重点推广项目编号：AQT-3-16

主要完成单位：中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司、中国矿业大学

项目内容：

本项目研究特大井田浅埋藏易自燃煤层开采过程中的防灭火关键技术，涉及矿山开采、矿山安全、防灾减灾等学科领域。

一、总体思路

针对神东特大矿区浅埋藏开采的特点，为减少矿井漏风，研究采用简化系统、低压通风技术与方法，实现“降压防火”。为缩短煤氧接触时间，研究快掘、快采、工作面快速搬家回撤和快速密闭技术，实现“以快防火”。为充分利用当地山砂资源防灭火，研制能有效悬浮山砂、不堵管、不脱水，无毒、无味、不污染环境的稠化添加剂材料，研制稠化砂浆制备系统及井下注浆工艺，实现“以砂防灭火”。

通过本项目的实施，建立起一套适合特大矿区浅埋藏易自燃煤层开采的关键防灭火技术，为神东公司亿吨矿区的建设目标的实现和可持续发展提供重要的技术保障，确保矿区的安全生产，同时对开发西部相同煤层条件的矿井自然发火防治提供新的技术和装备，提高我国大型煤矿的防灭火技术水平。

二、技术方案

针对神东矿区煤层埋藏浅、矿井开采规模大、煤层易自燃的特点，以“降压治火”、“以快治火”、“以砂治火”为指导思想，课题组提出以下技术方案：

1、在井田开拓部署中，在井田内取消盘区划分，大巷两侧直接布置工作面，减少采掘面个数，实现高度集中生产，简化矿井开拓系统；通风系统采用大断面、多通道通风技术，降低通风阻力，减少漏风。通过开拓、通风系统的优化，实现系统“降压”防火，防止井下煤层的自燃。

2、采用先进可靠的大功率重型综采设备实现快速开采；采用辅巷多通道搬家技术，实现综采工作面的快速搬家；采用无轨胶轮车快速运输和密闭新技术实现快速封闭。这些先进的开采技术与工艺的采用目的是为减少煤与氧的接触时间，实现“以快”防火，为特大井田的建设和矿井火灾防治提供新的技术途径。

3、针对神东及西北部地区缺土少水但具有丰富的地表山砂状况，开发能使山砂悬浮的稠化添加剂，利用当地山砂资源作为灌浆材料解决山砂注浆易沉淀、堵塞和磨损管路的技术难题，为煤矿防灭火提供一种新的技术手段。

4、 根据神东矿区高产高效集约化生产的需要，研制稠化砂浆的生产工艺及装备，开发适合特大井田开采特点的地面相对固定制浆，井下灵活移动运浆、注浆的防灭火新方法，为我国西北部地区灌浆防火提供新的工艺及装备。

技术方案的具体实施情况如下：

1．系统“降压”防火技术

(1) 取消多盘区布置，简化系统，实现“降压”减“漏”

在井田划分上取消了以往的多盘区布置，转而实施大分区或条带式新布置方式。简化后的生产系统布置方式为矿井——工作面，即直接在主要巷道两侧布置长壁综采工作面，工作面走向长度2000～6000 m，倾斜长度240～360 m，巷道断面通常在18～20 m²左右，通风阻力大约为1500 Pa，漏风量在700m³/min左右，实现了一井一面千万吨的高产高效生产模式。多盘区布置的取消，简化了通风系统，减少了生产环节、井巷工程量、工作面的搬家次数和采空区的数量，相应也延长了工作面连续生产的时间。从而使矿井的通风压力下降，从系统上实现了降“压”减“漏”，减小了矿井煤层自然发火的危险性。

（2）从矿井设计和通风系统上着眼防火，实现低风压通风

① 采用“大断面、多通道”降阻。采用多井筒进回风和大巷条带式生产布局，巷道断面大，一般为18～20 m²，工作面顺槽采用双巷布置，实现了多巷道并联通风，全矿井通风系统、通风网络简单，减小了通风阻力（一般为500～1500pa），提高了通风能力。

② 优化矿井设计，确定合理参数。新布置的采煤工作面靠大巷侧留有50m以上的永久煤柱；综采工作面为避免多个采空区连成一片，一般每3～4个面之间留有40m的隔离煤柱；用连续采煤机双巷掘进时，尽量加大联络巷之间的间距，原则上不得于小于55m；综采工作面布置时不留设辅助切眼及泄水巷，尽量减少与采空区连通的通道以减少漏风；进行采掘时，尽量不留顶煤。

③ 采用新型高效节能主要通风机。为了适应千万吨矿井“大风量、低风阻”的风网特点，选择BDK型高效节能风机作为矿井主要通风机，采用弯掠组合三维扭曲正交型技术，对传统风机的关键部件进行深层次技术改造，最大限度地提高风机效率，满足矿井高效安全生产需要。

④ 强化通风技术管理。对多巷道之间的联络巷，进行快速封闭，保证通风系统的完整性。及时调整通风系统，优化通风网络，尽量减少角联风路，杜绝微风区，保证通风系统的稳定性。主要通风机在矿井综合自动化系统框架下，实现了自动化控制。在矿井通风主干系统上，推广使用了自动风门，提高了系统可靠性。

2、以“快”防火技术

在煤炭生产过程中坚持“快采、快撤、快闭”原则，减少煤与氧气的接触时间，消除热量聚集的环境，实现“以快防火”。

（1）采用先进可靠的大功率重型综采设备的快速开采技术

 为达到“快采”的目的，关键是对综采工作面设备的选型配套。在综合考虑矿区地质条件设备性能和生产现状等因素的基础上，课题组制定了适合千万吨综采工作面的配套方案。通过对引进设备的不断改进、优化设备选型和设计后，回采速度大幅度提高。

在浅埋煤层条件下，快速回采，老顶表现为重载荷作用的整体下沉运动，在采空区内，靠近工作面的部分，顶板完好，没有冒落，漏风很大，为“不燃带”。再向里则为顶板整体下沉带，采空区完全压实，进入了自燃“窒息带”。而自燃带不明显，大大减少了采空区自燃的可能性，快速开采达到了控制煤炭自燃的效果。

（2）辅巷多通道综采工作面的快速搬家技术

鉴于神东矿区的“装备重型化、工作面大型化”的特点，如果采用传统的搬家模式，耗时长，为煤自热氧化提供了充分的时间，将使自然发火的危险性大大增加。为此，采用了“辅巷多通道”快速搬家新技术，大大缩短了搬家时间，减小了自然发火的可能性。

辅巷多通道系统通过在回采工作面停采线预先掘出两条平行于回采工作面的辅助巷道，然后在两条辅巷之间，掘出若干条联巷。其中，靠工作面停采线一侧的第一条辅巷，作为回采工作面液压支架回撤时的调向通道，称之为回撤通道；外侧一条辅巷是作为工作面液压支架撤出时的运输通道；两辅巷之间的联巷则成为工作面多头作业、分段放顶的安全出口。两条巷道净宽为5.0～5.5m，净高3.6～3.8m。

当工作面推进到停采线并与回撤通道贯通后，工作面液压支架迅速前移，其顶梁替代通道内的第一排单体液压支柱，挑上支护顶板的工字钢梁棚，完成工作面回撤空间的贯通支护。随后回撤工作即可按照回撤采煤机→回撤输送机→回撤液压支架的顺序将工作面设备撤出旧工作面。

快速回撤技术大大减少工作面搬家时间，6000余t的全套综采设备，从旧工作面采通回撤到新工作面全部安装就位并达到试生产条件仅需不到8天时间，榆家梁煤矿45101综采工作面回撤与45102综采工作面安装仅用了6天23小时，与全国平均水平相比，每次（面）减少20余天。这为快速密闭采空区，缩短煤氧复合时间，有效控制采空区尤其是停采线煤炭自然发火提供了时间保证。

（3）快速封闭技术

利用近水平煤层平硐开拓的特点，运输设备采用无轨胶轮车，直接运送材料与人员到达各工作面与作业点，为“快速封闭技术”的实现提供了条件。

对综采面实施快速密闭采取的主要技术有：①通过联络巷密闭向采空区灌注以山砂为主要原料的浆液；②利用新型高分子材料封堵裂隙及加固巷道；③利用罗克休泡沫封闭联络巷。

在掘进与开采期间，对联络巷的快速密闭，采用“周边充填、中间挂风帘”的快速隔风技术，研制出了巷道快速隔风装置。

针对综采工作面“两道两线”处属于自然发火威胁区域，随着对综采面的正常推进，及时对其顺槽之间的联络巷快速封闭，每道密闭一般施工时间为5小时。对停采线附近的快速永久防火密闭采用1.0米厚砖闭 + 2.0米厚黄土 + 1.0 米罗克修 + 1.0 米厚钢筋砼墙，施工时间一般为15天。

采用各种快速的密闭技术，大大缩短了煤与氧气的接触时间，有效防止了采空区煤炭的自燃。

3．悬砂稠化剂的研制

注砂是防灭火的一项技术手段，通常的注砂方法，一般水砂比为7:1～11:1,需大量用水；砂浆到井下后易脱水，会严重影响井下环境和煤质；山砂易沉淀并对管路磨损严重。此外，山砂对煤体的包裹覆盖作用较差，防灭火的效果不理想。为克服上述问题，课题组研制了可使砂泥悬浮的稠化添加剂，为山砂的应用解决了关键技术难题。

（1）神东矿区山砂特性

神东矿区地表覆盖着厚为10～20m的新生界第四系全新统松散砂层，砂源丰富。神东矿区山砂的颗粒较细，这为井下注浆防灭火材料提供了一种得天独厚的资源。神东矿区山砂矿物的成分主要为石英、长石及硬石膏、少量的粘土、方解石、赤铁矿及晶体物质。

（2）悬砂稠化剂的结构特性与悬砂机理

KDC型悬砂稠化添加剂是从天然植物中提取出来的多糖聚合物，其结构为直链型（1→4）链合的β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古罗糖醛酸（G）的无规则嵌段共聚物，在线性分子链中呈不规则的嵌段性排列。其中G是M在C-5位的立体异构体。KDC水溶液在遇Ca²⁺、Cu²⁺、Pb²⁺等二价金属阳离子时（Mg²⁺除外）会形成凝胶。

KDC型稠化剂是利用本身的分子结构特性及多价金属离子的交联作用，在溶液中形成空间网状结构，由于结构的弹性内聚作用，使稠化剂具有悬砂性能。

（3）山砂稠化剂的流变特性

KDC型山砂稠化剂的稀溶液即是假塑性流体，根据粘度正交试验数据，对在不同条件下制备的相同浓度的稠化剂，绘制其流动曲线。

假塑性流体在工业上有重要意义，可以利用剪切变稀的特性实现泵送、混合、喷注等工艺。由于材料本身的分子结构及多价金属离子的交联作用，溶液中形成空间网状结构，因此在增稠悬砂的同时具有剪切变稀的特性，能够降低泵送的功耗。这也是KDC作为注砂材料的一个技术前提条件。

（4）山砂稠化剂流动性能

课题组在开发出KDC稠化剂的同时，为了使该项研究获得工程应用，课题组在中国矿业大学的矿井火灾防灭火实验室建设了一套模拟神东矿区实际流量和输送管径的注砂制浆及输送试验系统。

（5）悬砂稠化添加剂的特点

通过KDC 稠化添加剂的流变与流动特点的研究表明，该稠化剂具有以下特点：

①在水中形成松散的三维网状结构，具有屈服假塑性流体特性，在低剪切速率（6～20s^-1）下，能达到的粘度为0.33～2.94 Pa.s；在0.4 %浓度的水溶液条件下，其粘度是水的1500多倍，具有很强的悬浮能力，可悬浮砂、黄泥和粉煤灰等固态物质。

②具有剪切稀化特性。在高剪切速率（大于500s^-1）下的表面粘度小于0.28 Pa.s，从而降低了灌浆材料在管道中的流动阻力，具有可泵性好的特点；

③无毒无味无害，具有高吸水性和保水功能，不脱水，不污染环境并能起到很好阻化煤炭自燃作用。

④添加量少，其中浓度为0.4 %时就完全具备悬砂特性，使用成本较低。

4、稠化砂浆的制备及注浆工艺

根据神东矿区高产高效集约化生产的需要，研制了稠化砂浆的生产工艺及装备，开发了适合特大井田开采特点的地面相对固定制浆，井下灵活移动运浆、注浆的防灭火新方法，为我国西北部地区灌浆防火提供了新的工艺及装备。

（1）地面制浆系统及组成

地面制浆系统由稠化剂制备、电气控制和砂浆生产三部分子系统组成。

①稠化剂制备系统

本系统包括热水碱液罐、两台消化罐、搅拌机、泵和手控阀等。三个罐均安装有温度显示仪和液位变送器，并且各仪表的电流信号通过与PLC相联的模/数转换模块转换成数字信号，显示在上位机屏幕上。

②电气控制系统

主电路采用三相交流380V，控制线路采用变压器隔离的220V；全线采用可编程控制器（PLC）作全程控制，采用智能测控仪表进行温度和液位的精确测量，采用模/数转换模块将测量信号转换成数字信号，同时采用上位机对全线的工作状态和异常情况进行实时监控。

（3）砂浆生产系统

砂浆生产系统包括两台制浆罐、搅拌机、提砂装置及出浆泵、手控阀等。在两个制浆罐的底部均安装有液位变送器，将罐内的液体信号转换成标准电流信号（4～20mA），传给液位显示仪，并且再传给与PLC相联的模/数转换模块，转换成数字信号后显示在上位机屏幕上。同时控制进水阀的开关和料液泵的开关。

（2）井下注浆工艺

结合补连塔矿的现场条件，考虑到现场试验的周期和工艺操作简便性，同时又不影响工作面生产，所以确定采空区注砂浆采用穿透隔离煤柱打钻注浆方式。该种方式操作简便，占用设备少，减少了冲洗管路环节，能够更有效的发挥砂浆的防灭火性能。

① 钻孔布置

为了全面考察稠化砂浆在采空区内的流动特性，采取在联络巷向煤柱中打钻注浆的方式。钻孔施工采用坑道钻机打钻，选用直径Φ75mm钻头，钻孔开孔位置距巷道底板1.5m，钻孔分为仰角和俯角两种类型，角度为2～4度。打完钻孔后插入Φ65mm的套管，套管顶端焊接法兰盘（法兰盘上配堵头以利于对采空区气体进行封堵），管长2 m并用毛巾、聚胺脂进行封孔，封孔段长度大于1m。工业试验时施工设计了4个钻孔。

②注浆方式

采用槽车泵送的方式注浆，即地面生产出的砂浆泵送入槽车中，槽车将砂浆运输到注浆钻孔位置处，槽车与泵的入口之间通过钢丝软管及可快速装卸式法兰盘连接。采用注浆泵将砂浆输送至钻孔内。

③砂浆运输

砂浆运输采用两辆槽车，从地面制浆站直接运输至31306工作面回风顺槽，该巷道高度为3 m，宽为5m，适于运输。槽车选型采用在下井专用运料车上安装钢槽的方式，钢槽的长、宽、高的尺寸为3m×1.84m×0.9m，钢板厚度为4 mm，相邻侧面用角钢焊接，有效容积4.8m³，钢槽的顶板加工有一个进料口，尾部加工有一个出料口。

运浆车到达31306工作面回风顺槽21联巷的注浆地点约需40 min。运浆车到达后，将出料口与井下可移动注浆泵连接，随即开始注浆。整个注浆过程持续3～5 min。

实践表明，生产出的稠化砂浆能够保持长时间稳定，经过泵送、槽车运输等环节后，仍然可以顺利的泵入注浆钻孔，没有发生沉淀和堵塞管路的情况，验证了使用槽车运输的可行性。另一方面，井下可移动式注浆泵操作方便、工艺简单、可靠性强，有力地保证了注浆工作的顺利进行，无论是仰角钻孔还是俯角钻孔，都没有出现砂浆堵塞钻孔的现象。因此，井下移动式注浆工艺能够满足神东矿区的稠化砂浆防灭火工程需要。

创新点：

1、取消井田开拓部署中的盘区划分，在大巷两侧直接布置工作面，简化了矿井开拓系统；通风系统采用大断面、多通道通风技术，降低了通风阻力，减少了漏风。通过该措施的实施，实现了系统“降压”防火。

2、采用先进可靠的大功率综采设备实现了快速开采；采用辅巷多通道搬家技术，实现了工作面的快速搬家；综合利用无轨胶轮车运输和密闭新技术实现了快速封闭。这些新技术的实施减少了煤氧接触时间，实现了“以快”防火，是矿井火灾防治的新途径。

3、针对神东及西北部地区缺土少水但砂源丰富的状况，首次开发出了能使山砂悬浮的稠化剂，克服了山砂注浆易沉淀、堵塞和磨损管路的缺陷，为因地制宜利用山砂作为灌浆材料解决了关键性的技术难题，为煤矿防灭火提供了新的技术手段。

应用情况：

神华集团神东分公司课题组开发出特大井田浅埋藏易自燃煤层防灭火技术：“降压防火”、“以快防火”和“以砂防灭火”。

“降压防火”、“以快防火”技术通过不断试验、不断改进，在大柳塔井、活鸡兔井、补连塔矿、哈拉沟矿、上湾煤矿、乌兰木伦矿、榆家梁、石圪台矿等矿得到了推广应用，降低了通风阻力，减少了漏风，大大提高了掘进、回采、搬家和密闭速度，达到防止煤炭自燃的目的。

“以砂防灭火”技术，通过实验室研究、现场设备安装、调试，于2004年10月16日至10月26日期间，首先在补连塔矿31306工作面进行了应用，应用情况表明稠化砂浆稳定时间长、流动性优越，具有理想的灭火及防火性能，确保了矿井的安全生产。2005年8月10日至10月20日期间，稠化砂浆防灭火技术在大柳塔矿活鸡兔矿进行了大规模的工业性应用，共计灌注稠化砂浆17000 m³，给该矿井的生产提供了可靠的安全保障。

通过这些关键技术的综合运用，在神东公司杜绝了煤炭自燃事故，实现了煤炭自燃火灾的零记录。给神东矿区千万吨矿井群的高产高效生产提供了有力的安全保障，在神东矿区现代化亿吨矿区建设目标的实现过程中起到了十分重要的作用。

  神东矿区1998～2005年自燃火灾情况表

我国56%的重点煤矿所开采的煤层为自燃煤层，在生产过程中都存在一定程度的火灾隐患，本项目所研究的防灭火新技术在神东矿区的成功应用可以对我国矿井防灭火工作起到积极的借鉴作用；另外，我国的新疆、宁夏、内蒙等地区还存在着大面积的煤田自燃火灾，并且这些地区也都蕴藏着丰富的山砂资源，稠化砂浆防灭火技术作为一项重要的技术创新，在这些地区具有重要的推广前景，对我国能源的安全开发及充分利用都有着十分重要的理论和现实意义。