綜放工作面通過上分層隱蔽老火區防滅火技術實踐

鄒德龍

(煤科集團沈陽研究院有限公司)

對于一些特厚煤層下分層開采時，其工作面防滅火難度增大[1]，特別是綜放工作面放煤強度大[2]，致使上下分層采空區極易導通，把原本只需一個工作面防滅火變成了需要治理2個甚至更多，大大增加了采空區防滅火工作的難度，尤其是一些上分層工作面采空區曾經發生過火災，更提出了新的難題。由于時間間隔較長，上分層的火區位置不明，范圍不準確，也給下分層的工作面防滅火工作增加了困難。為此，有必要對綜放工作面過上分層隱蔽老火區防滅火技術進行研究。

1 工程概況

下溝煤礦地處陜西省咸陽市彬縣境內，礦井設計生產能力為3.0 Mt/a，目前正回采ZF1801工作面，主采煤層為4#煤層，平均厚16.7 m，分2層開采，首先開采的上分層為C1801工作面，采用高檔普采方式，已于2000年8月回采完畢，采厚為2.3 m，留2 m頂煤，回采期間工作面采空區局部地區發生過火災。ZF1801工作面傾斜長1 140 m,走向長度在4#煤層上部有鄰近層4上2和4上1分別距4#煤層頂板13.1和22.5 m。工作面采用U型通風，配風量約1 500 m3/min。煤層為自燃煤層。

2 工作面自燃發火危險分析

2.1 上分層采空區影響因素分析

(1)ZF1801工作面上分層工作面為C1801工作面，回采期間在采空區遺留了大量的浮煤，而且上下分層煤層間距很小(3.1～7.8 m), ZF1801工作面采空區頂板垮落后將會漏穿上分層C1801工作面采空區，引發上分層采空區的浮煤大量落入采面采空區而造成二次氧化，加速本采面采空區自燃。

(2)C1801工作面采空區發生過火災，且采空區遺留浮煤已被氧化過，隨著本工作面不斷開采放頂，采場與上部老空區的壓力會逐漸發生變化，原有的壓力平衡被打破，造成上部老空區漏風量顯著增加，形成漏風通道，可能直接導致上部老采空區發生二次自燃，倘若發生自燃，會使得火源懸于本工作面之上，為防滅火工作增加了更大的困難。因此，上下分層新老采空區的防滅火工作應立體同治。

2.2 本工作面防滅火危險分析

(1)ZF1801工作面煤層平均自燃發火期短(3個月)，最短自然發火期一般為26 d，煤層為Ⅰ類易自燃煤層。因此，采面在回采過程中堆積的浮煤極易發生氧化自燃。

(2)ZF1801工作面傾斜長度大，漏風通道長，煤層厚度大采空區浮煤多，工作面埋藏深度大，礦山壓力作用大，易引起采場圍巖、煤體松動破碎，增加漏風通道，會引起采空區大量供氧，加速煤的氧化，導致工作面采空區發生氧化自燃。

3 工作面防滅火方案設計與應用

3.1 總體防滅火方案

ZF1801工作面采用以灌漿為主、注氮為輔，結合束管監測，必要時采用灌注三相泡沫、注凝膠等綜合防滅火方法，同時在通風、回采管理上向利于防滅火工作上調整[3]。

3.2 合理配風量分析

工作面原配風量為1 500 m3/min，以保證工作面的適宜溫度(26 ℃以下)和回風順槽瓦斯不超限為原則，合理減少工作面的進風量，減少采空區漏風[4]。通過氣象條件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量分別計算合理風量，同時對工作面人數以及風速進行驗算，確定工作面實際需風量滿足各種條件下的風量最大值為1 034 m3/min。當工作面回采至距C1801工作面上分層100 m時，根據實際情況將工作面風量調節至1 034 m3/min，以利于防滅火工作。

3.3 黃泥灌漿方式優化

為確保本工作面采空區與上分層采空區均不發生煤層自燃，將原有的本工作面單一注漿方式調整為上下采空區同時注漿。

3.3.1 ZF1801工作面采空區灌漿

從配風巷連接φ159 mm黃泥灌漿管進入ZF1801工作面運輸順槽巷口，在巷北幫每3 m打設一個規格為φ16 mm×1 200 m錨桿，用扁鐵懸掛于錨桿上，每個錨桿距管口1.5 m，懸掛高度為1.5 m。工作面采用φ133 mm無縫鋼管灌漿管路約1 000 m，布置在運輸順槽上幫1.5 m處，用扁鐵懸掛于錨桿上，每個錨桿距管口1.5 m，在每個上分層頂板灌漿孔處留設三通，最終位置在采空區。

(1)灌漿管路從回風順槽埋入采空區，隨工作面回采推進，灌漿管路埋入采空區50 m時截開，重新埋入。

(2)采用間斷性灌漿，根據自然發火觀測數據，當回順CO濃度大于0.001%且有上升趨勢時，開始向采空區灌漿。灌漿材料選用黃土，泥漿濃度水土比為3∶1。

(3)根據上分層觀測孔觀測數據，當上分層采空區CO濃度大于0.001%且有上升趨勢時，利用回順巷內留設的黃泥灌漿管三通向采空區灌漿。灌漿材料選用黃土，泥漿濃度水土比為2∶1。當工作面回采至距C1801工作面上分層100 m時，停止灌漿。

3.3.2 上分層采空區灌漿

ZF1801工作面回采期間，繼續執行掘進期間上分層灌漿措施。

3.4 動態雙排篩管立體注氮防滅火工藝

由于本工作面采空區防滅火工作復雜，常規的注氮方式很難保障工作面安全生產的需要。鑒于氮氣密度小于大氣，化學性質穩定,擴散緩慢，直接注氮效果難有保障，為此本次在常規注氮技術的基礎上提出了動態雙排篩管注氮工藝，在工作面架后動態鋪設篩管對工作面采空區進行雙排注氮。具體實施方案為從運輸順槽鋪設一趟φ108 mm注氮管路，注氮管路必須架設、連接牢固，氣密性好。在每個上分層頂板灌漿孔處留設三通，連接到上分層注氮孔(通過向上分層施工鉆孔實現立體注氮)，保持上分層采空區注氮。在靠近工作面切眼段100 m處時，各連接2條φ80 mm支管路，工作面架后鋪設一條φ80 mm軟篩管，隨著工作面的推進，篩管置于采空區內，2條篩管管口錯距為20 m,2條管路都安設閥門，每條支管埋深50 m時斷開，2條注氮篩管路交替前移；采空區每天注氮不少于21 h，注氮量必須達到500 m3/h，氮氣濃度必須達到97%以上。

隨著工作面的推進，當第一趟注氮管路埋入采空區50 m時，開始埋入第二趟支管路，當第二趟注氮管口埋入采空區25 m后向采空區注氮，同時停止第一趟管路注氮，并重新埋設注氮管路，如此循環，直至工作面停采為止。注氮工藝見圖1。

圖1 注氮工藝示意

3.5 膠體堵漏風及防火隔離墻

本次工作面防滅火工作在注氮和灌漿的基礎上注入膠體并設置隔離墻(圖2)，具體方案如下：

(1)ZF1801進風回順槽的氣體觀測鉆孔在進入工作面采空區前20 m左右時，失去觀測作用，對鉆孔壓注150 m3膠體。

(2)采空區進風側距停采線80，50，20 m分別注MCJ12高分子膠體，形成一道沿傾向3～5 m、走向10～15 m、高4～6 m的膠體隔離墻，外側有砂袋墻。每道膠體墻用膠量為50～150 m3。

(3)采空區回風側距停采線50，30，10 m采用沙袋或粉煤灰袋形成2～3 m的隔離墻，并在墻內注高分子膠體，形成一道沿傾向3～5 m、走向10～15 m 高接頂的隔離墻。每道膠體墻用膠量為50～150 m3。

圖2 膠體墻布置示意

4 工作面防滅火監測

防滅火監測是工作面防火的重要環節，本次通過人工檢測、安全監測和人工采樣分析的方法對工作面采空區及上分層采空區發火情況進行系統的監測，具體采空區自燃防治測點布置方案如下：

(1)ZF1801工作面回采至C1801工作面采空區下部后，在工作面進、回風順槽每隔50 m設置一個采空區束管監測點，定時監測火災氣體濃度。

(2)利用ZF1801工作面進、回風順槽掘進時向上部采空區布置的6個觀測鉆孔監測上部采空區火災氣體隨本工作面采動的變化情況，分析上分層采空區是否存在高溫區域。為避免監測鉆孔加重上分層采空區的供氧情況，每次監測后應及時封堵鉆孔。

(3)在采空區距停采線進風側90，60，35 m， 回風側70，50，30，10，0 m(上隅角)預埋束管測點，并采取保護措施，以加強工作面未采和撤架期間工作面采空區浮煤自燃的監測和早期預報，同時分析和監測上隅角瓦斯抽放系統中一氧化碳和氧氣濃度。

(4)ZF1801工作面回采前，在運輸順槽敷設2根束管，回風順槽敷設3根束管。運輸順槽2條束管終端錯距為30 m，回風順槽3條束管終端錯距為20 m，當束管隨著工作面回采埋入至采空區60 m時截斷，重新埋入。為防止束管被壓實，利用2寸鋼管作為防護套管對束管進行保護。為了便于區分不同的測點，使用不同顏色φ8 mm束管。為確保監測數據準確，在束管端頭安裝過濾式探頭,每根束管負責監測一個測點的氣樣。為了防止采空區積水堵塞束管，每個探頭高出底板0.5 m以上，同時在探頭外用留有細孔的鐵箱罩住，以防擠壓損壞束管，具體探頭布置見圖3。為保障束管監測的穩定性，在鋪設的過程中還應注意3點：①每個測點的探頭都應在引出的過程中標示清楚編號；②在鋪設探頭的過程中，所有的管路應緊貼煤體以減少垮落壓斷；③鐵箱自帶3條腿的支架，以達到穩定的目的。

圖3 運輸(回風)順槽埋管觀測探頭布置

5 強化防滅火工作面管理

根據現在采空區瓦斯異常，必須加強瓦斯管理。ZF1801工作面采取如下措施：

(1)工作面回采期間減少生產影響，確保工作面推進度，根據西安科技大學為下溝礦所作的“三帶”觀測結果及礦山開采實際，采空區 “三帶”范圍不超過70 m，因此，每月推進度不低于90 m[5]。

(2)每班必須安排專人對工作面架間及架前浮煤認真清理。

(3)對巷道承壓段進行噴馬麗散封堵。

6 防滅火效果

通過采取一系列工作面綜合防滅火措施，使下分層ZF1801工作面采空區CO濃度由回采初期的(115～386)×10-6逐步下降至(10～18)×10-6,上分層工作面采空區內CO濃度由回采初期的(210～445)×10-6下降至(12～21)×10-6，消除了工作面采空區發生火災的隱患，保障了工作面安全回采。

7 結 論

通過分析下分層ZF1801工作面自然發火危險，提出了上下分層新老采空區立體同治的防火理念，并基于此設計了下溝煤礦綜放工作面通過上分層隱蔽老火區期間的防滅火方案。通過合理調配風量、優化灌漿、注氮、注凝膠等防火措施，并結合防滅火監測與管理，消除了ZF1801工作面采空區的火災隱患，確保了工作面的安全回采，為日后綜放工作面通過上分層隱蔽老火區時的防滅火工作提供了實踐經驗。

[1] 高登彥.淺埋深易自燃煤層下分層放頂煤工作面防滅火技術[J].中國礦業，2017(12)：23-24.

[2] 王惠風,陳殿賦.綜放面采空區自燃防治技術研究及應用[J].煤炭工程，2016(1)：18-20.

[3] 楊波,王偉.神華集團公司礦井火災防治實踐[J].煤礦安全，2015(11)：84-85.

[4] 張長山,于志金,陳曉坤,等.近距離復合煤層群煤柱自燃綜合治理技術[J].煤礦安全，2016(11)：92-93.

[5] 李治剛,黎 力,畢井龍,等.采空區自然發火“三帶”規律研究[J].煤炭技術，2016(12)：74-75.