施有4种：

    （1）预防性灌浆。将水、浆材按适当的比例混合，制成一定浓度的浆液，输送到可能 发生自燃的地区，充填于浮煤缝隙之间，包裹浮煤，隔煤氧的接触，防止了氧化，同时增加煤的外在水分，抑制了煤自热氧化的发展，也利于已自热的煤体散热，来防止自燃火灾的发生。预防性灌浆是一项传统措施，但也是一种使用比较成功、稳定性好的措施。

    （2）注氮防灭火。通过向相对封闭的火区（如采空区）连续不断地注入大量的高浓度氮气（大于90％）后，氧含量减少，氮气部分地代替氧而进入煤体由原始水分增加所形成的裂缝，抑制和缓解遗煤氧化自燃的速度。另外，注入氮气后，提高了气体静压，降低了漏入采空区的风量，并且氮气在流经煤体时，吸收煤氧化产生的热量，可以减缓煤温升的速度和降低周围介质的温度，使之自然氧化抑制或停止。

    （3）凝胶防灭火。由于凝胶材料具有固水性、吸热降温性、密封堵漏性和阻化性，因此，通过向煤体裂隙或冒落区中注入凝胶材料，可以降低漏入煤体或冒落区的风量，并吸收煤体氧化产生的热量，从而减缓煤氧化自燃的速度，使已自燃氧化所煤体在缺氧环境下停止氧化。

    （4）阻化剂防火。阻化剂防火是将具有很强吸湿性的有机盐类附着在煤体表面，通过有机盐类吸收空气中的水分，在煤体表面形成一层液膜，阻隔煤气接触，从而起到预防煤体氧化自燃发生的作用。

    以上4种方法中：预防性灌浆和注氮防灭火适用 用于综放开采采空区自燃火灾的预防和治理；凝胶防灭火适用于两顺槽漏风区及冒落区、停采线支架架顶以及架后松散煤体封堵，来防止漏风；阻化剂防火适用于开切眼和槽壁煤体自燃顶防。与改进综放开工艺预防自燃火灾相比，以上4种自燃火灾的治理（预防）措施成本较高，并且多为自燃火灾治理措施；而改进综放开采工艺在提高综放工作面回采率及工程质量的同时，不需额外的投资，起到预防自燃火灾发生的作用，对已产生的自燃火灾也有灭火效果。因此，在条件允许时，尽可能采用改进综放开采工艺方法，这些方法是“标本兼治”，经济而有效的自燃火灾的预防（治理）措施。

　　4 结束语

    综放开采自燃火灾的预防与治理是一项艰巨而又复杂的系统工程，在开采过程中，必须根据矿井的实际条件（煤的自燃倾向性、地质因素、通风环境等）制定具体的预防与治理措施，尽可能采用改进综放开采工艺，减少自燃火灾预防与治理成本。

    对于其他4种综放开采自燃火灾预防（治理）措施，有必要作进一步地研究与开发，例如：预防性灌浆时是否可以采用别的材料代替黄土，降低对地表的破坏；对于注氮防火措施，进一步研究氮气在采空区的运移规律，特别是倾向长度大的长壁综放开采工作面（大于200m）；阻化剂防火措施中，解决不同变质程度和成份的煤进行阻化剂的选择问题。总之，要因地制宜，根据实际情况采用，在使用中改进和完善。