沁裕煤礦綜采工作面采空區煤自燃防治技術研究

郭 曉 飛

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212）

0 引 言

在回采技術不斷進步的條件下，工作面的采高也隨之不斷增高、產量不斷加大、日推進速度也在不斷加快[1]，與此同時，采空區的遺煤量也在不斷增加，漏風分布復雜、對周圍煤巖的采動影響增強、煤巖體宏觀裂隙更為發育、冒落空間大等問題也愈加嚴重，在這些因素的共同影響下，采空區內的遺煤自燃幾率急劇增加，從而導致采空區內頻繁發火[2-3]，若不對其進行及時有效的治理，勢必會引起重大的煤礦安全生產事故的發生，造成難以挽回的財產損失[4]。

沁裕煤礦綜采工作面埋深達到了570m，該綜采工作面采高較高，采空區內遺煤量較多，存在著較高的發火幾率，探究誘發該工作面采空區內的發火原因并針對性的提出治理措施已成為當前該礦急需解決的首要任務。

1 工程概況

沁裕煤礦綜采工作面為走向長臂布置，所采煤層為15 號煤，采高為4.3m，工作面平面積達到了262000m2，進風巷和回風巷為其回采巷道，其中進風巷走向長度為920m，回風巷走向長度為950m，這兩條巷道在掘進期間均采用錨網索噴聯合支護的方式對其進行支護。且工作面在推進期間采用架間灑漿，上、下隅角碼垛隔離，過斷層期間打鉆孔注入防火材料等綜合防火措施，雖然具有一定的治理效果，但采空區內仍會時有發生遺煤自燃的現象，給礦井的安全生產帶來極大的威脅，故急需探明該工作面采空區內煤層自燃發火的原因，并針對性的對治理措施進行合理優化，表1 為該工作面頂底板圍巖賦存情況及力學參數表。

表1 巷道頂底板圍巖力學參數統計表

由表1 可知，所采15 號煤層強度偏低，抗壓強度僅為14.8MPa，直接頂和直接底均為泥巖，層厚分別為4.5m 和2.5m，抗壓強度約為18MPa，在強烈的采動影響下，直接頂和直接底易發生破碎，裂隙進一步發育。

2 工作面煤層特征研究

2.1 15 號煤自燃傾向

根據礦方所提供的煤層自燃發火傾向的鑒定報告可知，沁裕煤礦所采15 號煤層自燃傾向為Ⅱ類，屬于易自燃傾向性煤層，發火期時間較長，為2～6 個月。

2.2 煤塵爆炸性試驗

由礦方所提供的沁裕煤礦15 號煤層煤塵爆炸性鑒定結論可知，15 號煤火焰長度超過了400mm，抑制煤塵爆炸的最低巖粉量達到了80%，15 號煤煤塵具有爆炸性，具體情況可見表2。

表2 15 號煤層爆炸性檢測結果

2.3 15 號煤自燃發火標志氣體

沁裕煤礦15 號煤低溫氧化測試結果顯示，100℃～120℃是該煤層氧化速度加快的拐點，其自燃標志性氣體為CO，臨界值處于48～54ppm 之間，輔助指標標志氣體為C2H4、C2H6以及C3H8，所對應的臨界值分別為4～4ppm、2～3ppm 和1～3ppm。

3 工作面現場監測

為了更好的觀測采空區內各氣體濃度隨工作面推進距離的變化趨勢，在回風巷和進風巷各分別設置三個測點同時觀測，每個測點間隔50m，當氧氣濃度降低至5%以下時即可停止觀測，現場觀測示意圖如圖1 所示。

布置測點時在回風巷和進風巷沿底板靠近煤壁側鋪設單芯束管，且單芯束管應與煤壁鋪設的錨網相綁定，距離巷道底板高度為1.5m，由各個測點負責蹲點的人員使用氣囊來對采空區的氣樣進行獲取，將獲取后的氣樣送至實驗室對其進行測定分析。

圖1 現場監測示意圖

將監測所得的數據繪制成曲線，其中圖2 為5 號測點各氣體濃度值隨工作面距離的變化曲線。

圖2 5 號測點各氣體濃度值隨與工作面距離的變化曲線

結合各測點監測所得到的溫度、氣體濃度可知，2號、3 號、5 號、6 號4 個測點在40m 以外均監測得到了C2H6，而該區域的溫度穩定在30℃，處于正常值。當各測點位于工作面后方70m～85m 范圍內時甲烷含量出現了大幅降低，表明位于此區域范圍內的浮煤處于氧化程度急劇加深蔓延階段，礦方應嚴密監視處于該范圍內的采空區溫度以及各氣體含量，必要時須采取防滅火技術措施。

4 工作面采空區發火原因

綜合上述分析，可將工作面采空區的發火原因歸結為如下幾點：

1）該工作面埋深相對較深，達到了570m，在進行回采時礦壓強度較大，而15 號煤以及直接頂、直接底圍巖強度偏低，在強烈的采動影響下煤巖體易形成大量裂隙從而產生漏風通道，該工作面處于良好的氧化升溫環境，同時由于工作面尺寸較大、推進速度較快，采空區內遺煤較多，自燃發火的可能性較大。

2）在進行回采時，由于進風巷、回風巷巷道煤柱裂隙發育，與相鄰采空區之間存在一定壓差，同時工作面附近存在一定數量的老空區，當工作面推進至老空區附近時，所處的應力環境較為復雜，致使煤柱進一步壓裂、破碎，巷道與相鄰采空區間的壓差進一步增大，漏風強度增大。

3）工作面后方70m～85m 范圍內的浮煤處于氧化程度急劇加深蔓延階段，礦方對此監測、重視程度不夠。

5 治理措施

根據工作面采空區自燃發火的原因，制定出如下防滅火措施對其進行治理：

1）采用束管監測系統對工作面后方70m～85m范圍內的溫度以及各類氣體進行重點監測，其中所監測的氣體主要包括N2、CO、O2、CH4、C2H4、C2H6。

2）進風巷、回風巷每隔200m 向上幫打鉆一個觀察孔，通過觀察孔可及時對采空區氣體情況進行掌握，每隔20m 則向下幫打鉆一個補漿孔，必要時可通過該孔向采空區灌注黃泥漿防火。

3）對存在漏風的區域進行全程注漿處理，優化外圍通風系統，并對工作面的風量進行重新調配，保證采空區與本工作面通風系統穩定。

4）在工作面進行埋管注氮，注氮管路應深入采空區不少于10m，若監測得到的CO 濃度超過閾值，應及時加大注氮量和注氮強度。在注氮過程中應保證現場的氧氣濃度在20%左右，若低于該值，應中斷注氮操作并組織工作人員及時撤離現場。

6 治理效果評定

工作面綜合防滅火技術實施以后通過束管監測系統對采空區內各氣體濃度進行了現場監測，監測結果顯示該工作面O2濃度基本處于20%左右，CO 濃度處于0～10ppm 之間波動，遠小于臨界值，表明采空區內的遺煤已基本不再燃燒，綜合防滅火技術對采空區內煤層自燃發火的情況治理效果顯著。

7 結 論

1）沁裕煤礦綜采工作面附近煤巖體在采動影響下易形成大量裂隙從而產生漏風通道，當工作面推進至老空區附近時，回采巷道與相鄰采空區間的壓差進一步增大，漏風強度增大，而采空區處于良好的氧化升溫環境，再加上采空區內遺煤較多，從而導致煤層自燃發火的可能性較大。

2）根據采空區的發火原因，針對性的提出了相應的防滅火措施，工程監測結果表明該治理措施對煤層自燃發火的情況治理效果顯著，滿足礦井的正常安全生產。