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摘要：由于煤矿地质构造的复杂性，煤矿回采过程中容易引发工作面自燃风险，直接威胁矿工的生命安全。本文以张双楼矿21914工作面为例，工作面因断层及不规则的地质构造，工作面在推采过后，采空区会产生大量遗煤，极易引发自燃隐患。基于此，本文通过对21914工作面自燃原因进行分析，提出了相应的防灭火技术措施，以确保煤矿开采的安全性和稳定性。

关键词：煤矿工作面；采空区；自燃隐患；防治措施

引言

在煤矿开采中，采空区自燃问题是煤矿安全生产的主要隐患之一，如果不能够进行自燃预防和及时处理将对矿井生产造成重大的经济损失。目前煤矿工作面防灭火技术方法与材料较多，如何采取科学有效的防治措施，预防工作面发生自燃发火的风险是目前煤矿生产研究的重点课题。因此，各矿技术人员需要结合煤矿工作面的实际条件与发火原因，采取针对性的防火措施，才能够确保煤矿的安全高效生产。

1.工作面概况

21914工作面位于-750m水平21采区，东起工广保护煤柱，西距10号勘探线约160m，南临21906、21912工作面采空区，北部为9煤未采区。工作面上覆21712、21722、21724工作面采空区。工作面中部上覆21采区9煤上山、21采区9煤回风上山、21采区西部皮带上山、21采区西部轨道上山下车场及21采区西部水仓泵房变电所等老硐，揭发距均大于30m。与上覆7煤采空区揭发间距约1.5m～38m。自切眼向外，约550m处，工作面过7、9煤合成区，平均宽度88m。工作面两道托顶煤自切眼向外，长度约560m，平均煤厚3～6m。

根据工作面两道揭露情况及钻孔资料，7、9煤层间距呈由西向东逐渐减小的趋势，工作面东部7、9煤合层，合层区呈椭圆形，长轴长约520m，短轴长约230m，合层区内煤层总厚度约11m，上部已采完，回收。工作面切眼附近发育伪顶及夹矸发育期区，伪顶岩性为泥岩与碳质泥岩互层，预计影响工作面走向长度约70m。

21914工作面总体为倾向NNW的向斜构造，地层倾角为16～25°，平均20°，煤层平均厚度3.9m，工作面东部过两个火成岩发育区，火成岩发育区Ⅰ位于外切眼附近，呈NE走向，影响工作面走向长度约100m，倾向长度约60m，厚度平均约1.5m；火成岩发育区Ⅱ位于设计停采线附近，呈NE走向，影响工作面走向长度约70m，倾向长度约230m，厚度平均约1.5m。根据两道掘进期间揭露情况及工作面物探情况，工作面回采过程中预计揭露9条正断层。煤质黑色，金属光泽～油脂光泽，条带结构，局部见丝炭物质组成的线理结构。条痕黑褐色，内生节理发育，性脆，硬度2～3。工业牌号为气煤。21914工作面煤层具有自燃倾向性，为Ⅱ类自燃煤层，自然发火期为50天。

2.工作面自燃隐患分析

如图1所示，21914工作面东部为7、9煤合层区，从工作面中部一直延伸到工作面设计停采线位置附近，合层区煤层总厚约11m，工作面托顶煤长度约560m，平均煤厚3～6m。工作面推采过后，采空区将留有大量遗煤，受矿压等影响，煤易松散破碎，且工作面内还存在两处火成岩侵入区以及多处断层影响。工作面在推采过合层区以及过火成岩侵入区、断层期间，采空区大范围遗煤存在氧化自燃风险。

3.综合治理方案

3.1 初采期防治

（1）喷洒阻化剂

工作面初采期间由于推进速度慢，工作面采空区如有遗煤存在自燃风险，对遗煤区域喷涂、注阻化剂。

（2）隅角悬挂风障

工作面隅角必须悬挂风障，风障与顶、底板及巷帮接严，采空区未完全冒落前，通面吊挂风障，风障吊挂要求：吊挂要严密，上贴顶，下贴底，上帮与帮贴实，两块风障上下压茬要求顺压，压茬不少于200mm，并用铁丝扎紧缝严，以防止风流向采空区扩散，确保工作面风速不小于1m/s。严格按规定进行测风，并根据实际调整风量大小，发现风量不足时立即停产处理。

（3）采空区注泥浆

利用工作面上隅角预埋注浆管路，每推进20m沿材料道上帮向采空区预埋4吋铁管，采用迈步式埋管进行注浆。

3.2 过7、9煤合成区前防治

工作面过7、9煤合成区前揭露9条断层，托顶煤回采期间采空区将会有大量遗煤存在自燃风险，采取如下措施。

（1）上下隅角封堵漏风

工作面在推采过程中，根据上下隅角垮落情况，为防止采空区漏风，可每推进20m在两隅角架后位置施工袋子墙，袋子墙应尽量靠帮、接顶严实，施工好后根据封堵情况，可通过打钻或插管的形式向袋子墙后压注充填型泡沫凝胶材料（普瑞特防灭火材料JTF-Ⅱ）。加强封堵效果，隅角充填根据实际施工条件确定是否施工。

普瑞特防灭火材料（JTF-Ⅱ）用量估算：工作面进回风顺槽充填封堵一次长约5m，每次封堵的长度5m的治理空间，可简化为一个长×宽×高=5m×4.6m×3.5m的长方体空间，其破碎空间内充填普瑞特Ⅱ防灭火材料。

总空间体积：V总=2×5×4.6×3.5=161m3

充填体积：V充填=V总×f=161×0.4=64.4m3

其中f为孔隙率，取0.4

材料使用量：T=V充填÷n×k =64.4÷10×1.1≈7t，其中n为发泡倍数10，k为用量系数1.1随着工作面推进，根据工作面构造分布预计共需充填5次，单次充填7吨，合计所需用量35吨。

（2）采空区预埋管灌浆

工作面推采进入合层区前，遇构造托顶煤回采期间采空区将存在大量遗煤，采空区温度偏高有利于内部煤体的氧化蓄热，自燃隐患较大，故建议对采空区进行灌浆覆盖，降温冷却，抑制遗煤氧化升温。

根据工作面特点，预埋管灌浆材料可选择易克特泥浆专用发泡剂（FJP-II）。利用黄泥灌浆系统，添加易克特化学自发泡发泡剂，对采空区中高位遗煤进行充填覆盖。通过添加化学发泡剂使黄泥浆形成泡沫+凝胶状态。泡沫的作用是提高了黄泥浆的扩散堆积能力，达到向高位浮煤堆积覆盖的作用。凝胶的作用是增加黄泥浆粘稠度，把黄泥浆内的水以固态凝胶形式锁住，形成黄泥凝胶覆盖层，包裹采空区氧化遗煤，实现采空区高位遗煤的大面积覆盖降温。

由于工作面倾角较大（平均20°），防灭火材料可通过上巷隅角埋管灌注，沿工作面倾向流动、扩散，对工作面架后采空区遗煤进行大范围覆盖、堆积。故工作面按每推进20m沿材料道煤柱侧向采空区预埋一趟φ108注浆管，采用迈步式埋管，通过预埋管向采空区灌注防灭火材料进行遗煤覆盖、隔氧冷却。

易克特泥浆专用发泡剂（FJP-II）用量估算：采空区充填空间范围，简化为一个长215m、倾向40m，注浆高度3.5m的长方体。

总体积：V总=215×40×3.5=30100m3

充填体积：V充填=V总×f=30100×0.3=9030m3

其中f为孔隙率，取0.3

使用量：T=V充填÷n÷m×r×k=9030÷7÷1.3×0.05×1.1≈54吨

其中，n为发泡倍数，取7倍；m为水：黄泥比为1m³：1m³时，两者混合后黄泥浆体积约为1.3m³；r为发泡剂添加比，取5%；k为用量系数，取1.1。

3.3过7、9煤合成区期间防治

21914工作面东部为7、9煤合层区，从工作面中部一直延伸到工作面设计停采线位置附近，合层区煤层总厚约11m，工作面托顶煤长度约560m，平均宽度88m，平均煤厚3～6m。工作面过7、9煤合层区期间，采空区将留有大量遗煤。

（1）加强气体及温度检测

气体检测应人工及束管色谱分析结合，气体检测应包括隅角及工作面架间、架后。气体及温度检测数据应归纳形成变化趋势图表，预测预报煤氧化自燃状态，如发现异常，及时采取治理措施。

架间气体建议按每隔10架布置一个人工检测点，每周进行固定检测，回风隅角及采空区气体则采用束管远程监测系统每天进行实时检测；温度检测建议重点针对工作面中部至下巷区域架间、架后测温，持续关注采空区温度变化。

（2）采空区“三带”测试

21914工作面采空区进入7、9煤合层区域后煤自燃隐患较大，需加强煤自燃防治工作，故本工作面的“三带”测试选择在合层区域以后的采空区范围，“三带”测试在工作面推采进入7、9煤合层区域50m后开始实施，为了顺利进行观测提前制定“三带”测试方案。

方案以氧气浓度指标作为划分21914工作面采空区的“三带”分布的依据。最终根据现场测定工作面采空区遗煤“三带”的范围和数值模拟工作面采空区遗煤“三带”的分布范围，确定工作面的安全回采速度。

①仪器设备选择

根据矿方实际情况，可选择采用井下束管抽气泵现场抽气结合地面色谱分析，或者选择采用工作面束管远程在线监测系统直接进行抽气取样及气体分析。

②测点布置

为确保“三带”测试能较好反应工作面全长采空区气体变化情况，考虑到工作面采空区倾向方向无法埋管，故21914综采工作面测试束管的布置方式为沿溜子道和材料道靠帮布置束管，对束管加装保护套管，做好保护措施。测定范围为工作面走向200m，束管每隔30m设一个测点，保持材料道及溜子道采空区内部各3个测点，两边同时观测，待氧气浓度降至5%及以下，即可停止观测。设置位置如图2所示。

铺设方法：采用2寸无缝钢管（每根4m或根据矿方实际情况选取）作为保护套管沿两道分别铺设200m，钢管两端焊接快速接头或法兰，每隔30m留设采样器三通，将三芯束管（或单芯三根）穿入套管内，每隔30m留出一个束管采样头，套管之间连接牢固，采样器探头部位用块煤或道木保护。

③测试线路保护

为了防止束管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要为束管设置保护套管。套管沿两道铺设好后，再将束管穿入保护套管内，套管之间用快速接头或法兰连接牢固。另外，为防止下巷溜子道采空区内积水及黄泥浆液堵死束管取气口，可将束管及保护套管悬挂于靠煤帮顶部位置捆绑牢固。

④管路铺设步骤及要求

1）进行保护钢管及采样头保护三通的铺设，钢管铺设从两道靠帮同时进行，在铺设的过程中不进行管路的连接，管路应紧靠煤帮；

2）保护钢管铺设完毕后，将束管穿入保护钢管；

3）在测点位置抽出一根束管，进行测点探头的安装；

4）测点安装到位后进行保护钢管的连接，在连接钢管的过程中注意对束管的保护；

5）测试管路铺设完毕后，进行连接抽气泵进行抽气测试，确保正常使用；

6）在穿管过程中，防止束管线铺设过程中受到障碍物等刮、擦，以及拽拉等破坏束管线的气密性。

⑤数据收集

数据的采集工作是在测点安装完毕后随工作面推进开始，测试周期为工作面推进200m，每天记录好测点气体数据及距工作面的距离，得出了现场采空区气体成分数据

（3）预埋管路灌注氮气、二氧化碳

工作面过煤层合层区期间，在进风隅角铺设注氮气、二氧化碳的管路。铺设的四寸铁管伸入采空区内，惰性气体出口距工作面隅角15～25m。采用迈步式埋管，迈步间距为20m，采空区预埋最深位置大于60m，注氮管路吊挂在巷帮距底板不小于300mm。

（4）上下隅角封堵漏风

工作面在推采过7、9煤合层区期间，根据上下隅角垮落情况，为防止采空区漏风，每推进20m在两隅角架后位置施工袋子墙，袋子墙应尽量靠帮、接顶严实，施工好后根据封堵情况，可通过打钻或插管的形式向袋子墙后压注充填型泡沫凝胶材料（普瑞特防灭火材料JTF-Ⅱ）。

（5）预埋管灌浆降温冷却

工作面推采进入合层区后，采空区将存在大量遗煤，采空区温度偏高有利于内部煤体的氧化蓄热，自燃隐患较大，故建议在工作面进入合层区后持续对采空区进行灌注黄泥浆+易克特泥浆专用发泡剂（FJP-II）降温冷却，抑制遗煤氧化升温。

黄泥浆+易克特泥浆专用发泡剂可通过上巷隅角埋管灌注，沿工作面倾向流动、扩散，对工作面架后采空区遗煤进行大范围覆盖、堆积。工作面每推进20m沿材料道煤柱侧向采空区预埋一趟φ108注浆管，采用迈步式埋管，通过预埋管向采空区灌注防灭火材料进行遗煤覆盖、隔氧冷却。

结束语

综上所述，煤矿工作面防灭火工作是一项复杂而庞大的系统工程，为了确保煤矿工作面的安全高效生产，防止采空区自燃发火的风险，需要煤矿在生产过程中不断地实践与探索新技术新材料，同时总结实践经验，便于更好地采取针对性的综合防灭火措施，要不断地除旧立新，推出更好地综合防灭火措施，进而有效防止煤炭自燃的发生，确保煤矿生产的安全。

参考文献：

[1]史张卿.煤矿综采工作面综合防灭火技术的应用研究[J].中国石油和化工标准与质量，2020，40（09）：234-235.

[2]陈庆鸿，陆长杰.“孤岛”综放工作面防灭火技术研究与应用[J].山东煤炭科技，2016，（08）：86-88+92.

[3]常沛. 煤矿综采工作面均压通风防灭火技术分析[J]. 山西化工，2023，43（7）：130-131，136.

[4]王清彦，林立堂，王山峰. 煤矿综采工作面均压通风防灭火技术研究[J]. 内蒙古煤炭经济，2023（16）：76-78.