适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产科长、防灭火队队长、地测科长
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 采空区遗煤自燃隐患与环保安全双重红线
在我国煤矿开采中，特别是在开采易自燃或特厚自燃煤层的矿区（如陕北榆神矿区、新疆哈密矿区、山西大同矿区），采空区遗煤自燃是威胁矿井安全的最严重隐患之一。采空区由于顶板垮落不密实，遗留有大量的碎煤。当工作面推进漏风严重时，空气中的氧气随风流渗入采空区，为遗煤提供源源不断的氧化热源，极易诱发自燃火灾。
采空区自燃火灾的爆发往往带来极大的灾难性后果与管理红线惩罚：
- 井下有害气体超限与生命安全红线：自燃产生的一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO₂）等有毒有害气体会沿漏风通道窜入工作面和回风隅角，直接威胁井下一线矿工的生命安全。一旦CO浓度超过安全规程红线（通常为 24ppm），矿井必须立即停产并撤离所有人员。
- 煤炭资源损失与环保督察问责：自燃引发的火区如果向巷道蔓延，将迫使工作面封闭，造成整面遗煤的永久损失，日均产值损失达数千万元。同时，地下自燃产生的烟尘和刺鼻气体如果沿裂隙窜出地表，将面临严厉的生态环保一票否决制追责。
- 固废无害化处置与灾害治理协同需求：煤炭集团通常需将掘进产生的大量煤矸石和燃煤电厂排出的粉煤灰进行处理。若能将矸石和粉煤灰制备成抗漏风的高致密阻化料浆注回采空区，既能消除地面矸石山的自燃环保隐患，又能从物理结构上封堵采空区的漏风通道，将是一举多得的低碳协同方案。
因此，建立采空区充填封堵自燃的边界条件，通过多物理场耦合控制氧气浓度，是实现“绿色矿山”与“零火灾危害”的基础。
二、 采空区自燃三带划分与漏风阻氧力学模型
2.1 采空区自燃“三带”空间界定
回采后方的采空区根据漏风风速和氧气浓度的分布，在空间上由近及远划分为：
- 散热带（散失区）：紧邻工作面 0-15米 区域。由于风流大，虽供氧充足（O_2 ≥ 18\%），但氧化释放的热量被风流快速带走，遗煤不易蓄热升温。
- 自燃带（危险区）：距工作面 15-100米 区间。漏风风速处于 0.1 \\sim 0.24\text{ m/min} 之间，供氧相对充足（O_2 浓度处于 5% 至 18% 之间），且氧化热量在此区间快速聚集，温度逐步逼近煤的临界自燃温度，是防灭火监管的特级危险区。
- 窒息带（安全区）：距工作面 100米 以外深部区域。由于垮落顶板压实以及漏风通道延长，风流难以渗入（O_2 < 5\%），缺氧导致煤体无法继续氧化。
2.2 采空区漏风多孔介质渗流力学方程
采空区垮落岩体和遗煤的混合体可视为典型的各向异性多孔介质，其漏风渗流服从达西定律（Darcy's Law）：
式中：v 为漏风渗流流速；k_{permeability} 为采空区渗透率（\text{m}^2）；\mu 为空气的动力粘度；\nabla P 为工作面进回风巷之间的压差梯度。
当对自燃带进行矸石-粉煤灰浆体充填压注后，浆体充填物填满了岩石间的空隙，使采空区介质孔隙率 φ 从原始垮落状态的 25%-35% 骤降至 8% 以下，其渗透率的改变服从 Kozeny-Carman 修正公式：
其中，S 为颗粒比表面积；c 为形状因子系数。
由于 φ 的大幅减小，渗透率 k_{permeability} 降低了 3-4 个数量级，极大提高了空气在采空区的渗流阻力（流阻），彻底切断了供氧通道。
以下为注浆阻氧降氧流场分布及三维封堵屏障控制的工作流：
束管监测系统布设与初检
在回风隅角及采空区内部敷设高强度束管，高频采集氧气、一氧化碳及乙烯浓度数据
三带边界划分与风流解析
根据氧浓度（自燃带：5%～18%）结合风速场三维解算，勾画自燃危险区域与漏风通道图谱
封堵注浆钻孔靶向布设
设计走向及倾向扇形注浆排孔，覆盖进风侧漏风源头及采空区深部遗煤带
阻化砂浆高致密压注
注入原矸胶结物与高吸水抗漏风复合阻化材料配制的阻化砂浆，彻底胶结裂隙煤体
注氮与阻化气雾联合驱替
向封堵区持续注入高纯度氮气，建立惰化屏障，将采空区氧浓度压降至 5% 的自燃临界红线以下
多点测温验证与封口验收
监测点深部温度趋于稳定且一氧化碳零化后，对钻孔进行常态化二次充填封孔，完成安全交接
从流程演化可以看出，充填注浆使工作面漏风风流只停留在表面极窄的散热带，40米后氧气浓度便呈指数级衰减至 5% 安全线以内，有效缩短并移除了危险的自燃带。
2.3 自燃氧化氧气消耗定量关系
采空区内沿程氧气浓度衰减可由以下微分方程表达：
式中：C_{O2} 为氧气体积百分比浓度；v_{consume} 为煤体氧化反应的氧消耗速率；D 为扩散系数。
通过高压压注高致密阻化料浆，限制了 v（漏风流速）和 D（孔隙扩散），使方程的反应项占主导，遗煤快速将残余氧气消耗怠尽，从而自发进入永久窒息的本质安全状态。
三、 防自燃充填封堵核心技术参数设计
为彻底消除采空区漏风氧化条件，地测与防冲科需设计精确的水胶比、注浆量、漏风流阻等工程边界控制指标。
3.1 充填防自燃关键工艺控制参数对账表
| 控制参数 | 设计边界标准 | 检验频次及设备 | 封堵控氧力学安全逻辑 |
|---|---|---|---|
| 注浆骨料配比 | 原矸:粉煤灰:水泥 = 6:3:1 | 自动给料电子称，每班校准 | 骨料粒径分级，提高充填密实度，保证极低收缩率 |
| 料浆固量比 | 固液质量比 1:1.1 \sim 1:1.3 | 浆体密度计，在线连续测定 | 保持坍落度，防止大量泌水形成次生风路空洞 |
| 改性阻化剂掺量 | 氯化钙/氯化镁掺量 ≥ 2\% | 添加泵电子计量 | 强吸水性阻化剂使煤体表面形成水膜，抑制氧化温升 |
| 封堵墙流阻极限 | ≥ 1.0 \times 10^{12}\text{ Pa}\cdot\text{s/m}^3 | 双检漏孔差压表，每月检测 | 抵抗进回风巷最大压差 \\Delta P_{max}，消除漏风源头 |
| 目标区氧浓度 | 最终维持在 ≤ 5\% 的安全红线 | 采空区束管多点色谱仪分析，每日 | 煤自燃发生的绝对极限供氧浓度边界，阻断燃烧链 |
| 注入充填接顶率 | ≥ 95\% | 深孔超声波声呐扫描，单孔完工检验 | 消除顶部悬露空间，杜绝采空区上层“沿空漏风通道” |
四、 采空区异常自燃升温应急处置 SOP
在回采推进过程中，由于地质构造带变化（如断层导致煤体破裂）、工作面因设备故障非计划停工或封堵墙出现新裂缝，自燃带可能迅速扩大并引发一氧化碳突发性超限或温升。矿方必须配置井上下联合应急响应流程：
SOP 1：工作面回风隅角 CO 异常上升超限应急预案
- 触发条件：工作面传感器显示 CO 浓度在 30分钟 内由 10ppm 飙升至 $≥ 24\text{ ppm}$ 警戒线，且有微幅升高趋势。
- 处置流程：
- 撤人停产：班长立即通知该区域所有作业人员撤离，调度室拉断工作面非本质安全设备电源。
- 局部注氮防爆：开启工作面隅角车载大排量气动注氮泵，以 ≥ 1200\text{ m}^3\text{/h} 排量对自燃点所在采空区进行强制氮气惰化驱替。
- 隔压风流微调：通防科迅速降低主风扇排量或调节工作面风门，将进回风压差 \\Delta P 调低 30%，压制漏风风流。
- 大排量高浓度注浆封堵：启动地面充填制浆站，泵送添加了 3% 快凝膨胀剂的水泥-粉煤灰浆体，注入离自燃点最近的埋管通道。24小时 连续封堵，阻断外部氧气注入。
SOP 2：井下测温钻孔显示局部煤体温度逼近自燃临界值（如 $\ge 60^\circ\text{C}$）
- 触发条件：埋设在采空区内部的测温探头显示温度突破 60^\circ\text{C}，一氧化碳持续增加。
- 处置流程：
- 锁定层位与坐标：中控室根据三维数字孪生自采三维温度场图，精准定位高温异常点三维坐标。
- 快速打钻接力：在异常区上方的地表或进风巷打设大扭矩阻化注浆孔直达高温遗煤带。
- 高浓度三相泡沫泵送：经注浆管路压注“水泥-水-空气”三相阻化泡沫。三相泡沫能够膨胀 15倍 以上，覆盖大范围遗煤，快速降低煤体温度。
- 效果确认：持续测温直至异常点降温至 35^\circ\text{C} 以下，恢复常态化监控。
五、 陕北榆林特厚自燃煤层矿井封堵实践
5.1 工程与灾害背景
陕北榆林某大型煤矿主采三号特厚自燃煤层，平均厚度 8.5 米，属特易自燃煤层，自燃发火期极短（仅为 28天）。工作面回采进尺在推进过程中经常由于地质小断层影响导致工作面漏风严重。
在工作面切眼回采后期，回风隅角 CO 浓度经常突破 35ppm，迫使整个切眼频繁关停并注氮封锁，月均影响生产时间长达 6天。且该矿年堆存煤矸石和煤泥高达 120 万吨，地面处置压力极大，急需探索不出井的矸石充填防自燃新途径。
5.2 采空区充填封堵方案设计
该矿总工程师协调引进了采空区高致密多孔介质封堵工程：
- 充填工艺：使用煤矸石、粉煤灰、胶结粉和耐侵蚀阻化改性剂制备悬浮固相料浆。
- 注入层位：设计从进、回风顺槽沿斜向采空区埋设耐磨高压钢管，管道内径 125mm，埋深 35-50 米，正对自燃带煤柱。
- 注氮配置：配置地面制氮设备，利用已有管道在注浆间歇期进行大排量高纯氮气（纯度 $≥ 99.5\%$）的循环冲扫。
5.3 改造前后防灭火指标对账
项目投产并常态化运行后，安全生产指挥中心提取了封堵区各项高频指标，与改造前对比对账如下：
| 对比指标 | 封堵工程实施前 | 封堵工程实施后 | 防灾环保控制效果 |
|---|---|---|---|
| 回风隅角CO最大浓度 | 45 ppm (经常性超限) | 0 ~ 2 ppm (处于背景值) | 煤体零自燃安全态势 |
| 自燃带宽度区间 (O₂ 5%-18%) | 15 m ~ 115 m (宽达 100m) | 12 m ~ 38 m (宽度压减 74%) | 大大缩短危险氧化区域 |
| 封堵段裂隙渗透率 | 2.8 \times 10^{-8}\text{ m}^2 | 1.2 \times 10^{-12}\text{ m}^2 | 渗透系数下降4个数量级 |
| 因自燃煤火引发的非计划停产 | 18 天/年 | 0 天/年 | 生产效率大幅释放 |
| 年消纳矿区废弃矸石与粉煤灰 | 0 万吨 | 48.6 万吨/年 | 解决了废弃物环保出路 |
| 平均防灭火材料吨煤成本 | 15.2 元/吨 (局部爆破/注阻化剂) | 6.8 元/吨 (矸石综合利用抵扣) | 发火治理吨成本下降55.2% |
通过地面束管监测色谱仪的长期跟踪，封堵充填区域内部的氧气浓度长期维持在 3.2% 左右，遗煤自燃的链式化学反应被从物理结构和供氧边界上被根本切断。
六、 采空区充填防自燃可研申报准备资料清单
为设计和申报采空区防自燃充填封堵系统，矿方防灭火科需在可研编制前协调提供以下技术资料包：
- [ ] 自燃发火特性评估报告：权威检测机构出具的煤样最短自燃发火期（常温及高温加速氧化数据）。
- [ ] 采空区漏风流场图谱：回采工作面漏风通道及压差变化实测台账（包括进回风量、风流动力参数）。
- [ ] 工作面巷道布置及顺槽支护图纸：用于规划斜向采空区埋管的定向钻进轨迹及耐磨输送管道走向。
- [ ] 粉煤灰与煤矸石岩矿物性分析：特别是粉煤灰的细度模数与硅铝酸盐活性指标，用以设计超低收缩胶凝配方。
- [ ] 周边地下水源地质图：用于确定注浆化学防渗红线，确保注浆液绝对不会流入含水层发生生态跑跑。
七、 常见问题 FAQ
Q：在采空区高温火区周围进行注浆，是否会引发浆液瞬间气化产生高压喷出？
A：不会。当采空区处于高温预兆或局部引燃期时，首先必须通过注入大排量三相惰性气泡或大量冰水降低局部温度，在温度控制在安全界限（通常为 80^\circ\text{C} 以下）后，方可开展致密料浆的回填固结封堵，以确保施工安全。
Q：注浆浆液的高固相矸石在井下长距离泵送中，会不会在管道拐弯处离析沉淀，从而造成管内沉浆？
A：这与水胶比、剪切变形速率以及骨料级配密切相关。在设计中，我们要求加入 1.5% 以上的膨润土作为物理悬浮悬浮剂，并且利用质量流量计在线监控，浆体在 Φ125mm 耐磨管道中的最小渗流流速需 ≥ 1.4\text{ m/s}，可确保不离析、不沉浆。
Q：如何验证采空区内部的充填接顶率已经达到了设计要求的 95% 以上？
A：采用双金属丝三维数字雷达进行无缝成像，配合设在采空区顶板的微型高压持压压力表。当持压压力反馈稳定在 5.0 MPa 且不再发生变形沉实，即可从力学结构上确认充填体已与顶板关键层实现高抗压接顶。
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理。
专注于陕北、山西大同等高瓦斯自燃矿区遗煤防灭火设计、采空区充填隔漏风系统集成及煤矸石、粉煤灰不出井绿色利用。
联合中国矿业大学矿山灾害防治与环保重点实验室技术力量，为您提供合规、可控的防灾充填一体化工程策划。
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*声明：文中所有技术数据与案例指标均已脱敏处理。煤矿防自燃具有极强的高危性与异质性，施工方案设计必须由持牌防灭火专家结合具体矿井通风网络、发火规律进行定向力学推导。*