機械化放頂煤開采礦井的防滅火技術
據統計，我國煤礦有50%以上的綜合機械化放頂煤開采工作面存在著自燃發火危險，嚴重威脅著礦井的安全生產。因此，防滅火技術的研究工作也是綜合機械化放頂煤開采工作面安全生產的關鍵之一。近幾年來，兗州礦業（集團）有限責任公司及其下屬各礦針對以前在礦井防滅火方面存在的問題進行了認真分析和歸納，并且與有關單位共同開展了科技攻關，積極應用當前已有的礦井防滅火適用新技術，提出解決方案并進行了實施，有效地保障了礦井的安全，取得了良好的效果。
1紅外探測技術在煤層自燃發火早期預報的應用
兗州礦業（集團）公司救護大隊和山東科技大學將紅外探測技術應用于煤層自燃發火早期預報中,為確定井下高溫火點的位置、及時采取防滅火措施、消除火災隱患及保證礦井安全生產提供了有效的技術手段。
自從采用綜合機械化放頂煤開采技術以來，兗州礦區已經發生煤層自燃發火或者隱患26次，其中巷道頂煤及相鄰采礦區松散煤體發火或者隱患20次，占發火總次數的77%。因此，煤巷煤炭的自燃成為兗州礦區煤炭自燃的重點防患區域。雖然他們在防治煤巷煤炭自燃方面投入了大量人力、物力，但是由于隱蔽高溫點難于準確定位和自燃溫度難于確定，給礦區煤炭自燃的預防帶來了許多不利的影響，因此尋求煤巷隱蔽高溫點的早期預測預報技術是礦區安全生產中亟待解決的重大課題。將紅外探測技術應用于煤層自燃發火的早期預報，較好地解決了這一技術難題。紅外探測法的實質是自然界的任何物體只要處于絕對零度之上就會產生分子振動和晶格振動，都會自行向外發射紅外電磁波，并形成紅外輻射場。
近年來，通過在濟寧二號煤礦4301軌道順槽和南屯煤礦1300綜合機械化放頂煤開采工作面運輸順槽的實際應用，表明利用紅外測溫儀基本能夠測出高溫區區域位置；從測試數據來看，無論哪個礦井其上幫紅外電磁場強度一般高于下幫。從理論和實際情況來看，這一探測方法是可行的。紅外探測法通過能量場綜合判斷煤炭的自燃區域，具有簡單、迅速、精確的特點，其操作方法較為簡便、容易為現場職工所掌握。當然，現場應用也發現一些問題，要進一步提高對煤層自燃發火早期預報的精度必須對紅外探測的有關基礎數據進行觀測和測定，如煤體的輻射系數及其影響因素、煤體的導熱系數和比熱、煤體的原始溫度等，得出易氧化區段和高溫區段紅外電磁場強度的變化規律。
2易燃中厚煤層孤島綜合機械化放頂煤開采工作面綜合防滅火技術
兗州礦業（集團）公司東灘煤礦通過對4303孤島綜合機械化開采放頂煤工作面“兩巷”、相鄰采空區及自身采空區采取了綜合防滅火的措施，從準備生產、開始生產至安全撤出設備歷時兩年，同時該礦綜采工區在該面創出了年單產501萬噸的全國第一好成績，為兗州礦區及其它易燃中厚煤層孤島綜采放頂煤工作面的安全回采積累了經驗。
4303綜合機械化開采放頂煤工作面為走向長壁工作面，面長200m，通風方式為U型。該工作面是東灘礦首次開采的“孤島”工作面，在開采的過程中和開采以后，西翼5個采煤工作面的采空區連接在一起，造成了礦井西翼復雜的采場漏風，防滅火局面極為不利。
東灘礦的經驗表明，10次自燃發火有8次發生在巷道，特別是“兩巷”，這就要求在巷道掘進時采取綜合防滅火措施。4303工作面上、下順槽開掘時候的綜合防滅火技術措施如下：設置注水管路、巷道噴涂防漏、紅外線測溫儀探測巷道兩幫、頂板溫度變化、巷道過斷層與冒頂處理、測溫探頭測溫、凝膠快速防漏。
為了保證4303綜合機械化開采放頂煤工作面在回采期間及相鄰的區段不出現自燃發火事故，他們在采取合理開拓布置、開采程序及巷道布置的同時，還積極有效地采取了采面采空區埋管壓注黃泥漿、噴灑霧化阻化劑、開采期間的均壓、采空區溫度探測、均壓通風及氣體檢測預測預報、向鄰近采空區的遺煤帶及高溫點打鉆注漿等防滅火技術措施。其中，由于4303綜采放頂煤工作面的軌道順槽東鄰4302綜采放頂煤工作面的采空區，僅僅間隔3m煤壁，而且在軌道順槽一側的采空區有1條完整的遺煤帶，寬度為5~6m，在超前壓力的影響下，采空區一側的煤壁被壓酥從而引起漏風造成了局部高溫火點，他們采用在軌道順槽打鉆，通過測溫探頭確定了高溫區域，然后在軌道順槽及43運輸集中巷打鉆注水、注漿，很快就將火點消滅了。
3復雜構造易燃煤層無煤柱綜合機械化放頂煤開采工作面自燃發火防治
兗州礦業（集團）公司濟寧二號煤礦開展了復雜構造易燃煤層無煤柱綜合機械化放頂煤開采工作面自燃發火防治的研究，總結了復雜構造易燃煤層自燃的影響因素，分析了無煤柱綜合機械化放頂煤開采工作面的防滅火難點和自燃發火的原因，并且找到了防治的對策。
濟二煤礦自從開采綜合機械化放頂煤工作面以來，自燃發火1次，為巷道頂煤自燃；發生自燃發火隱患3次，分別出現在停采線、沿空采空區松散煤體和工作面開切眼采空區。此項研究總結煤層自燃發火影響因素有：大巷布置在煤層中；煤層厚度變化大；褶曲多，煤層傾角變化大；斷層多，裂隙發育；無煤柱開采。綜放工作面的防滅火技術難點在于：煤層自燃發火期縮短，由3～6個月縮短到33天；綜放開采丟煤相對集中，特別是工作面采空區周邊丟煤量增大；新實行的順槽及切眼錨網梁加錨索支護，在支護強度加大的同時也為向采區及切眼長時間通風供氧創造了條件；無煤柱開采時，大面積的采空區連成一片，漏風關系復雜且不可避免；綜合機械化放頂煤開采工作面兩巷沿煤層底板掘進，地質條件變化時，巷道頂煤易破碎、冒頂，極易自燃；生產高效快速，對礦井防滅火工作的安全可靠性提出更高要求。
在對綜合機械化放頂煤開采工作面發火原因（包括相鄰采空區端頭的煤體容易自燃、巷道的頂煤容易自燃、開切眼的遺煤自燃、停采線的遺煤自燃）分析的基礎上，他們提出了綜合機械化放頂煤開采工作面自燃發火的綜合防治技術，諸如噴漿堵漏技術、密集淺孔注凝膠技術、膜分離制氮裝置注氮防滅火技術（臨面采空區防火、后部采空區防火）、膠體泥漿快速滅火技術、快速堵漏（密閉）泡沫技術、煤巷近距離紅外探測火源技術等防治措施，為無煤柱開采綜放面的安全生產提供了保障。
4超長綜合機械化放頂煤開采工作面煤層自燃火災防治
西安科技大學和兗州礦業（集團）有限責任公司在確定超長綜合機械化放頂煤開采工作面煤層自燃危險區域的基礎上，提出了有針對性的高效綜合防滅火技術體系，建立了超長綜合機械化放頂煤開采工作面煤層自燃火災快速應急防滅火系統，成功地對興隆莊煤礦4324超長綜合機械化放頂煤開采工作面煤層自燃火災進行治理，為超長綜合機械化放頂煤開采工作面的安全生產提供了重要的技術保障。
此項研究指出：根據煤層自然發火的特點，當空間小且火勢較小時，利用以高分子復合膠體、輕型壓注機和快速打鉆機具為主的快速防滅火系統，可以迅速控制及撲滅局部小范圍火災；當空間范圍大且火勢猛時（如采空區浮煤發生自燃火災），建立以惰泡壓注裝置、注氮系統和快速打鉆機具為主的快速應急防滅火系統，迅速控制火災的發展，為確定火源位置以及采用綜合治理技術徹底撲滅火災贏得時間。快速滅火系統的關鍵是快速有效地向火區施工滅火鉆孔。尤其是超長綜合機械化放頂煤開采工作面采空區浮煤自然發火后，高溫區域廣、埋藏深，分布在工作面“兩道”，施工鉆孔難度很大，應用一次成孔鉆具可以解決向采空區松散煤體施工鉆孔的技術難題。通常在現場有水、電時，設備和材料到達指定地點10min內就能投入滅火工作。
火區治理以膠體防滅火技術直接滅火為核心，以壓注惰泡及注氮惰化控制火區為關鍵，以及采取諸如均壓、堵漏等防滅火方法相結合的綜合治理，分控制火勢、直接滅火及封閉滅火三個階段。控制火勢主要采取控制漏風、注膠滅火與注氮惰化控制采空區相結合的滅火措施；直接滅火主要通過快速向火區打鉆，向火區壓注膠體泥漿封堵滅火，如果火勢有所發展，則必須對工作面進行封閉；封閉滅火主要采用均壓降低工作面上下頭兩側風壓差減少漏風，注氮與注惰泡相結合惰化并控制火區，壓注膠體泥漿充填采空區的直接滅火區等綜合治理措施。
5短壁輕型綜合機械化放頂煤開采工作面的綜合防火
兗州礦業（集團）公司楊村煤礦通過對防滅火的綜合研究與應用，確定了工作面的最佳通風和防滅火技術方案，保證了短壁輕型綜合機械化放頂煤開采工作面的安全回采。
由于短壁輕型綜合機械化放頂煤開采工作面采空區內的氧化帶寬度大，加之該煤層自燃發火期較短，所以預防自燃發火工作的難度很大。
他們根據現場的觀測研究結果，對不同區域有針對性地采取防火措施。工作面“兩道兩線”的防火以泥漿為主要原料，并添加少量的化學藥劑形成不易脫水的膠體材料，既能阻止殘煤氧化又能充填堵漏。利用現有注漿站，在地面注漿站的泥漿池中加入一種輔助材料，然后利用井下輔助材料供給系統（距工作面100m）加入另一種輔助材料，形成膠體泥漿防火系統。輔助材料選擇成膠效果好、成本較低的水玻璃和鋁酸鈉，使用濃度分別為5%和2%，成膠時間2～3min。正常開采期間的采空區防火，采用提高工作面推進速度和合理的通風量來實現。如果推進速度低，則實施汽霧阻化、在進風隅角堆放沙袋堵漏等措施。阻化劑以工作面漏風風流為載體，隨風流漂移到采空區中，附著在殘煤表面，阻止煤的氧化，達到抑制或延遲煤炭自燃的目的。根據現場條件在進風順槽設立移動式霧化泵站，隨著回采工作面的推進不斷移動。霧化器布置在工作面進風側隅角，沿途布置Φ25高壓膠管。通過對阻化率測定，采用氯化鎂做阻化劑，濃度15%～20%，殘煤用液量為30～50kg/t。由于該工作面長度短，頂板不易冒落，必然增加向采空區的漏風量，故選用爐渣作為堵漏風材料，在工作面后的軌道順槽和膠帶順槽內每隔60m用爐渣袋設立隔離墻，有利于采空區的防火。
6綜合機械化放頂煤開采工作面撤面期間的防火措施
兗州礦業（集團）公司楊村煤礦307綜合機械化開采放頂煤工作面可采范圍內的地質構造非常復雜，煤層自然發火期3～6個月，為易自燃發火煤層，煤塵本身具有爆炸性。由于該面停采線中間有落差3.5m的斷層，嚴重地影響了液壓支架回撤的速度和防滅火安全。為此，他們采取了一系列措施，有效地防治了撤面期間的采空區自然發火，保證了307綜放工作面設備的順利撤除。
首先是在工作面距停采線100m的時候提前做好預防性措施，在進風順槽安設阻化多用泵以實施汽霧阻化，在采煤面的后部采空區埋設束管對有害氣體實施連續監測，有效地阻止了采空區浮煤的氧化；由于工作面的風量大使得采空區的漏風量增加和氧化帶的范圍變寬，因此在保證有害氣體和溫度不超限、風速符合《煤礦安全規程》的前提下盡可能及時降低工作面的風量；停采以后，在上下隅角的液壓支架尾梁處分別砌筑370mm的密閉墻，墻體的上部預留注漿管路，通過注漿鋼管向下隅角灌注膠體泥漿，有效地堵塞了采空區的漏風通道；根據斷層處頂板破碎、漏風嚴重的特點，對斷層及其前后10m范圍內進行噴涂，共噴涂原料600kg，有效地封閉了斷層及其周圍的漏風通道；隨撤架隨對液壓支架處及停采線其余空間均勻地撒灑阻化劑，一般撒灑量為2.5kg/，起到了比較好的預防作用；為了防止浮煤氧化，停采以后盡可能清理底板及架內的浮煤，技術部門認真地繪制停采線剖面，以便封閉以后合理地安排注漿；在兩順槽高的一側沿著停采線的煤壁敷設注漿管路至另一側，中間每隔10m設一個三通，及時澆注阻化泥漿，撤面結束以后盡快于停采線5～10m處砌筑永久密閉墻，可以比較好地封閉停采線；沿著307聯絡巷垂直于停采線每隔20m打一個直徑為40mm的鉆孔，鉆孔的最前端為1m的花管，保證了注漿擴散的范圍。
7綜合機械化放頂煤開采工作面及相鄰采空區煤炭自燃防治
兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦實行以防為主和綜合治理的防滅火措施，連續多年杜絕了綜合機械化放頂煤開采工作面及相鄰采空區煤炭自燃發火現象。
①為了防治自燃發火，首先采取一些超前預防措施，比如向有發火的隱患點打鉆孔，進行注水、注漿、MEA、羅可休、粉煤灰和噴灑阻化劑等。
②綜合機械化放頂煤開采工作面生產時兩端頭液壓支架難以放落頂煤而在相鄰采空區造成一定厚度的丟煤帶，鉆孔沿用巷道靠采空區側上、下布置，每組打2個鉆孔，每組相鄰鉆孔間隔5～10m。鉆孔深度和角度應能使漿液將丟煤帶全部覆蓋，以此隔斷供氧通道，防止煤炭繼續氧化。
③如果在生產的工作面上有氧化聚熱的煤體，則要采取打鉆孔下套管的措施。套管為1″鋼管，長度1.5～2m。套管頭部有便于插入鉆孔的鋼錐。前部鉆桿設有若干0.2～0.3mm小孔。鉆孔用快速水泥加棉紗封堵，防止注防火材料時泄出。鉆桿尾部焊有高壓快速接頭與注漿系統連接，利用高壓泵壓注防火材料和降溫堵漏，阻止煤炭連續供氧過程，達到防火的目的。
④為防止生產中的工作面發火，采用隨采隨注的方法。在綜合機械化放頂煤開采工作面上、下隅角每隔30m打隔離沙袋垛墻，鋪設一路3″注漿管。根據工作面推進速度隨時注漿、粉煤灰或其它防火材料，有效解決工作面后方采空區的自燃發火隱患。
⑤該礦采用綜合機械化放頂煤開采技術，采空區在生產開始階段留下很多浮煤，氧化聚熱比較快。如果推進速度慢，采空區后部空間較大并有足夠時間，給防滅火工作帶來很大隱患，所以要進行噴灑阻化劑。噴灑阻化劑主要在自燃煤層回采的開始及停采線50m范圍內實施。阻化劑必須嚴格按照設計配制，要均勻噴灑。噴灑量根據遺煤的溫度和丟失的煤量而定，對新工作面順利開采起到了防滅火的好效果。
8易燃厚煤層機械化放頂煤開采工作面采空區自燃發火治理
兗州礦業（集團）公司濟寧三號煤礦針對綜合機械化開采、綜合機械化放頂煤開采工作面走向起伏變化較大或負坡開采的工作面在預防性灌漿不能充分發揮作用時，采用工作面進回風隅角合理分段砌筑防火隔離墻以及采空區埋管注氮惰化等綜合措施，簡便易行、適應性強、效果明顯。
4303綜合機械化放頂煤開采工作面采空區產生高溫點后，他們采用了“隅角堵漏、注氮惰化、均壓控制、加強監測、穩定系統、快速撤面、及時封閉”的治理方案，一氧化碳濃度從589ppm下降至22ppm，乙烷濃度從34ppm逐漸消失；進風隅角一氧化碳濃度從234ppm降為零，乙烷濃度從18ppm逐漸消失；回風隅角一氧化碳濃度從118ppm降為14ppm，乙烷濃度從8ppm逐漸消失。根據以上結果可以看出；高溫火點得到了有效的控制，取得了顯著的效果。5304綜合機械化開采工作面采空區產生高溫火點后立即采取工作面減壓降壓措施，在回風巷建調節風窗限風，將工作面風量由860/min降為300/min左右。并且，在第二切眼東頭建立風障一道，在第二切眼以南的工作面回風側設置全斷面柵欄、懸掛標志禁止人員入內。減風后回風流一氧化碳降低為600左右。為了加快消除高溫點和確保跳面工作順利進行采取在進風隅角噴涂艾格勞尼進行封堵，并埋管注氮惰化采空區。在采空區高溫點熱風壓作用下，于進風隅角處發現一氧化碳。為了創造良好的撤架環境，防止一氧化碳進入工作面，采取在進風隅角封閉處挖一個洞，安設28kW風機一臺，連接Φ600mm風筒300m。風筒出風口接到第二切眼以東回風流中，將進風隅角處一氧化碳抽排到工作面回風流中。通過采取上述措施后，有效地控制了一氧化碳的涌出，確保了跳面工作的順利進行。新的工作面安裝完畢后，在第二切眼后部尾巷分別建立密閉墻各一道，對第二切眼后部采空區進行永久性封閉，直至該工作面安全開采完畢。
9綜合機械化放頂煤開采順槽自燃發火綜合防治
無煤柱綜放開采是提高煤炭回采率的主要措施之一。由于這種采煤工藝的順槽沿空側松散煤體空隙比較大，采用表面聚胺酯噴涂和采空區均壓已經不能夠解決問題。為此，山東科技大學和兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦研究出了一種新型的行之有效的無煤柱綜合機械化放頂煤開采順槽沿空側松散煤體及臨面采空區遺煤自然發火的綜合防治技術——復合膠體泥漿固水降溫快速滅火技術和井下移動式膜分離制氮注氮技術。
復合膠體泥漿是利用水玻璃作基料。以碳酸氫鈉、碳酸鈉等作促凝劑，以黃泥漿作充填劑而構成的一種新型滅火材料。其作用原理是：水玻璃與促凝劑結合以后形成硅膠，但是硅膠的內部充滿了黃泥漿和水，硅膠起到了骨架的作用，黃土起著稠化充填的作用——增加膠體的強度、耐濕性能和有效期，同時把易于流動的水固封在硅膠的內部，從而形成了復合膠體泥漿。
復合膠體泥漿的熱穩定性比純硅膠體更好，在高溫火炭中不熔化，失水速度很慢，并且能夠大量地吸收周圍松散煤體的氧化熱量，降低煤體的溫度。此外，復合膠體泥漿的耐壓穩定性也隨著含土量的增加而提高。它不僅能夠固水吸熱降溫，而且能夠充填碎煤的間隙，使得煤氧隔離而窒息。即使高溫蒸烤最終使其失去全部水分，仍然有25%左右的黃土和二氧化硅留在縫隙中起到防火的作用。所以，復合膠體泥漿尤其適用于高位火區和大面積火區的防火。同時，他們還采用了井下移動式膜分離制氮裝置，采取間隔方式從沿空順槽向鄰面采空區大量注入氮氣。效果檢測表明：在沿空順槽側形成了一條寬45m的較穩定惰化帶；惰化帶鉆孔取氣樣分析，結果氧氣濃度下降到10%以下；從自燃征兆點鉆孔取氣樣分析，CO氣體消失。專家們認為：此項成果值得借鑒和大力推廣。
10無煤柱綜合機械化放頂煤開采條件下煤層自燃發火防治
隨著無煤柱綜合機械化開采技術的推廣，煤層自燃發火呈現出與分層綜合機械化不同的特點。兗州礦區從實際出發，針對綜合機械化放頂煤開采易發火區域的發火原因及技術難點，開發應用了多種防滅火新材料、新技術，形成了綜合機械化放頂煤開采條件下的一整套防滅火技術。
無煤柱綜合機械化放頂煤開采條件下沿空順槽松散煤體自燃的綜合防治的關鍵技術如下：
①聚胺酯噴涂堵漏技術。該材料是由黑白兩種原料經混合發泡后形成的一種泡沫狀物質解決了傳統的水泥砂漿堵漏所固有的易壓裂、施工工藝與綜掘施工相互干擾等缺點，特別適合于綜掘沿空掘進巷道。
②密集淺孔注凝膠技術。凝膠是由主劑和促凝劑經混合反應而形成的，解決了黃泥漿等傳統防滅火材料解決不了的巷道頂煤自燃等難題。其混合液在凝固前粘度近似于水，可滲透到煤和巖石裂隙中；成膠后粘度則是水的1500倍，能有效地防止漏風。
③井下移動式膜分離制氮裝置注氮技術。兗州礦區由于綜放工作棉推進速度快，其后部采空區自然發火的可能性小，放火重點是鄰近采空區，因此以注入氮氣為主，以均壓、沿空堵漏措施為輔，綜合防治綜放面鄰近采空區遺煤發火。
④開發應用注惰化阻化劑技術。惰化阻化劑兼有阻化和惰化兩種功能。當煤溫上升到50℃以上時，注入煤體的溶液開始吸熱汽化，產生的惰性氣體充塞煤體裂隙，阻礙煤自燃過程的發展。
⑤開發應用膠體泥漿快速滅火技術。膠體泥漿是在凝膠基礎上開發的，利用基料、促凝劑的凝膠作用，以黃泥漿作充填劑，增加膠體強度、耐溫性能和有效期限。在黃泥灌漿系統的基礎上建立的大流量連續注膠工藝，對撲滅大面積火區具有明顯的優勢。
11煤巷錨網支護的礦井自燃發火原因及防治
兗州礦業（集團）公司興隆莊煤礦目前開采的3層煤為近水平特厚煤層，煤層平均厚度8.65m，有自燃發火傾向性。自燃發火期為65天，發火等級為一級，煤層有爆炸危險性，煤的揮發份指數為39.8%。1992年開始使用綜合機械化開采放頂煤工藝，煤巷掘進采用錨網支護，自燃發火的規律有所改變。最近，他們對礦井自燃發火的原因進行了分析，提出了針對性的措施，為今后礦井自燃發火防治工作提供了經驗。
他們對綜合機械化放頂煤開采工作面防治自燃發火的認識如下：
①聯絡巷、溜煤眼等直接與鄰近采空區相通的地點打砂袋垛，緊貼砂袋垛封閉堵漏；附近巷道噴水泥沙漿堵漏；對可能產生漏風通道的區域施工鉆孔，壓注凝膠、膠體泥漿堵漏，均能產生比較理想的效果。
②對開切眼和停采線因施工絞車窩形成的通道，采取砂袋充填、砂袋外噴水泥的堵漏措施，并對附近的巷道噴漿堵漏、施工鉆孔、壓注凝膠膠體泥漿，也可以撤面后在下頭面口以外建閉墻，閉墻以里大量壓注膠體泥漿。
③煤巷中頂板破碎地點加強防滅火觀測，如果發現CO濃度持續上升，可以采取噴漿堵漏，并施工鉆孔和壓注凝膠。
④煤巷鋪網支護要結合實際、注重質量，首先從頂板穩定性優化支護參數，保證煤巷頂板的完整性。
⑤對煤巷中的高冒區，采取噴漿堵漏，并施工鉆孔和壓注凝膠。
⑥對出現明火及高溫點區域，首先采取施工鉆孔、壓注黃泥漿與高壓水的方法，降溫后再壓注凝膠封堵漏風通道。
⑦認真加強特殊地段的采煤管理，確保采煤速度，一般來說日推進速度不得少于1m，盡最大限度減少丟煤量。
⑧工作面停采以后及時撤面，并對高溫點采取向支架后部施工鉆孔和壓注凝膠、膠體泥漿的措施。
