工作面末采回撤時期防滅火及快速回撤技術

孫雪亮

（神華新疆能源有限責任公司 堿溝煤礦，新疆 烏魯木齊 830000）

由于新疆地區煤層普遍埋藏較淺，尤其是急傾斜煤層，其基本上是裸露在大氣中，且隨煤層開采，架后采空區垮落直接與地表連通，在礦井負壓通風作用下，地表向井下漏風較為嚴重。工作面在正常回采時，推進速度較快，很快將氧化帶甩入窒息帶中，架后采空區發生自然發火的可能性較小。但是，在工作面末采回撤時期，末采時期工作面推進緩慢，若工作面回撤周期較長時，采空區氧化帶內的浮煤與氧接觸時間接近甚至超過最短自然發火期，采空區極有可能發生自然發火。為了防止工作面末采回撤時期采空區遺煤出現自然發火，以堿溝煤礦+495 m B1-2工作面為研究對象，研究在工作面末采回撤時期防滅火及快速回撤技術，對新疆其它礦井工作面末采回撤時期防滅火及快速回撤具有借鑒和指導意義[1-2]。

1 工作面概況

1.1 歷史回撤工作面概況

+495 m B3-6工作面位于堿溝煤礦副斜井東翼，開采B3-6煤層，南側50 m為B2煤層，北側為B6煤層頂板，其上部存在+518 m B3-6采空區、+541 m B3-6采空區和+572 m B3-6采空區等上覆采空區。工作面標高為+495 m，地面標高為+765～+815 m。

+495 m B3-6工作面開采的是B3-6煤層，其位于八道灣向斜南翼，為單斜構造，煤層走向自西向東54°～57°，呈略向北突出的弧形，煤層傾向 326°，傾角85°～87°，煤層平均厚度 39.8 m，有益厚度平均 30.8 m，有2層夾矸，夾矸平均總厚為9.7 m。B3-6煤層均具有自然發火傾向性，自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬自燃煤層，B3-6最短自然發火期為31 d。B3-6煤層煤塵均具爆炸危險性。

+495 m B3-6工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采方法，全部垮落法管理采空區，水平分段高度為23 m，其中機采高度為3.2 m，放頂煤高度為 19.8 m，采放比 1∶6.2，采煤機截深為 0.6 m。工作面共安設了36副支架，其中30副中間支架，3副過渡液壓支架和3副超前液壓支架。

1.2 +495 m B1-2回撤工作面概況

+495 m B1-2工作面位于堿溝煤礦副斜井東翼，東部為+495水平邊界煤柱，西部為工業廣場保護煤柱，北部50 m為B3煤層，南部為B1煤層底板。+495水平B1-2工作面上部存在+518 mB1-2采空區、+541 m B1-2采空區和+572 m B1-2采空區等上覆采空區，下部為B1-2煤層實體煤，南部為B1煤層地板巖層，北部50 m為+495 m B3-6采空區。工作面標高+495 m，地表標高+765～+815 m。

+495 m B1-2工作面開采B1-2煤層，其位于八道灣向斜南翼，為單斜構造，煤層走向自西向東54°～57°，呈略向北突出的弧形，煤層傾角 85°～87°，煤層平均厚度 39.8 m，有益厚度平均 30.8 m，有 2層夾矸，巖性分別為炭質泥巖（平均2.3 m）和粉砂巖（平均 7.4 m），夾矸平均總厚為 9.7 m。

B1-2煤層均具有自然發火傾向性，自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬自燃煤層，B1-2煤層最短自然發火期為36 d。B1-2煤層煤塵均具爆炸危險性。

工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采方法，全部垮落法管理采空區，所采煤層分段高度為23 m，其中機采高度為3.2 m，放頂煤高度為19.8 m，采放比 1∶6.2，采煤機截深為 0.6 m。工作面共安設了20副支架，其中16副中間支架，3副超前支架和1副端頭液壓支架。

2 歷史回撤工作面CO濃度異常因素分析

2.1 +495 m B3-6工作面出現CO濃度情況

1）工作面回風隅角及采空區CO濃度相對礦井歷史其他工作面回撤時高。

2）在回收完除支架外全部設備回收工作后，在工作面8#～22#架前及后溜位置底板檢測到較高濃度的CO氣體，一般在37×10-6左右，支架中上部采空區碎煤區域CO濃度反而較低，其中18#架后溜底板位置CO濃度最高，超過100×10-6，且從底板上局部區域有較高濃度的H2S氣體涌出，經取樣分析最高濃度達到200×10-6，底板涌出氣體內氧氣濃度基本在8%以下。

3）在工作面開始支架回收后，隨支架拉出，頂煤垮落后，垮落區域內CO濃度很高，達到400×10-6以上，但氧氣很低。

2.2 CO濃度異常原因分析

2.2.1 采空區及回風隅角CO濃度異常原因

超前預裂殘留炮煙及煤體吸附CO氣體受擾動影響逐漸釋放。+495 m B3-6工作面于2016年12月2日起爆最后1排超前預裂爆破，共使用乳化炸藥1.8 t，工作面于2016年12月17日保護性封閉，于2017年2月12日啟封回撤，在回撤支架擾動影響下，超前預裂鉆孔內殘留炮煙和煤體吸附CO氣體受擾動影響而解吸涌出，由此導致工作面架后采空區及回風隅角CO濃度相對其他工作面濃度更高。

+495 m B1-2采空區采取全部垮落法管理頂板，隨+495 m B1-2采空區垮冒，+518水平及以上各水平的采空區與+495 m B1-2采空區垮冒在一起且形成更加復雜的采空區，在礦井全負壓通風作用下，上覆采空區內積存少量的CO氣體（上覆采空區內無C2H4、C2H2）也將涌出至+495 m B1-2工作面，工作面回風隅角CO濃度異常。

2.2.2 底板CO和H2S氣體異常原因

+495 m B3-6工作面在停采線位置礦壓較大并導致底鼓現象。+495 m B3-6工作面架后約20 m采空區正下部26 m為+469 m B3-6工作面東翼B6巷與東翼B3巷聯絡巷，在回采動壓和較大的礦山壓力作用下，煤層受壓破碎，形成裂隙漏風通道。在礦井負壓通風作用下，+469 m B3-6工作面風流通過階段破碎煤體內的裂隙漏入+495 m B3-6工作面，階段破碎煤體氧化升溫，生成較高濃度的CO氣體，較高的溫度也促進了破碎煤體內H2S氣體的脫附，導致了有害氣體的異常涌出現象。

2.2.3 支架回撤時垮冒區域CO濃度異常原因

支架回撤時，垮冒區域CO濃度異常原因主要有以下3個方面：一是超前預裂殘留炮煙及煤體吸附受擾動影響逐漸釋放CO氣體；二是采空區內遺煤氧化時間超過最短自然發火期，回撤工作面采空區內遺煤進入氧化時間累計53 d，超出最短自然發火期22 d，采空區破碎煤體經長時間氧化也會生成大量CO氣體；三是工作面與上部多層采空區、地表都可直接垮通，地表新鮮風流在礦井負壓和自然風壓等作用下，可滲流經過多層采空區并進入回撤工作面，在長期的回撤過程中，回撤工作面頂部的多層采空區內破碎遺煤也會氧化產生大量CO氣體，隨漏風漏入回撤工作面。

3 +495 m B1-2回撤面防滅火及快速回撤技術

為避免+495 m B1-2工作面回撤時出現+495 m B3-6工作面回撤時的氣體異常問題，吸取+495 m B3-6工作面回撤時的經驗，+495 m B1-2工作面回撤時采取了以下措施。

3.1 末采階段強化放煤

在工作面末采階段且施工礦務工程前，提高頂煤放出率，直到支架放煤窗口見黃土時停止放煤，目的是在架后形成1道黃土隔離帶、減小氧化帶范圍。當工作面回采至距停采線14 m時，開始施工回撤通道、鋪網等礦務工程，此階段不放頂煤，因此架后15 m范圍是采空區防滅火工作的重點區域[3-4]。

3.2 雙巷回撤吊裝硐室外移

堿溝煤礦早期的回撤工作面均采用單巷回撤，回撤時間較長，導致較大自燃隱患的發生，而改為雙巷回撤后，將極大縮短工作面支架回撤時長。

為了進一步縮短支架回撤時長，將巷道內的吊裝硐室位置由原來的距離停采線30 m挪至巷口，與工作面停采線位置距離擴大至84 m，這樣可加快工作面支架的抽出速度，未拆解的支架也可儲存在回撤工作面的2條巷道內，而支架全部拉出后，即可修筑回撤工作面2條巷道距停采線最近的永久密閉，而2條巷道內儲存的支架則可慢慢拆解[5-7]。

3.3 主動的防滅火技術

3.3.1 堵漏措施

1）地表堵漏。由于工作面采出煤層厚度大，地表將形成深度較大的條帶狀的塌陷坑，地表塌陷坑的填埋應作為工作面末采回撤期間的防滅火關鍵工作來做，必須及時對地表塌陷坑進行填埋，填埋后必須保證不露出煤巖體。

2）采空區兩巷道封堵。在工作面推進至距離停采線50 m位置時在工作面進、回風巷端頭壘厚度大于1 m的砂袋或黃土擋風墻，擋風墻必須與巷道外幫和頂部接實接嚴，并向擋風墻表面噴涂史達夫等堵漏材料，以最大限度減少漏風；之后，工作面每推進20 m，按同樣的要求再在進、回風巷端頭分別構筑2道擋風墻[8-10]。

3）加強對上部+564水平、+541水平、+518水平各工作面密閉的檢查，杜絕漏風。

4）在工作面回撤期間，利用+495水平B1-2工作面兩巷道及架間預留鉆孔灌注史達夫封堵煤體裂隙通道。

3.3.2 立體注氮措施

1）架后注氮。工作面回撤前分別在架后15 m和25 m采空區內鋪設全斷面φ50 mm注氮管路，注氮管路每隔30 cm打1個眼，有利于氮氣均勻分布在采空區內，注氮流量為300 m3/h，架后采空區注氮管路布置示意圖如圖1。

圖1 架后采空區注氮管路布置示意圖

2）上覆采空區注氮。+495 m B1-2工作面第1道聯絡巷設置鉆場，向+518 m B1-2工作面停采線位置施工1組注氮鉆孔，共4個鉆孔，開口間距為1 m，終孔間距為10 m，上分層采空區注氮鉆孔布置示意圖如圖2。

圖2 上分層采空區注氮鉆孔布置示意圖

3.3.3 灌漿措施

1）架后預防灌漿。利用采空區預埋的注氮管路向采空區間歇式注漿（水），消除+495水平與+469水平間的破碎階段煤柱和+495水平采空區自然發火的危險。

2）頂煤灌漿。在工作面10#～20#支架架間往采空區方向施工了4個傾角為75°的鉆孔，鉆孔終孔高度至+518 m水平，施工的各鉆孔全程下套管，向支架上方的破碎頂煤和采空區淺部的中上部破碎煤體灌漿，工作面架間鉆孔布置示意圖如圖3。

4 效果分析

在+495 m B1-2工作面末采階段，強化放頂煤、提高停采線附近的采出率，直至放煤窗口見黃土時關閉放煤窗口，有效地減小采空區遺煤量并在架后形成1道黃土隔離帶，減小采空區氧化帶范圍。工作面采取了吊裝硐室外移和雙巷回撤，增加了拆架和移架空間，極大縮短了工作面設備回撤周期。主動的防滅火技術措施起到了抑制和阻礙煤自然發火，延長煤體自然發火周期。通過上述措施，工作面回撤周期縮短至18 d，并無出現自然發火征兆。

圖3 工作面架間鉆孔布置示意圖

5 結論

1）強化放煤減少采空區內遺煤量、在架后采空區形成1道黃土隔離帶和減小采空區氧化帶范圍。

2）雙巷回撤，吊裝硐室外移，增加了拆架、移架的空間，有利縮短工作面回撤周期，減少采空區遺煤氧化時間。

3）主動的防滅火技術措施抑制和阻礙了煤體自然發火的進程，延長了煤體自然發火周期，為+495 m B1-2工作面安全回撤提高了安全系數。

4）+495 m B1-2工作面回撤周期縮短至18 d，為其它礦井工作面防滅火及快速回撤提供借鑒和指導意義。