特厚煤層采煤工作面臨時(shí)封閉防滅火技術(shù)研究

劉星樂(lè)，上官良良 ，李志勇 ，翟智哲 ，李 惠

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦 ，山東 兗州 272102）

0 引 言

興隆莊煤礦10306 工作面位于十采區(qū)中部，切眼以井田邊界保護(hù)煤柱為界與東灘礦的14311 設(shè)計(jì)工作面相鄰，東部與10305 工作面（已回采）相鄰，西南部為八采區(qū)探煤巷。工作面地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，煤層總體為一單斜構(gòu)造，煤層傾角2～18°,平均9°發(fā)育有次一級(jí)的波狀起伏，煤層厚度為7.8～10.5m，平均厚度9.37m，工作面所采3 煤自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，屬于自燃煤層，自然發(fā)火期3～6 個(gè)月，最短發(fā)火期44 天。

工作面為“U”型全風(fēng)壓通風(fēng)，軌順進(jìn)風(fēng)，運(yùn)順回風(fēng) ， 工 作 面 需 風(fēng) 量 1150m3/min， 實(shí) 際 配 風(fēng)1150～1300m3/min。面長(zhǎng) 252m，共有 146 組支架，推進(jìn)長(zhǎng)度1480m，工作面采用綜采放頂煤工藝。工作面回采期間揭露多個(gè)斷層，其中，10306F1 19°∠75°H=2.5m 斷層貫穿整個(gè)工作面，劉家樓二號(hào)斷層265°∠75°H=5.4m 貫穿軌順中部及切眼中部，對(duì)采掘生產(chǎn)影響較大。工作面回采期間推過(guò)十采四橫中間巷及聯(lián)絡(luò)巷、10306 三聯(lián)、10307 三聯(lián)等聯(lián)絡(luò)巷。

工作面于2016 年8 月26 日停采，此時(shí)礦井安撤任務(wù)比較集中，根據(jù)礦接續(xù)情況，重點(diǎn)進(jìn)行其他安撤工作，礦決定臨時(shí)封閉10306 工作面。因工作面停采后擱置時(shí)間較長(zhǎng)，臨時(shí)封閉前，出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，治理完成后，工作面于2016 年10 月11 日臨時(shí)封閉。工作面正式停采至臨時(shí)封閉共計(jì)47 天，自燃發(fā)火防治難度較大，該工作面創(chuàng)新性地實(shí)施了綜合防滅火手段，有效緩解煤的自然發(fā)火趨勢(shì)，確保了工作面安全順利封閉，措施效果顯著。

1 工作面停采前的防滅火措施

1）末采期間，工作面每推進(jìn)20m 在進(jìn)回風(fēng)隅角施工隔離垛，進(jìn)風(fēng)隅角共施工隔離垛6 個(gè)，回風(fēng)隅角共施工3 個(gè)。

2） 距停采線(xiàn)50m、30m 處在進(jìn)風(fēng)隅角預(yù)埋注漿管路，隨工作面回采向外延伸，距停采線(xiàn)45m 時(shí)，在回風(fēng)隅角處預(yù)埋一路注漿管路，隨工作面回采向外延伸。

3）距停采線(xiàn)20m、10m 時(shí)，分別在兩隅角施工夾心隔離垛，中間壓注LFM充填材料，將夾心隔離垛空間充滿(mǎn)，并在外側(cè)噴涂堵漏材料，見(jiàn)圖1。

圖1 10306 面隅角充填隔離

4）利用回風(fēng)隅角預(yù)留的束管，每天抽取回風(fēng)隅角氣體進(jìn)行化驗(yàn)分析。每3 天對(duì)10306 工作面進(jìn)行一次全面的測(cè)風(fēng)，重點(diǎn)檢查回風(fēng)流、回風(fēng)隅角氣體情況。

2 工作面停采條件及采取的措施

工作面6- 8 月份推進(jìn)度分別為82.5m、93.5m、52m（截至停采），回收率分別為93.6%、90.13%、85.62%。截止8 月26 日，工作面完成回采，停采線(xiàn)位于軌順149#、運(yùn)順147# 位置，停采線(xiàn)附近揭露10305F6 斷層，落差3.2 m。工作面末采期間為俯采推進(jìn)，至停采線(xiàn)運(yùn)順比軌順高25m，且停采線(xiàn)處頂板整體較為破碎，工作面形成多處網(wǎng)兜且有離層現(xiàn)象。同時(shí)，受斷層及停采前敷設(shè)金屬網(wǎng)加固頂板未放頂煤影響，末采階段采空區(qū)遺煤較多，防滅火形勢(shì)極為嚴(yán)峻。

1）工作面停采后，立即在兩隅角施工一道隔離垛封閉隅角。向軌順夾心隔離垛、運(yùn)順隔離垛外噴注SFT 堵漏材料，對(duì)工作面10- 120# 支架前破碎煤體及網(wǎng)兜噴灑堵漏材料，封堵漏風(fēng)通道，減少向本面采空區(qū)漏風(fēng)供氧。對(duì)工作面回采過(guò)程中推過(guò)的10307 三聯(lián)、10306 三聯(lián)等聯(lián)絡(luò)巷密閉加固，減少后部漏風(fēng)。

2） 調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，縮減工作面供風(fēng)量，由1150m3/min 減少到 680m3/min 左右。

3）工作面停采后，對(duì)架間、架后破碎煤體施工防火鉆孔，架前孔深8～10m,角度40°，架中孔深6～8m，角度30°，架后孔深2～4m，角度35°，見(jiàn)圖2。

圖2 10306 面架間防火鉆孔

對(duì)所有鉆孔壓注MEA 防火劑，反復(fù)壓注約2 遍，重點(diǎn)對(duì)工作面架間破碎帶和離層區(qū)域92- 145# 支架間壓注凝膠。

4）分別在工作面上、下頭安裝局部通風(fēng)機(jī)備用。

5）停采后，每天對(duì)撤除工作面全面測(cè)風(fēng)，重點(diǎn)對(duì)隅角、架間防火鉆孔內(nèi)氣體（溫度）檢測(cè)，取樣并化驗(yàn)分析，利用預(yù)埋束管和傳感器（溫度、CO）對(duì)工作面進(jìn)行監(jiān)控，結(jié)合氣體（溫度）檢測(cè)結(jié)果，對(duì)異常區(qū)域重點(diǎn)壓注MEA 防火劑。每班至少兩次檢查工作面回風(fēng)流、架間和隅角的瓦斯和CO 濃度及溫度情況，束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天保持至少連續(xù)抽氣6 小時(shí)以上。

3 工作面發(fā)展?fàn)顩r

10306 工作面自停采后，在9 月份，各項(xiàng)防治自然發(fā)火措施落實(shí)到位，束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取樣分析數(shù)據(jù)正常，未發(fā)現(xiàn)指標(biāo)氣體。工作面回風(fēng)流、回風(fēng)隅角及重點(diǎn)支架鉆孔內(nèi)CO 及溫度通過(guò)取樣化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)形成如3 所示。

圖 3 10306 面溫度、CO 濃度

10 月3 日上午，通過(guò)回風(fēng)隅角內(nèi)預(yù)埋束管發(fā)現(xiàn)氣體異常，抽取氣體分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)C2H4，濃度7ppm，此時(shí)回風(fēng)流中無(wú)CO，當(dāng)日下午，回風(fēng)流中開(kāi)始出現(xiàn)CO，最高濃度為35ppm，監(jiān)測(cè)束管氣體中C2H4范圍在 4～29ppm，見(jiàn)圖 4。

圖4 10306 面回風(fēng)流CO 濃度

10 月4 日凌晨，工作面回風(fēng)流中CO 濃度在10～132ppm 之間波動(dòng)，當(dāng)日回風(fēng)流中CO 最大濃度為460ppm，高峰數(shù)值主要集中在14:00- 20:00，回風(fēng)隅角內(nèi)束管檢測(cè)C2H4濃度全天呈上升趨勢(shì)，最大50 ppm，判定工作面出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，見(jiàn)圖5.

圖5 10306 面回風(fēng)流CO 濃度

4 自燃隱患治理過(guò)程

1）自10 月3 日發(fā)現(xiàn)工作面氣體異常后，采取了向回風(fēng)隅角充填LFM材料堵漏、向采空區(qū)壓注粉煤灰漿的措施。10 月4- 5 日，回風(fēng)流中CO 和監(jiān)測(cè)束管氣體中 C2H4平均濃度均大幅度上升，CO 最高737ppm、C2H4最高75ppm，經(jīng)研究制定隱患治理方案：①立即開(kāi)啟運(yùn)順局部通風(fēng)機(jī)，降低回風(fēng)隅角、回風(fēng)順槽CO 濃度，便于開(kāi)展施工鉆孔、注凝膠、注惰性氣體等防滅火工作；②對(duì)回風(fēng)隅角持續(xù)壓注液態(tài)二氧化碳，減緩煤層自燃發(fā)火趨勢(shì)，控制回風(fēng)流CO 濃度。③迅速對(duì)工作面架間及兩端頭鉆孔普注凝膠，對(duì)工作面架間后部裸露煤體噴涂堵漏材料，減少漏風(fēng)供氧，惰化破碎煤體。④工作面增設(shè)防火觀測(cè)點(diǎn)，加強(qiáng)氣體取樣化驗(yàn)分析力度，對(duì)氣體、溫度較高區(qū)域重點(diǎn)壓注凝膠。

2）10 月 6 日，回風(fēng)流中 CO 濃度 12:00- 13:00 期間短暫驟升高，全天其余時(shí)間呈小幅度下降趨勢(shì)，平均在200～400ppm，監(jiān)測(cè)束管氣體中C2H4濃度全天下降，由71ppm 降至49ppm，工作面架間開(kāi)始出現(xiàn)CO,氣體蔓延至60# 支架附近，在200ppmm 上下浮動(dòng)；

3）10 月7 日，回風(fēng)流中CO 濃度最高715ppm，平均在100～300 ppm，監(jiān)測(cè)束管氣體中C2H4濃度降至31ppm，工作面架間CO 最多蔓延至80# 支架附近，在200ppmm 上下浮動(dòng)，當(dāng)天中班后段，漸漸下降；

4）10 月8 日，回風(fēng)流中CO 濃度最高815ppm，平均在50～200 ppm，監(jiān)測(cè)束管氣體中C2H2濃度一直在下降，至11:00 后未再發(fā)現(xiàn)C2H4，工作面早班，工作面 10# 架間 CO 基本穩(wěn)定在 20 ppm 以下，10# 支架以上未再發(fā)現(xiàn)CO。工作面CO 濃度處于低濃度狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，開(kāi)始撤除設(shè)備。

5）自 10 月 9 日起，不再壓注液態(tài) CO2，主要對(duì)架間高濃度鉆孔、斷層帶、進(jìn)風(fēng)端頭壓注凝膠，利用運(yùn)順回風(fēng)流中CO 濃度相對(duì)較低時(shí)段，繼續(xù)撤除設(shè)備，為避免隅角隔離垛被壓跨造成CO 大量外溢，對(duì)回風(fēng)隅角隔離垛復(fù)噴賽福特堵漏風(fēng)，并在兩順槽做封閉準(zhǔn)備工作。

10 月9 日至11 日，回風(fēng)流中CO 濃度急劇下降，除受大氣壓影響出現(xiàn)短暫驟升高，其他時(shí)間穩(wěn)定在0～24ppm，監(jiān)測(cè)束管氣體中 C2H4在 10 月 9 日 - 10 日未出現(xiàn)。10 月11 日，工作面完成臨時(shí)封閉工作，兩巷開(kāi)啟局部通風(fēng)機(jī)，見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 10306 面回風(fēng)隅角、回風(fēng)流氣體

圖7 10306 面回風(fēng)隅角氣體烯烷比

5 應(yīng)急處置措施

制定了工作面撤除期間的應(yīng)急預(yù)案，并在10306工作面回風(fēng)路線(xiàn)的各岔口進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置警戒，嚴(yán)禁人員進(jìn)入回風(fēng)流內(nèi)，受影響區(qū)域內(nèi)安設(shè)CO 傳感器，工作人員佩戴便攜式CO 檢測(cè)儀，一旦出現(xiàn)氣體異常，按避災(zāi)路線(xiàn)撤離。工作面兩巷準(zhǔn)備木板、快速?lài)娡坎牧系任锲?，一旦無(wú)法控制自燃趨勢(shì)時(shí)，可隨時(shí)封閉工作面，減少事故影響范圍和損失程度。

6 自燃隱患分析

6.1 系統(tǒng)因素

10306 工作面停采撤除期間，10307 綜放面正回采，兩工作位置關(guān)系如圖8，10307 切眼沿10306 采空區(qū)布置，留設(shè)5m 煤柱，10307 回采后，受采動(dòng)壓力影響，預(yù)留煤柱基本破損倒塌，兩工作面采空區(qū)連通，因采用綜采放頂煤工藝，10307 工作面兩端頭向采空區(qū)漏風(fēng)，即使施工隔離垛封堵，也會(huì)形成漏風(fēng)供氧通道，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃，見(jiàn)圖8。

圖8 工作面位置關(guān)系

6.2 技術(shù)因素

1）工作面防滅火措施落實(shí)不到位。一是對(duì)兩端頭的封堵效果差。停采后現(xiàn)場(chǎng)條件差，兩隅角封堵滯后，且未對(duì)兩端頭周邊支架后部裸露煤體封堵，封堵范圍小。二是對(duì)10306 工作面支架后部破碎煤體的防滅火處理不到位，支架后部丟煤區(qū)部分鉆孔深度不夠，角度不合理，在壓注過(guò)程中，漏液比較嚴(yán)重，個(gè)別鉆孔防火劑壓注量不足。三是對(duì)可能出現(xiàn)自燃隱患的頂板破碎區(qū)、離層帶及地質(zhì)構(gòu)造附近區(qū)域未重點(diǎn)處理。

2）礦井防滅火技術(shù)手段單一。工作面停采后，僅對(duì)停采線(xiàn)壓注普通防火劑和粉煤灰漿，停采時(shí)間接近煤層最短發(fā)火期時(shí)，未應(yīng)用壓注凝膠、惰性氣體等其它綜合防滅火措施，自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)管控不到位。

6.3 管理因素

未考慮到厚煤層停采工作面長(zhǎng)期擱置可能造成的隱患，應(yīng)及時(shí)臨時(shí)封閉工作面。

7 結(jié) 論

采用綜放工藝的特厚煤層采煤工作面，其停采撤除期間防滅火工作是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程和技術(shù)難題，工作面停采后，煤層長(zhǎng)期暴漏在空氣中，很容易具備自燃的條件，防治煤層自然發(fā)火措施具有時(shí)效性，必須及時(shí)落實(shí)到位，而在接近工作面煤層最短自然發(fā)火期時(shí)，尤其要重視，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，及時(shí)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)指標(biāo)性氣體，迅速采取綜合防滅火措施，抑制氧化速度，控制發(fā)展趨勢(shì)，落實(shí)治理措施。

興隆莊礦10306 工作面停采后長(zhǎng)期擱置，出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，在采取綜合防滅火措施后成功治理隱患，按礦整體工作部署臨時(shí)封閉工作面，隱患治理過(guò)程驗(yàn)證了特厚煤層采煤工作面自然發(fā)火的復(fù)雜性，完善了礦井的防滅火技術(shù)體系，為防治厚煤層綜放工作面煤層自然發(fā)火積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。