易燃大傾角厚煤層綜放面停采撤架期間綜合防滅火技術＊

金永飛 李海濤 王 棟 縱 峰

（1.西安科技大學教育部工程研究中心，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西省西安市，710054；3.西安科技大學能源學院，陜西省西安市，710054；4.陜西煤化集團崔木煤礦，陜西省寶雞市，721599）

大傾角厚煤層自燃具有火源隱蔽，不易發現，煤層自燃過程發展期較長，一旦發現高溫或明火，周圍煤巖層已處于較高的溫度，儲存熱量大，高溫范圍大，立體分布，產生貧氧氧化放熱的特點，導致封閉滅火的周期長，且易復燃。從人為能夠控制的角度考慮，煤層自燃火災的防治主要需從降氧（封閉、減漏風、惰化）和降溫兩個方面著手。對于已形成的自燃高溫和隱患區域，必須采取以降溫為主的防滅火技術手段，否則極易復燃。

1 回撤面CO 超限過程

1.1 回撤面概況

崔木煤礦21302工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝，工作面斜長200m，采高4m，放頂煤高度8m。工作面采用U 型通風，正常生產期工作面風量為2400m3／min。2014年2月24日，該工作面停采，工作面頂部掛網且不放頂煤，開始施工撤架通道；2月25日工作面開始回撤，在撤架期間由于回風流中多次出現CO 超限情況，采取通風風量調整后暫停撤架。

1.2 回撤期間防滅火技術措施

參照21301 工作面 “三帶”測試結果，確定21302工作面自燃帶范圍為16～81 m。工作面在距停采線30m 左右開始掛網、做大棚，推進速度較慢。21302工作面收尾期間主要采取束管分析、鉆孔定位、黃泥灌漿、氮氣置換、端頭堵漏的綜合防滅火措施。

（1）束管監測。工作面距停采線回風巷50m、20m，進風機巷50m、30m 處，分別在21302進風機巷、回風巷采空區內預埋束管采樣頭，高度為1.5m，對采空區氣體進行束管氣樣分析。

（2）氮氣置換。距停采線20m、40m 處，在21302進風機巷預埋一趟注氮管路，工作面向采空區連續注氮，氮氣濃度不低于97%。

（3）黃泥灌漿。在工作面推采至距停采線15m、60m 處在進風機巷預埋灌漿管路進行采空區灌漿，水土比為4∶1。

（4）端頭封堵。工作面停采前在推進緩慢期間，每班必須在上隅角和下隅角垛袋封堵，減少采空區漏風量。

（5）降低風壓?；夭善陂g21302工作面配風量在1500m3／min 左右，停采后，在保證風排瓦斯不超限的情況下，將工作面供風降為800 m3／min左右，以降低進、回風側的壓差，減小采空區漏風。

1.3 CO 氣體濃度超限過程

21302工 作 面 于2014 年2 月24 日 到 達 停 采線，由于礦壓較大，頂煤散落極多，工作面上覆巖層破壞現象嚴重，支架未能在預定時間內及時回撤。2014年4月3日發現第100＃支架冒熱氣、掛汗，在上隅角、回風流、液壓支架架間發現CO 氣體濃度異常且呈上升趨勢。為給制定技術措施提供依據，安排人工每天對CO 氣體濃度較高的90?！?16＃支架架間進行重點監測，結果如圖1 所示。由圖1可見，自2014年3月26日發現CO 升高至2014年4月4日共經歷10d，10d中100?！?04＃支架間CO 氣體濃度上升趨勢最為明顯，最高處由0.000006%上升至0.000137%，回風流中CO 氣體濃度略有上升。

圖1 回風流、支架架間CO 氣體濃度

2014年4月3日，21302工作面回風巷撤架期間，工作面90＃支架、99＃～100＃支架、116＃支架架間最高溫度42℃，并伴有水霧出現，人工檢測CO濃度最大0.00006%，在90?！?16＃支架間打眼插管，注高壓水進行處理，并加大進風機巷和回風巷灌漿量。

2 CO 超限原因分析

（1）具備遺煤條件。崔木礦放頂煤開采，采4m放8m，正常生產期間工作面中部遺煤少，但兩道頂煤可達8 m 厚，收面期間整個工作面頂煤不回收，松散煤體的大量堆積為自燃創造了條件。

（2）具備供氧條件。該工作面正常生產期間工作面風量達2400 m3／min，回撤期間進行了調風，風向反轉，風量調節為1600m3／min。采空區大范圍內氧濃度仍較高，具備自燃的供氧條件。

（3）煤層具備自燃的時間。崔木礦開采的3＃煤層自然發火期在1個多月。該礦從2月底停采至4月初，工作面支架后及架間殘煤沒有及時清除，因此，大量采空區遺煤具備自燃的發展時間。

（4）采空區頂板淋水對自燃有抑制作用。正常生產期間，采空區頂板淋水嚴重，對煤層自燃起到抑制作用。到達停采線時，頂板淋水減少，對煤層自燃的抑制作用減少。同時，該工作面回風隅角出氣溫度較高，煤壁掛汗，隅角后上部CO 濃度較高，最高接近0.0002%，并且檢測到乙烯。

可以判斷21302工作面采空區局部區域溫度已經有所升高，有煤層自燃的傾向，必須采取必要的防滅火技術措施。

3 綜合防滅火技術治理及效果分析

3.1 加強煤自然發火監測預報

（1）停采期間，工作面上隅角、回風流及18＃～78＃支架、90?！?16＃支架架間瓦斯濃度、CO濃度、空氣溫度，每小班人工檢查3次；上隅角氣體每天采用束管、氣體色譜分析一次，并繪制氣體變化曲線圖。

（2）加強上隅角、回風流的一氧化碳、溫度、瓦斯傳感器的調校工作，確保傳感器實時在線監測。

（3）利用紅外線測溫儀測量工作面支架后、支架頂及鉆孔中的溫度，并繪制溫度監測曲線。

（4）利用KJ90安全監控系統對21302工作面回風流及上隅角的CO、溫度和CH4進行實時監測，撤架期間保證安全監控系統的正常運行。

3.2 綜合防滅火技術治理過程

工作面停采撤架期間，除繼續采取以上檢測、堵漏等措施外，防滅火重點工作轉移到工作面上、下隅角及支架向后3～6m、距底板向上8～10m位置，主要采取以下方案。

3.2.1 雙通道回撤支架

在發現局部支架上部出現CO 濃度上升、冒青煙情況后，為了不影響整體回撤速度，在78＃與79＃支架之間建2m 厚密封墻，將支架分別從工作面兩巷道依次撤出，如圖2所示，截至4月4日，回撤面兩端已經撤出17架支架。

3.2.2 工作面火區封閉

2014年4 月6 日，架間束管檢測檢查發現，97?！?8＃支架、99?！?05＃支架、116＃支架架間煤壁溫度最高58℃，并伴有大量的水霧出現，人工檢測CO 濃度最大0.0001%，對溫度高的支架架間氣樣分析后發現99?！?00＃支架處乙烯濃度為0.000023%、乙炔濃度為0.000003%，其他架間發現CO 濃度最大0.000186%，表明架間遺煤已發生自燃。為了保證礦井其他工作面安全生產，2014年4月7日，對21302進風機巷和回風巷各設一道密閉墻，墻上預留注氮、注漿管路，并用黃泥將封閉墻周圍及墻體抹勻，確保嚴密不漏風，封閉墻示意圖如圖3所示。

圖2 21302回撤面雙通道回撤示意圖

圖3 21302進風機巷、回風巷封閉墻示意圖

3.2.3 注漿和注高分子膠體

（1）支架前打鉆注高分子膠體。針對21302工作面的實際情況，在撤架期間，從工作面上隅角往下每隔2臺支架之間灌注高分子膠體，并在支架后部未冒落巷道處用碎煤堆垛墻體，封堵漏風通道。用錨桿鉆機自工作面回風側向采空區打鉆，鉆孔內下套管，并沿鉆孔向采空區注高分子膠體。鉆孔終點位于工作面尾梁后2～4 m，煤層頂板以上1～2m，鉆孔間距為3 m 左右，工作面回風側需打約5個鉆孔，每個鉆孔注膠量為50～80m3，工作面停采期間架前注膠情況見圖4所示。

圖4 工作面停采期間架前注膠示意圖

（2）鄰近工作面運輸巷高位鉆孔注漿。在21301工作面運輸巷設置鉆場，同時向21302工作面采空區膠體隔離充填帶打鉆，鉆孔終孔位置為距離工作面停采線10～30m，鉆孔間距3 m，共施工鉆孔7個，孔高度為煤層頂板處至其上1 m 范圍。每個孔注膠50～80m3，如圖5所示。

3.2.4 高溫區域架間注水降溫措施

工作面停采撤架期間，在21302工作面進風機巷及回風巷施工鉆場，向下隅角及工作面支架后施工防滅火注漿鉆孔，終孔點控制在下隅角及25＃支架、50＃支架、75＃支架向后3～6m、距支架頂板向上2 m 位置，共計施工10 個注漿鉆孔；啟封302高抽巷封閉墻，在高抽巷內施工防滅火注漿鉆孔，終孔點控制在上隅角及75＃支架、95＃支架向后3～6m、距支架頂板向上2m 位置，共計6個注漿鉆孔，如圖6所示。

圖5 鄰近工作面運輸巷道注膠平面示意圖

圖6 工作面停采線架后注水平面示意圖

3.3 治理效果

通過實施上述防滅火措施，21302回撤面封閉火區內工作面支架間溫度異常點的煤自燃情況得到了有效控制，工作面支架間CO 濃度恢復到了正常范圍，回風流及支架間CO 濃度低于0.000024%并保持穩定。2014年4月28日對火區進行啟封并將剩余支架成功有效撤出工作面。

4 結論

（1）大傾角厚煤層開采過程中，由于采空區停采線遺煤量較多，煤氧化熱量易于積聚，具有較大的自然發火危險；回撤期間，由于停留時間較長，漏風嚴重，導致深部煤層二次氧化，容易造成工作面CO 氣體濃度升高，影響回撤工作。

（2）煤自燃隱患治理比較復雜，不能單一地強調對高溫隱患的根除，應根據實際情況對異常區域進行有效地控制，以保障煤礦的正常生產；停采后，應盡快回撤，并對工作面CO 氣體濃度進行監測，采取相應措施進行提前預防，如架后鉆孔注膠、上分層兩巷灌漿等。

（3）大傾角厚煤層綜放面停采撤架期間，應時刻對采空區氣體進行檢測，一旦發現異常，應對支架后部及支架之間遺煤及時處理，防止自然發火；應迅速采取相應措施延長自然發火期，減緩煤自熱氧化作用，防止由于支架后局部碎煤氧化導致氧化進一步加深而影響撤架工作；撤完支架后應迅速有效封閉火區。

（4）通過采空區灌漿并及時對上下巷道進行封堵，能有效抑制煤與氧氣的接觸，并能填堵采空區遺煤的縫隙，從而抑制煤的自熱，有效控制采空區火災的發生。在重點時期，對采空區進行鉆孔和膠體壓住，嚴防遺煤自燃。

（5）21302開采工作面因停采線局部碎煤氧化升溫導致工作面架間CO 氣體濃度升高，采取整體火區封閉、支架后鉆孔注防滅火材料、高溫支架間煤層注水及兩巷灌漿等措施，效果明顯，抑制了遺煤自然升溫過程，保證該工作面安全回撤。

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