近距離緩傾斜煤層群開采工作面自燃防治技術

陳慶豐

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國大部分煤田均為多層距離比較近的可采煤層[1]，而近距離煤層群在開采過程中，上覆煤層采空區垮落到本煤層采空區，形成大范圍復合采空區。緩傾斜厚煤層由于賦存條件較好，適合布置較大工作面，因此投入設備多，支架噸位大，加之綜采放頂煤工藝，決定工作面采空區存在較多遺煤[2-3]；受采動礦壓的影響下，大量裂隙通道會在本煤層與周邊四鄰的煤層采空區之間形成，導致開采工作面采空區與上覆復合采空區及地表裂隙之間存在復雜的漏風[4-5]。

屯寶煤礦開采M4-5、M9-10、M14、M15 等煤層，各煤層間距較近，每個煤層布置2 個綜放工作面，自上而下開采煤層。其中M14 煤層與M15 煤層平均間距僅為5 m，各煤層均為自燃煤層，M14 煤層最短發火期僅為34 d，M15 煤層最短自然發火期為36 d。工作面受重復采動影響，地表采動裂隙發育，漏風通道通暢，礦井漏風規律不明，井下漏風嚴重[6-7]。由于工作面布置支架多，在撤架時期，受限于巷道尺寸及回撤工藝制約，支架拆解工序繁瑣，導致工作面回撤周期往往持續2～3 個月甚至更長，采空區松散煤體供氧蓄熱條件充足[8-9]，導致從M9-10 煤層工作面開始，在回撤期間基本上都出現自燃征兆，嚴重威脅工作面撤架安全，而回撤期間防治遺煤自燃手段單一，采取開放注氮或者埋管灌漿等措施難以防治高位破碎煤體自燃[10]，為此針對近距離緩傾斜煤層自燃防治技術進行研究，保障工作面安全回撤。

1 工作面回撤工藝與自燃原因分析

1.1 各煤層工作面回撤經過

各煤層工作面位置示意圖如圖1。

圖1 各煤層工作面位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the position of each coal seam working face

1）M9-10 煤 層 工 作 面。M9-10 煤 層 布 置 的I01091002 和I01091003 2 個綜放工作面，I01091002工作面于2013 年8 月15 日開始回撤工作，10 月2日該工作面回撤到50#支架時因為工作面CO 氣體體積分數超限被迫停止撤架工作，歷時3 個多月回撤完畢。I01091003 綜采工作面于2014 年6 月19 日開始礦務工程施工，歷時5 個多月回撤完畢，期間工作面CO 氣體體積分數波動頻繁。

2）M14 煤層工作面。M14 煤層布置I011401 和I011402 2 個綜放工作面。2015 年11 月3 日開始回撤工作，I011401 工作面于礦務工程期間16#支架處有霧氣，工作面CO 含量升高被迫封閉進行處理。工作面整個回撤總用時107 d。I011402 工作面回撤用時99 d。

3）M15 煤層工作面。M15 煤層布置I011501 和I011502 2 個綜放工作面。I011501 工作面于2018 年3 月24 日開始撤架，夜班2#～7#支架CO 氣體異常升高，并伴有青煙冒出，同時工作面回風流CO 體積分數升高。工作面回撤用時100 d 永久封閉。I011502工作面因為布置較小，歷時41 d 安全回撤完畢。

1.2 自燃原因分析

通過對I01091002、I01091003、I011401 和I011501等工作面在撤架期間出現自燃征兆進行分析，發現這些工作面撤架周期都在3 個月以上，遠遠超過煤層最短自然發火期；且工作面采空區對應地表裂隙發育，地表回填不及時，導致工作面與上層采空區，采空區與采空區，采空區區地表裂隙之間相互連通，采空區漏風嚴重。采空區架后及頂部破碎煤體供氧蓄熱條件充足，一旦超過最短自然發火期，就會出現自燃征兆。自燃風險區域主要有以下幾個：

1）架頂破碎煤體是自燃火災的高發區。受上部煤層及本煤層開采影響，支架頂部煤體破碎較為嚴重，而工作面礦務工程階段不放頂煤，在工作面漏風、地表漏風等作用下，支架上部及0～6 m（架后不放煤區域）散熱帶區域的上部破碎煤體內也有氧化帶分布，支架及0～6 m 散熱帶區域上部氧化帶約距離支架頂部5 m 以上。

2）采空區氧化帶是最易自燃的區域。由于礦務工程耗時長，采空區氧化帶內遺煤氧化時間已經超過最短自然發火期，雖然保護性封閉后，氧化帶處于窒熄狀態中，煤溫等有所下降，但啟封重新供氧后，氧化帶內遺煤將繼續氧化，是最易發生煤自燃的區域。

2 煤自燃防治技術

2.1 技術思路

防治煤炭自燃，需從破壞煤體的連續供氧條件、蓄熱環境、減少氧化總時間出發。根據屯寶煤礦實際情況，圍繞工作面回撤時期的火災防控安全，提出“全程監測、管風降氧、控制煤溫、優化工藝”的防滅火思路：即在不同的末采回撤階段，根據自然發火高危區域分析，通過全程監測，及時了解煤體的自燃狀態；通過管風堵漏，最大限度的減少漏風，杜絕上部采空區發生自燃的可能，縮小本采空區氧化帶的分布范圍；利用注氮等措施，提高采空區壓能，降低氧化帶內的氧氣含量，將氧化帶范圍控制到架后可用鉆孔覆蓋的區域內；施工鉆孔注水、注漿等措施控制氧化帶內的煤溫，使煤體溫度無法升高，從而主動抑制采空區遺煤自然發火進程，對高危發火區域全范圍全斷面防滅火措施覆蓋；為縮短煤氧化時間，還需優化回撤工藝，主動加快回撤進度，以空間換時間。

2.2 專項防滅火措施

1）全程監控。末采期間在回風隅角及回撤通道架后25、15、5 m 位置，分別敷設3 趟鉑電阻和束管，并在架后5 m 沿工作面傾向方向布置鉑電阻監測點對架后氣體和溫度變化進行監測，全程對工作面區域及架后采空區的氣體及溫度進行實時全程監控，并根據監測情況及時調整工作面防滅火措施。

2）管風降氧。漏風通道及規律測定：利用SF6氣體分時段分區域檢測井下采空區之間、工作面與地表之間的漏風通道及漏風流向，基本摸清了井上下漏風區域，總結出礦井漏風規律。①地面裂隙封堵：屯寶煤礦地表裂隙發育范圍、寬度大，造成了復雜嚴重的地表漏風，通過封堵地表裂隙，可有效的減少地表與井下的漏風通道，降低漏風強度。封堵結束后，經漏風測定，井下采空區風壓不穩的問題得到了有效的治理；②端頭及支架漏風封堵：對于支架上部破碎煤體漏風區域，在工作面在鋪網的同時開展支架頂部鋪風障布工作，風障布覆蓋整個支架區域，對于上下端頭，在已垮落的破碎煤巖體表面，利用羅克休進行噴涂封堵，上述措施有效減少了架后及上下端頭尾巷向采空區漏風；③全斷面帷幕注氮：為將氧化帶控制到鉆孔可覆蓋區域，采取了全斷面帷幕注氮工藝措施，末采時期在回撤通道架后20、10 m 沿工作面傾向方向各鋪設1 趟注氮管路，管路長度為工作面長度，通過持續注氮，有效減小了氧化帶內的氧氣含量，破壞氧化帶內遺煤持續氧化條件。

3）控制煤溫。在工作面末采回撤開始后在采取措施后，采空區氧化帶范圍已得到最大限度的縮?。▋H有0～5 m），但氧化帶仍是存在的，隨著時間的增加，氧化帶內破碎煤體必然升溫，也必須采取持續降溫措施，破壞松散煤體的蓄熱環境，控制煤溫；在回采至停采線200 m 處，開始在工作面回風巷每隔20 m 敷設灌漿管路開展預防性黃泥灌漿，始終對氧化帶內遺煤進行降溫，并封堵底板處破碎煤體之間的裂隙；末采期間在工作面回風巷施工防滅火鉆孔，終孔高度位于煤層底板10 m 高度，對架后15 m 范圍內的高位破碎煤體進行降溫，為更加全面對架后高位堆積的破碎煤體進行降溫封堵處理，在工作面不同位置施工防滅火鉆孔，鉆孔終孔位置位于架后5 m 范圍，鉆孔間距為10 m；工作面啟封后，又在整個工作面架間施工短距離防滅火鉆孔，主要對架后5 m 范圍內的斜上部破碎煤體進行降溫封堵破碎堆積煤體，破壞遺煤蓄熱環境，從而抑制煤自燃進程。

4）優化工藝。在工作面回撤前期及回撤期間，明確分工，科學規劃，優化回撤工藝，縮短回撤工期；工作面回撤前對工作面回風巷、運輸巷、運輸石門及軌道上山結合現場測試情況進行劈幫，確保運輸路線暢通，縮短支架運輸時間。利用區段石門空間優勢存放及解體支架，確保工作面支架快速拉出，合理解決支架運輸回收與防滅火工作之間的矛盾。

3 安全保障措施

1）精準掌握礦井漏風規律。屯寶煤礦近距離煤層群開采后，導致采動裂隙帶發育高度大，井下與地表已形成直接裂隙連通，在礦井通風負壓和自然風壓等作用下，地表新鮮風流漏入井下多層采空區及工作面，形成了復雜而嚴重的漏風，給井下采空區及工作面回撤的防滅火工作帶來了極大的風險。為了控制礦井漏風，保障采空區壓力穩定，對整個礦井進行全面的漏風測定工作，精準掌握漏風規律；有針對性的封堵地表與井下采空區的漏風通道，控制了地表向井下采空區漏風，從而避免了采空區出現“呼吸”現象。

2）采空區保壓控氧。工作面在回撤前采取“兩降一升”保壓，即末采期間逐步降低抽放量到停止抽放；風量逐漸降至正常開采時的1/2；工作面注氮量逐漸升高至允許范圍?！皟山狄簧钡闹饕康氖菫榱私o采空區保壓，確保采空區壓力大于工作面拉架通道壓力，盡可能減少向采空區供氧。回撤期間采用了局部正壓的通風方式給工作面供風，根據現場情況開展采空區及回撤通道壓力觀測及調整工作，始終保持3 組水柱壓差計進行壓力觀測及采空區壓力大于回撤通道壓力，防止向采空區漏風供氧。

3）注氮注漿聯合減氧降溫。通過在架后沿傾向方向距離埋設注氮幕可有效惰化采空區松散遺煤，配合架后埋設的灌漿管路灌漿給煤體降溫和封堵；通過對采空區持續注氮，控制并降低采空區內的O2體積分數；同時利用上隅角埋管注漿及通過高、低位防滅火鉆孔注漿相互配合阻斷自然發火供氧及采空區浮煤蓄熱條件，有效的解決了采空區浮煤氧化問題，抑制了煤自燃發火進程。

4）高、低位防滅火鉆孔結合靶向治理發熱條帶。工作面在整個回撤期間，通過高、低位防滅火鉆孔采用“全方位+多層次”和“注漿+淋水”相結合的方式對采空區發熱條帶進行處理。通過注漿、注水措施相互配合破壞自然發火供氧條件又使采空區無法蓄熱，回撤期間工作面溫度平均保持在20 ℃，有效抑制了高位破碎煤體自然發火進程。

4 結 論

1）近距離自燃煤層工作面在長回撤周期內，自燃高發區域主要有2 處：架頂破碎煤體和采空區氧化帶松散煤體。

2）針對近距離自燃煤層工作面回撤時期的自燃防治，主要以“全程監測、管風降氧、控制煤溫、優化工藝”4 個方面開展防滅火工作。

3）采取采空區保壓控氧、注氮注漿聯合減氧降溫、及高、低位防滅火鉆孔結合靶向治理發熱條帶等綜合防滅火技術防治自燃，保障工作面安全回撤。