自燃煤層沿空留巷回采工作面防滅火技術研究

田澤偉

【摘 要】 自燃煤層工作面回采時選用沿空留巷技術雖然可降低巷道掘進工程量、提升煤炭開采效率，但也存在采空區漏風量過大、遺煤自燃發火問題。文章以3506綜采工作面為工程研究對象，提出采用砌筑高水充填墻體對采空區進行密閉，布置氣體成分監測系統對遺煤自燃發火進行預測，并結合噴灑阻化劑、采空區注氮、注凝膠等措施降低遺煤與氧氣接觸并惰化采空區氣體。現場應用表明，采面漏風率降低至5%以下，采面及采空區內未監測到自燃發火氣體成分且采空區內溫度保持正常，確保了采面生產安全。

【關鍵詞】 自燃煤層;遺煤;采空區漏風;阻化劑;防滅火;沿空留巷

近些年來切頂卸壓留巷技術通過恒阻錨索、深孔預裂爆破卸壓降低留巷難度，為無煤柱沿空留巷工作開展提供了切實可行的技術方法。但是采用切頂卸壓沿空留巷技術時也存在漏風量較大問題，在自燃煤層中應用存在一定的安全隱患。文中就對自燃煤層沿空留巷工作面防滅火技術展開研究，以期能在一定程度上促進沿空留巷技術推廣應用。

1工程概況

山西某礦3#煤厚3.6m，賦存穩定，傾角1～5°，埋深280m，煤層瓦斯原始含量為3.5m3/t，自燃發火危險性為II類（自燃發火區80d）。3#煤頂底板巖性以泥巖為主，直接頂隨采隨垮。

3506綜采工作面開采3#煤，采用Y型通風方式（即為兩進一回通風方式）。運輸巷為主進風巷（風量1320m3/min）、材料巷為輔助進風巷（風量480m3/min），乏風通過留巷段、鄰近采面回風巷流向采區回風上山，具體通風線路見圖1。3506材料巷采用沿空留巷方式保留下來為鄰近3508采面生產服務，巷道斷面為矩形（寬×高=5.0m×3.6m）。

采用Y型通風時由于材料巷留巷段為采面通風負壓最低點，采面切眼內部分風流會經過采空區流向留巷段，漏風量較大。

2防滅火技術

采用沿空留巷技術時防滅火工作可從降低采空區漏風、噴灑阻燃劑以及預防性注膠等方面開展。

2.1采空區密封技術

沿空留巷工作面采空區漏風量較大主要原因是留巷內漏風嚴重，可通過在布置密集支柱以及砌筑充填墻方式降低漏風量。

2.1.1密集支柱施工

在3506綜采工作面推進后，在切頂線內側600mm位置布置密集支柱支護頂板，支柱間間距為500mm。通過布置密集支護一方面可降低頂板下沉量、控制圍巖變形;另一方面可用固定充填袋，后與充填墻體共同配合起到擋矸作用。

在采面靠近材料巷一側的過渡支架后方設置用以支撐頂板及阻擋采空區矸石的擋矸支架，在擋矸支架保護下可為充填袋布置以及梯子梁搭設提供作業空間。與密集支柱平行鋪設金屬網、充填袋及梯子梁。在支柱布置前應提前在巷道底板上開挖柱窩，柱窩深度在100mm以上。具體密集支柱、梯子梁、金屬網以及充填袋布置情況見圖2。

2.1.2高水充填墻體施工

在采空區旁澆筑厚度800mm高水充填墻體可有效降低采空區內漏風量，具體充填墻體施工方式為：在擋矸支架提供的作業空間內，與密集單體相距800mm位置安裝鋼筋梯子梁，并將梯子梁通過鋼筋、托盤與單體支柱連接。在梯子梁與單體支柱間懸掛充填袋（長×寬×高=3000mm×800mm×3600mm），隨后在充填袋內充填高水材料，確保充填袋與巷道頂板緊密接觸。充填后形成的高水充填墻體抗壓強度應在3～5MPa，高水充填材料中的A料、B料按照1∶1配合比混合，水灰比為3∶1，并根據充填效果對水灰比進行調整。具體充填墻體結構見圖3。

2.2監測技術

在3506綜采工作面采用KJ83X綜合監測系統對采面內溫度、瓦斯以及CO等實時監測，采用地面束管監測系統（SG-2003）對自燃發火標志性氣體濃度進行定時測定，當發現有自燃發火征兆時即發出預警信息，提醒相關人員及時采取措施進行防滅火。

2.2.1采空區束管監測

在采面回采前即在回采巷道內靠近護巷煤柱側（與頂板相距在200mm以內）鋪設束管，并在運輸巷與開切眼交匯位置處布置第1個束管采樣點，隨著采面推進每隔30m布置一個束管采樣點，并確保采空區內束管采樣點數量在3個以上。采樣點埋入采空區后即采樣分析氣體成分。

2.2.2留巷段束管監測

在采面與材料巷交匯位置、留巷段尾部位置以及留巷段內每隔30～50m布置一個采樣點，對上隅角以及留巷段內氣體成分進行分析，從而判定采空區內以及留巷段內是否出現自燃發火征兆。具體束管監測系統采樣點位置見圖4。

2.3噴灑阻化劑

阻化劑是采面回采過程中常用防滅火技術，采煤機每割一刀煤后即從液壓支架間向采空區內噴灑阻化劑，從而預防采空區內遺落自然。同時對于裸露的煤體也應噴灑阻化劑起到隔絕氧氣作用。

在回采巷道內靠近采面位置處布置阻化劑存儲箱，按照預先設定配比稀釋阻化劑后，通過液壓泵將阻化劑箱、無縫鋼管、高壓軟管與高壓噴槍連接，安排專人在采面內全覆蓋噴灑阻化劑。

采面內的護巷煤柱防滅火主要通過噴灑阻化劑實現，通過采面內的移動式噴灑系統對煤柱進行全覆蓋噴灑。隨著采面推進阻化劑噴灑系統隨之前移，在煤柱內噴灑的阻化劑直至煤壁外滲阻化劑時結束。

2.4注氮

在材料巷內鋪設注氮管路向采空區內注氮。注氮量依據采空區內氧氣濃度判定，正常情況下注氮量為300m3/h;若檢測到采空區內氧氣濃度在15%以上或者存在有自燃發火標志性氣體時則應增加注氮量，將注氮量增加至600m3/h以上。具體注氮管路布置見圖5。

2.5采空區注凝膠

當采面、采空區內任意位置檢測到有自燃發火標志性氣體或者溫度異常時，應立即在采空區內注凝膠。采用的凝膠中水∶促凝劑∶基料=8.6∶0.4∶1，采用凝膠泵（型號NJB-100/10-G）灌注。具體在留巷段內通過施工φ93mm灌注鉆孔來進行注凝膠，鉆孔深度為50m、間距為6m，具體井下布置見圖6。

3應用效果

通過在3506綜采工作面布置高水充填墻體降低采空區漏風量;采用常規安全監測系統以及束管監測系統對采面、留巷段以及采空區內氣體成分進行實時檢測，可以及時發現采面煤層自燃發火傾向;向采空區噴灑阻化劑、采空區注氮以及注凝膠等措施預防遺煤自燃。在采面內采用的防滅火技術可惰化采空區內氣體，并減少遺煤與氧氣接觸、降低采空區內溫度，具有顯著的防滅火效果。

3506綜采工作面從2020年1月開始回采，至今已經推進超過650m，留巷段內CO濃度最高為3ppm（僅在2020年4月20日檢測到，后續未能再檢測到），CH4濃度在0.02～0.05%間;采空區內溫度始終保持正常。采面采空區漏風率控制在5%以內。現場應用表明，文中所提防滅火技術可滿足現場應用需要，可有效防止采面內煤層以及采空區內遺煤自燃。

4總結

沿空留巷技術在自燃煤層中應用面臨的主要問題之一是采空區漏風量較大，如何解決采空區內遺煤自燃問題是需要解決的現實問題。通過綜合分析發現通過布置高水充填墻可有效減少采空區內漏風量且應用成本相對較低;在采面內采用氣體成分監測系統、噴灑阻化劑，采空區內采用注氮、注凝膠等措施可有效降低采空區內遺煤自燃發火危險性。

現場應用表明，采空區漏風率降低至5%以下，采空區遺煤未出現自燃發火征兆。文中所提防滅火技術在自燃煤層沿空留巷回采工作面取得了顯著的防滅火效果。

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