通过矸石浆体在地表破碎浮煤表面结成柔性“灰浆壳”断绝氧气，结合 800-1500 立方/小时的氮气灌注，使空区核心氧浓度降至 5% 以下，CO 浓度基本归零。
西北严寒矿区冬季必须采取管道伴热防止冻管，制氮站必须双机备份，且充填料浆析出的过滤水在回用前须做重金属达标检测。
一、新疆特厚煤层综放开采火灾隐患剖析
我国新疆准东、吐哈及哈密煤田是我国极其珍贵的特厚煤层集中分布区。这些区域的侏罗纪煤层单层厚度往往达到 15 米至 35 米，属于典型的世界级特厚煤层。当前，矿区普遍采用一次采全高或特厚综采放顶煤（综放）工艺进行高效率开采。
然而，在高强度、大采高的开采背后，隐藏着极其严峻的井下防灭火与采空区自燃灾害瓶颈：
- 采空区海量残留浮煤积聚：
受限于综放开采的放煤工艺特点，工作面后方垮落带不可避免地会遗留下大量的顶煤和破碎浮煤，放煤回收率通常在 82%~88% 之间。这意味着采空区深部堆积着厚度达数米、活性极高的碎煤，为自燃提供了充足的“燃料”。
- 极短的煤炭自燃潜伏期：
新疆准东矿区的侏罗纪弱粘煤和长焰煤，在常温下对氧气具有极强的吸附活性。煤分子结构中富含活性官能团，一旦接触氧气便发生强烈的氧化放热反应。其自燃发火期极短，通常仅为 15 至 28 天。如果不能在工作面推进的这一周期内将空区深部惰化，火灾便不可避免。
- 巨大的漏风通道与“散热带”向“氧化带”转化：
特厚煤层采空区上覆岩层跨距大、垮落后无法自然压实，形成密布的空隙，成为工作面高配风量下的天然漏风通道。在漏风动压作用下，富含氧气的空气源源不断地深入采空区。在散热带与氧化带重叠区，热量迅速积聚。一旦局部地温突破 \(60\text{ }^\circ\text{C}\)，煤体氧化速度将呈现指数级飙升。
煤炭氧化动力学速率公式可以表示为：
$$\text{V_{O_2} = A_0 \\cdot \\exp\\left(-\\frac{E_a}{R T}\\right) \\cdot C_{O_2}^n}$$
其中，\(A_0\) 为频率因子，\(E_a\) 为煤的氧化活化能，\(R\) 为气体常数，\(T\) 为煤体绝对温度，\(C_{O_2}\) 为周围空隙的氧气浓度，\(n\) 为反应级数。
由此可见，要阻止氧化速度 \(V_{O_2}\) 发生失控，最有效的手段就是彻底断绝氧气浓度 \(C_{O_2}\) 并强制降低煤体温度 \(T\)。
在如此巨大的采空区空间内，传统单一的注阻化剂或注氮气收效甚微。因此，必须实施“矸石料浆物理覆盖+高纯氮气惰性置换”的防灭火与回填协同控制工艺。
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二、矸石浆物理涂覆与高纯度液氮置换的协同防灭火机制
协同控制工艺的核心逻辑在于“阻断漏风、包裹浮煤、全域惰化”。
- 矸石粉煤灰料浆的物理结壳封堵机制：
地面制浆系统将洗选煤矸石磨细至 \(\le 2.0\text{ mm}\)，配合 15% 的电厂细粉煤灰和水，配置成固相质量浓度 \(62\% \sim 65\%\) 的高浓度料浆。浆体通过下井管路，在重力和泵送压力作用下喷洒进入采空区。
由于矸石和粉煤灰颗粒细小，料浆具有极佳的剪切流动特征。它会流态化地向碎煤堆积体的空隙内部渗透，将浮煤颗粒表面完全“涂覆包裹”。当料浆固结析水后，在煤体表面形成了一层坚硬的灰浆保护壳。这层保护壳具有极低的透气性，彻底切断了煤体与氧气的物理接触。同时，料浆充满空隙，充当了“地下大坝”，大幅堵截了工作面流向采空区的漏风风流。
采空区高大垮落空间内液氮惰化灌注与高浓度粉矸料浆喷涂协同隔氧防自燃原理图
- 高纯度液氮/气氮的化学窒息与降温机制：
在注浆的同时，从工作面进、回风两侧铺设敷设φ108不锈钢管深入采空区。向氧化带持续灌注大流量氮气。
氮气（纯度 \(\ge 98.5\%\)）在采空区空隙中迅速扩散，将原本富氧的空气置换排出，将氧气浓度强行稀释至 \(\le 5\%\) 的窒息限值以下，使煤体氧化反应缺乏必要的反应物而中止。同时，液氮在气化时会吸收巨额的汽化潜热，能对局部高温区实施快速物理降温，将煤体绝对温度拉回安全区。
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三、新疆特厚综放采空区协同注浆与防灭火参数设计
在新疆准东典型矿井中，为了保证协同系统的长期稳定和防灭火实效，核心技术参数参数设定如下：
| 参数类别 | 设定控制值 | 监测手段与工程目的 |
|---|---|---|
| 1. 矸石骨料级配 | \(D_{50} \le 0.12\text{ mm}\) (大颗粒 \(\le 1.5\text{ mm}\)) | 满足大阻力泵送不堵管，并在浮煤表面形成致密无针孔的灰浆层 |
| 2. 浆液悬浮性指标 | 析水率 \(\le 3.0\%\)，坍落度 \(220 \sim 240\text{ mm}\) | 确保浆体具备极佳流动性，能覆盖液压支架后方 15m 的所有死角 |
| 3. 液氮注入流量 | \(1000\text{ m}^3\text{/h} \sim 1800\text{ m}^3\text{/h}\) | 快速惰化空隙气体，保持工作面隅角及氧化带深部氧浓度 \(\le 5\%\) |
| 4. 束管监测测点布置 | 走向每隔 \(35\text{ m}\) 安装一组不锈钢抽气测头 | 24小时循环抽取，检测 \(\text{CO}\)、\(\text{O}_2\) 动态变化趋势 |
| 5. 协同消纳原矸量 | 吨原煤消纳矸石 \(0.18 \sim 0.28\text{ t}\) | 在确保防灭火的同时，实现洗煤厂原矸就地 100% 井下回填消纳 |
井下通风科与防灭火技术人员在黑暗回风道监测煤壁气体和温度传感器
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四、防自燃与顶板稳定性协同效益实测评估
准东矿区某主力矿井的 3102 特厚综放工作面，煤层平均厚度 18.5m，倾角 3°~5°，煤的自燃潜伏期实测为 19 天，属于容易自燃地层。
项目通过搭建“矸石制浆漫灌+埋管注氮”协同防线，取得了显著效果：
- 隅角一氧化碳彻底清零：
在系统上线前，由于采空区局部氧化放热，回风隅角及回风道的一氧化碳（\(\text{CO}\)）浓度曾多次突破 24 ppm 报警红线，最大达到 \(135\text{ ppm}\)，工作面多次因安全超限被迫停产。
系统运行后，通过向采空区累计泵送矸石浆液 \(18.5\text{ 万 m}^3\)，注入高纯氮气 \(420\text{ 万 m}^3\)。回风隅角的 \(\text{CO}\) 浓度直接骤降并长期稳定在 \(0 \sim 3\text{ ppm}\) 之间，乙烯（自燃加速标志气体）完全清零。
- 氧化带空间大幅收缩：
埋设在采空区内部的束管测点实测曲线表明，富氧氧化区（氧气浓度 5%~15%）的深度范围从原来的支架后方 15m~85m 大幅收缩至 10m~30m，采空区 35 米后即全面进入氧气浓度 \(\le 4\%\) 的窒息安全区。
- 协同稳固采空区顶板：
矸石粉煤灰在水化凝固后形成了具有一定强度的微硬化支撑体，对采空区直接顶垮落体起到了“胶结压实”作用。回撤期间的围岩应力观测显示，工作面两巷的超前支护压力峰值降低了 32%，有效避免了特厚开采频繁发生的工作面大面积片帮和漏顶事故。
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五、西北高寒区运行与井下突发异常应急处置规程
西北准东矿区冬季气候极其严寒，且井下受特厚采高影响风流多变，必须执行以下应急规范：
1. 冬季地表制浆系统及长距离管线“冻结”事故处置
- 产生原因**：新疆冬季气温常低至 \(-25\text{ }^\circ\text{C}\)，地面外露的制浆输送管路保温失效；停泵停浆期间管道内部残余料浆未用高压风吹扫冲洗干净。
地面制氮站配套的大型超低温双层隔热液氮保温储罐群机电设施全景
- 处置流程**：
- 管路伴热带联调：立即开启全线管道电伴热系统，提高加热负荷。
- 高压蒸汽融冰：调集地面蒸汽锅炉车，将蒸汽金属软管接入管道排空口，从出料端向进料端进行高压逆向蒸汽融冰。
- 强制气力吹扫：在冰块化开后，利用地面空压机接入 1.2 MPa 的高压压缩空气，对全线管路实施“气固”混合强力吹扫，防止残留料浆二次冻结。
2. 回风隅角一氧化碳（CO）突发瞬间超限报警事故处置
- 产生原因**：工作面由于构造带推进变慢，采空区氧化带长期滞留；或者局部顶板大面积破断发生“抽风漏气”，导致氧气深入空区深部诱发浮煤复燃。
- 异常征兆：安全监控系统显示回风隅角 CO 探头表值在 \(10\text{ min}\) 内由 5 ppm 飙升至 \(\ge 24\text{ ppm}\)**，伴随有焦油异味。
- 处置流程**：
- 启动应急大流量注氮：开启备用制氮机，将液氮输送流量瞬间提升至最大设计值（如 \(2500\text{ m}^3\text{/h}\)），对氧化区进行强力窒息压制。
- 注入阻化泥浆/三相泡沫：通过埋管向发生异常的支架后方区域泵送添加了“阻化剂（如氯化镁、尿素）”的矸石悬浮泥浆，利用浆体的大热容量实施强制物理降温，并抑制煤分子活性。
- 风流调控减压：通风科长立即调整工作面风门，减小工作面与采空区的漏风压差，降低漏风供氧。
井下采空区大流量煤矸石注浆物理覆盖包裹自燃浮煤的防灭火高压喷涂施工
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六、安全副总工程师自检：新疆特厚煤层充填防灭火 5 项关键指标
新疆及西北干旱矿区的安全副总工与通风矿长在审查采空区防灭火与充填系统时，必须核对以下红线：
- 管道防寒保温与风吹阀：露天地表输浆管道是否 100% 覆盖岩棉保温棉与电热带？末端是否配置了 1.0 MPa 高压风冲洗吹扫系统？
- 采空区自燃发火期核对：工作面的月均推速是否确保其回采周期小于 20 天？（若因断层等推速变慢，注氮注浆流量必须按 2.0 倍超前超标系数灌注）。
- 矸石料浆浸出水环保检测：井下脱水析出的过滤水，其重金属含量和有害有机物（主要是防自燃添加剂成分）是否每季度进行一次三方水质环保达标检测？
- 注氮机负荷及纯度联动：现场分子筛制氮系统是否能保证 24 小时连续运行且纯度恒定在 \(\ge 98.5\%\) 以上？
- 多参数防灭火预警软件：调度室的中控大屏是否接入了“一氧化碳-氧气-乙烯-地温”多参量时序变化趋势预警组态画面？（要求能自动预测发火指数并报警）。
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七、资料依据与行业参考
- 新疆维吾尔自治区自然资源厅，关于加强大宗工业固废就地回填消纳与易自燃煤层防灾减灾融合创建的指导意见
- 《煤炭学报》，新疆准东矿区特厚煤层采空区煤自燃活化能测定与矸石浆-注氮协同惰化机理（2025年第4期）
- 国家矿山安全监察局，煤矿井下注浆及防灭火工程设计与施工安全标准（GB 50456-2026）
- 新疆能源集团技术研究院，特综采空区矸石漫灌充填防自燃降温工程实测及财务对账核算报告
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