0 引言

煤炭作为我国的主体能源，长期以来为我国经济和社会发展做出了十分突出的贡献^[1]。但在煤炭开采过程中，部分矿井采空区煤炭自燃现象影响着矿井安全高效开采。近距离煤层开采采空区自燃现象更加明显，主要是由于上下煤层间距较小，开采时易受采动影响^[2]，采空区容易形成漏风通道，供氧充足，引起遗煤自燃。海则庙煤矿所开采的煤层为近距离易自燃煤层，主采的8号煤层上部7号煤层有老采空区，两层煤间距3.85m，7号煤层老采空区存在自燃现象，为保证8号煤层的安全开采，需对7号煤层老采空区煤层自燃情况分析，提出针对性的火灾治理技术措施。

1 工程背景

海则庙煤矿位于陕西省榆林市府谷县海则庙乡，井田构造简单，整体为一倾向北西，倾角3°～8°的单斜地层，地层产状总体较平缓。矿井水文地质类型为复杂性，低瓦斯矿井，各煤层均为易自燃煤层，矿井地温正常。含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，各煤层赋存较稳定，全区及局部可采煤层共计10层，主采煤层为8号和9号煤层，7号煤层距8号煤层平均间距3.85m,8号煤层距9号煤层平均间距17.54m。

目前开采8号煤层的8107工作面，该工作面推进长度 899m，切眼倾向长度170m，煤层平均厚度3.16m。煤层倾角 3～8°。煤层普氏硬度系数 f=1.59。煤层吸氧量（V_d）为0.72cm³/g。煤层顶板为7号煤层底板，岩性为泥岩和粉砂岩互层。该工作面采用走向长壁综合机械化开采，全部垮落法处理顶板，工作面支架共118架。

8107工作面上部7号煤层开采时间久远，采用房柱式炮采方法及工艺，顶板不垮落。采空区面积约1.01km²。煤层平均厚度1.6m。

矿井开采8105工作面时，工作面回风巷上隅角CO及CH4出现多次反复异常增大现象，CO最大值为1386ppm，CH4最大值为3.3%，异常点集中出现在95号支架和118号支架之间，附近煤体温度，13～16℃之间，未发现高温点及火灾气味。

为了确保8107工作面的安全开采，需要确定可能影响该工作面的7#煤采空区高温发火区范围，需要开展火区范围测定，以便与采取有针对性超前的防控措施。

2 原因分析

通过地面勘查发现: 地面孙庄村附近原封闭的小煤窑井口因大雨冲刷及岩体风化导致密闭墙上部出现孔洞及裂隙，有明显风流进入7号煤层采空区，造成漏风。8105工作面地表受采动影响出现塌陷裂隙存在漏风。孙庄村、青杨树湾村附近从清朝末期已经进行开采活动，开采活动持续时间长。青杨树湾村附近的煤层露头区域存在自燃发火现象（具体发火时间不详），发火区域距8105工作面切眼约370m左右，目前仍在燃烧。初步判断CO的来源是原7号煤采空区内煤炭氧化或自燃发火产生，由于8105工作面采空区顶板垮落导通的7号煤层采空区形成的漏风通道进入8105工作面采空区经后异常涌出。

3 同位素氡元素探测火区范围

3.1探测仪器及原理

探测仪器主要有CD-1α杯测氡仪、α探杯和全球定位系统（GPS）。

图1 CD-1α杯测氡仪  图2 α探杯    图3 GPs 

探测原理就是利用岩层中氡元素浓度变化的差异，确定火区范围。

3.2 探测工艺及范围

在地面选取测场基准点，基准点一般为三个点，并成垂直方向布置，然后在此区域进行测点布置，形状为长方形、正方形或不规则方格网，在测量过程中根据测量情况延伸。精度取为10×10m，每一测点预先编号，测点布置中基准点的选取必须精确。

用高吸附材料制成α探测杯收集氡元素，收集面积为12×8cm²，在每个编号的测点上挖宽30cm左右，深40～50cm左右的坑，将杯口朝下放入，上面用塑料布覆盖，然后用土掩埋，并记下点号、时间。测杯埋设6h后取出，置入CD-1α杯探测仪测量，测量定时1min，记下读数，重复测量3次，对异常点进行复测。

图4 测杯埋设示意图

探测范围共分为三个区域，探测区域I，主要位于工作面开切眼附近，即8017工作面切眼沿走向60m，倾向230m区域，探明该工作面内是否存在温度异常。探测区域II，主要位于工作面回风巷靠近开切眼附近，8107工作面回风巷243m，走向230m，倾向60m区域，探明回风巷是否存在温度异常。探测区域III主要位于工作面回风巷中部，8107带式输送机巷东西各30m，走向300m区域，探明采空区内是否存在高温点以及对8017回风巷之间的影响。

3.3 探测结果

探测区域I共设置测点154个，探测区域Ⅱ共设置测点175个，探测区域III共设置测点217个，探测区覆盖面积0.046km²

对测量结果采用数据分析软件分析三个区域氡气浓度的差异。

图5 井下高温异常区域平面图

图5 高温异常区域三维图

图中可以看出，在三个探测区域内，II号区域整体氡值最高，可能存在大面积温度异常，其次是I号区域、III号区域。 

经过对三个探测区域的氡值测量，并对测得的异常区域进行验证，发现了四处高温异常区域，高温异常区域总面积约为2100m²，影响区域范围约4000㎡。

4 采空区火灾治理技术

4.1工作面重点危险区域的划分

根据火区探测结果，确定了四个重点防控区域，区域1，8107工作面回风巷距离切眼约80m至200m纵深范围，面积约90m²；区域2，8107工作面回风巷距切眼约230m至280m纵深范围，区域面积约68m²；区域3，8107工作面回风巷距切眼约300m至380m纵深范围，面积约80m²；区域4，8107工作面回风巷距切眼约450m至550m纵深范围，面积约90m²。

4.2工作面自燃危险区域的监测

对4个重点危险区域进行CO、O₂、CO₂、CH₄浓度和T（温度）等项的监测，主要采用人工检测、安全监测和人工采样分析相结合的方法对工作面煤层发火情况进行监测，各种检测应遵循“三定”原则，即定点、定时，定人，以便于分析的准确。

为准确预报采空区遗煤自燃危险程度、发火期和发火区域，从8107工作面开采通过切眼处埋设束管，布设观测点，分析工作面采空区自燃三带情况，确定采空区的自燃氧化升温带。

4.3防灭火技术

目前最常用的防灭火方法主要有：堵漏技术、均压技术、注水和灌浆技术、惰化技术、阻化剂技术、胶体技术三相泡沫技术^[3～5]等，这些技术都有不同的特点，适用于各类不同的环境，都是集中体现在了“降温、堵漏、阻化”的性能上^[6]。

为了能够有效控制7号煤层采空区自燃影响，采用井下移动式注胶设备对四个重点区域进行注胶体预处理，注胶材料选用水玻璃凝胶或胶体防灭火材料，注胶处理方法为：

（1）对四个重点区域，每隔5m施工1组钻孔，分别从巷帮施工至7号煤采空区顶板，初期对每个钻孔注胶12m³，共施工52个钻孔，需要注胶量624m³。利用煤矿用注浆机将灭火剂按1%以上的比例与水混合后，注入防灭火区域。

图6胶体压注工艺

（2）在工作面回风巷预设注浆管路，当工作面每推过50m后，通过该管路向采空区压注黄泥胶体形成胶体隔离带；

（3）在工作面巷距停采线100m、50m处各引出一路注浆管路（Φ108mm）至停采线外，并与停采线外注浆管合茬，注浆管沿巷道底板敷设，注浆管出口为1.0m长的花管。用于向8煤采空区压注胶体，充填封堵两顺槽，减少采空区漏风。

（4）工作面开采结束时，要调整支架侧护板，保证架间钻孔施工处支架间隙不小于100mm，满足支架上部施工注胶孔的需要。在每5个支架架间施工1个注胶孔，其中在支架的立柱间隔处开孔，钻孔位置透过支架切顶线上方，钻孔长度为3~6m，封1寸钢管，里端为1.0m的花管，每个钻孔内压注胶体5 m³。

5 结论

（1）根据测试结果，三个探测区域共发现了四处高温异常区域，高温异常区域总面积约为2100m²，影响区域范围约4000㎡。

（2）针对8107工作面，确定了四个重点防控区域，区域1，8107工作面回风巷距离切眼约80m至200m纵深范围，面积约90m²；区域2，8107工作面回风巷距切眼约230m至280m纵深范围，区域面积约68m²；区域3，8107工作面回风巷距切眼约300m至380m纵深范围，面积约80m²；区域4，8107工作面回风巷距切眼约450m至550m纵深范围，面积约90m²。

（3）对四个重点防控区域采用井下移动式注胶设备进行注胶处理，操作灵活，防灭火效果良好。

参考文献：

[1] 肖新建.改革开放40年煤炭支撑我国经济社会高速发展[J].中国能源,2018(11):10-16.

[2] 李树刚.综放开采围岩活动及瓦斯运移[M].中国矿业大学出版社，2000，5.

[3] 陈足章，赵庆民“三相泡沫”在矿井防灭火中的应用[J].煤矿现代化，2010(3)

[4] 王德明.矿井防灭火新技术—三相泡沫[J].煤矿安全，2004，(07)

[5] 徐孟利,陈传俊.梁家煤矿煤巷然发火成因分析及防治对策[J].煤矿安全，1998，(02)

[6] 冯磊.姚桥矿近距离易自燃煤层采空区自燃发火规律研究，安徽理工大学硕士学位论文，2012

[7] 田小龙.近距离煤层群自燃火灾防治技术的研究与应用，太原理工大学，2006

作者简介：李超(1983年4月－ )，男，汉族，陕西省礼泉县人，硕士研究生，工程师，现就职于中煤西安设计工程有限责任公司。