煤矿井下综采工作面煤层自然发火防治技术优化研究

引言：随着煤矿开采深度增加，综采工作面采空区遗煤自燃风险加剧，煤层自然发火指煤在空气中氧化产生热量积聚，达到燃点引发火灾的现象，此类事故不仅影响生产进度，还可能造成人员伤亡与资源损失，因此研究优化防治技术对保障煤矿安全生产、提高资源开采效率具有重要现实意义，希望为相关人员提供参考。

一、基于光纤传感的采空区温度场动态监测预警技术

在煤矿井下综采工作面推进过程中，采空区遗煤自燃风险随着浮煤堆积时间延长而显著提升，尤其是当工作面日推进速度低于 2m 时，浮煤在氧化带的滞留时间容易超过其自然发火期，传统的点式温度传感器因布置密度有限，通常每 50m 才设置一个监测点，难以全面捕捉温度场变化趋势，常常导致局部高温点被遗漏[1]。基于分布式光纤传感的监测系统通过将传感光缆沿工作面倾向和走向预先埋入采空区垮落带，光缆采用铠装防护设计，能够承受30MPa 的冲击压力，适应采空区复杂的力学环境，该系统能够实现对 1000m 范围内温度的连续实时监测，其空间分辨率可达 1m ，温度测量精度控制在 ±0.5°C 以内，采样频率达到 1Hz ，可及时捕捉温度的细微变化。该技术通过分析温度场梯度变化速率与氧气浓度分布的耦合关系，建立遗煤自燃临界温度预警模型，模型中纳入了煤层厚度、浮煤粒度、含水率等影响因素，当监测到局部区域温度在24 小时内上升超过 8^∘C 且氧气浓度维持在 8%-15% 区间时，系统自动触发一级预警并定位高温点坐标，定位误差不超过 3m ，为防治措施的精准实施提供数据支撑。

二、高浓度二氧化碳惰化防火技术的参数自适应调控系统

针对综采工作面采空区遗煤自燃的富氧环境治理，高浓度二氧化碳惰化技术通过专用钻孔将纯度 97% 以上的液态二氧化碳输送至氧化带核心区域，钻孔直径为 113mm ，深度根据采空区氧化带范围确定，一般为 30-50m ，液态二氧化碳在输送过程中经过减压装置，将压力从储罐的 2.0MPa 降至 0.8MPa ，避免因压力过高导致管路破裂。二氧化碳利用其密度大于空气的特性形成覆盖层抑制煤氧接触，在标准状态下，其密度为 1.977kg/m³ ，是空气密度的 1.53倍，能够有效下沉并覆盖在遗煤表面。优化后的系统通过布置在注气点周围的氧气传感器与流量控制阀形成闭环控制，氧气传感器采用抗干扰设计，在高湿度、高粉尘环境下仍能保持稳定工作，测量误差小于 1% ，实时监测区域氧气浓度并自动调节二氧化碳注入量，当氧气浓度降至 5% 以下时降低注气速率至设计值的 30% ，设计值根据采空区体积计算，通常为 50-100m³/h ，而在工作面推进引发漏风增强使氧气浓度回升至 8% 以上时，立即提升注气压力至 1.2MPa 以强化惰化效果，同时基于采空区垮落岩石孔隙度分布模型，模型通过三维激光扫描获取垮落岩石的形态参数建立，采用数值模拟方法计算不同推进阶段的最佳注气钻孔布置参数，使二氧化碳在氧化带的扩散半径扩大至 15m 以上，较传统技术提升 40% 。

三、高分子材料注浆堵漏与均压通风协同控风技术

综采工作面上下隅角及支架后部的漏风通道是引发遗煤自燃的关键因素，漏风不仅为遗煤提供了充足的氧气，还会带走热量，使遗煤温度不易升高，从而掩盖自燃隐患，优化后的技术体系首先采用高分子聚氨酯材料通过高压注浆泵注入漏风通道，注浆泵工作压力为 10-15MPa，能够将材料注入宽度仅为 0.5mm 的微小裂隙，该材料遇水后 3-5 分钟内膨胀形成不透水的弹性密封体，膨胀倍数可达 5-10 倍，封堵率可达 90% 以上，显著降低采空区漏风强度。同时调整工作面通风系统的风压分布，在进风巷设置可调式挡风墙，挡风墙采用钢结构框架，表面覆盖防火帆布，可通过电动推杆调节开度，调节范围为 0.10% ，回风巷安装轴流式局部通风机形成均压，风机功率为 37kW，风量调节范围为 200-600m³/min ，使工作面与采空区的风压差控制在 50Pa 以内，通过布置在工作面端头的风速传感器实时监测风流扰动，风速传感器测量范围为 0-10m/s ，精度为±0.1m/s ，当检测到局部风速超过 1.5m/s 时，自动调节挡风墙开度与风机频率，维持采空区全域风流稳定性[2]。

四、基于煤岩力学特性的工作面推进参数优化设计方法

综采工作面推进速度与遗煤自燃周期存在显著关联性，过快推进易导致支架支护强度不足引发顶板垮落不充分，形成大量空隙，增加漏风风险，过慢则使遗煤在氧化带停留时间过长，超过其自然发火期，增加自燃概率。优化技术通过建立煤岩抗压强度与推进速度的函数关系，函数关系基于大量现场试验数据拟合得出，相关系数达到 0.92，利用钻孔取芯测试获取煤层顶底板岩石的单轴抗压强度数据，测试采用万能材料试验机，加载速率为 0.5mm/min ，结合数值模拟计算不同推进速度下的采空区“三带”分布特征，数值模拟采用 FLAC3D 软件，计算步长为 0.1 天，当煤层顶板为砂岩等坚硬岩层时，其单轴抗压强度通常在 60MPa 以上，将日推进度设定为 3.5m 以上以快速跨越氧化带，而在顶板为泥岩的松软岩层条件下，单轴抗压强度一般在 20MPa 以下，采用 2.0-2.5m/Ω 日的推进速度配合支架工作阻力提升至 8000kN 以上，支架采用四柱式结构，缸径为 200mm ，减少顶板垮落形成的漏风通道[3]。

结束语：

文章围绕综采工作面煤层自然发火防治，从监测、惰化、控风及推进参数等方面提出了优化技术，这些技术在实践中展现出良好效果，未来可进一步探索多技术协同的智能化防控系统，结合大数据分析提升预警精准度，同时研发更环保高效的防火材料，持续完善防治体系以适应复杂开采环境。

参考文献：

[1] 李 会 兵 . 煤 层 自 然 发 火 预 测 及 防 灭 火 设 计 [J]. 山 西 冶金 ,2025,48(05):184-186.

[2] 冯慧娟 . 煤层自然发火标志气体及临界值检测研究 [J]. 能源与节能 ,2024,(12):71-74.

[3] 胡德萍 . 采空区注氮防治煤层自然发火的推广应用 [J]. 江西煤炭科技 ,2024,(04):129-131+135.