三交河煤礦2-502工作面采空區綜合防滅火技術研究與應用

巨 濤

(霍州煤電集團汾河焦煤公司 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

1 工程概況

山西汾河焦煤股份有限公司三交河煤礦2-502工作面井下位于五采區，工作面開采2號煤層，煤層平均厚度4.2 m，平均傾角10°，煤層內部含有1層夾矸，厚度為0.5 m，煤層頂板巖層為泥巖、砂質泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖，工作面采用大采高一次采全高采煤方法，“U”型通風。根據礦井地質資料可知，2號煤層自燃等級為Ⅱ級，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。由于工作面區域內煤層厚度存在變化，采用大采高采煤工藝會存在一定的煤炭遺留在采空區內，現為防止2-502工作面采空區出現遺煤自燃現象，特進行采空區綜合防滅火技術的研究。

2 采空區束管監測系統

為掌握2-502工作面采空區內情況，工作面回采期間采用KJ95N束管監測系統進行采空區內指標氣體的實時監測，監測系統中監測管主要布置在工作面的兩側區域，具體工作面監測方案如下：

1) 監測束管由+1 050 m西大巷管路中引出，接引2路束管，束管布置在運輸巷內。在束管埋設時，為防止采空區內部存在積水現象而導致管路內氣體不流通，預埋管路須高于巷道底板0.5 m以上[1-2]，具體束管布置方式如圖1所示。

圖1 2-502工作面采空區束管監測系統示意

束管監測系統不僅能對采空區內的指標氣體實施監測，同時還能夠對采空區內的溫度情況進行測量，采空區溫度的測量主要通過萬用表換算成熱敏電阻阻值，再通過相關公式換算為采空區溫度數值[3-4]。

2) 工作面上隅角區域采用編織袋裝煤渣搭設氣室，并在氣室的上部分別懸掛甲烷、一氧化碳和氧氣濃度傳感器，以實現對工作面上隅角區域指標氣體的實時監測。

3) 每間隔50架液壓支架布置1趟MJ-8煤層火災監測管路，該管路插到液壓支架之間和架后區域，監測作業每天進行1次，以此實現對工作面架后區域溫度和氣體的實時監測。

3 防滅火方案與效果

3.1 防滅火方案

2-502工作面的回采階段可將工作面劃分為3個回采階段：初采期間、正常回采期間和回撤期間。工作面在不同的回采階段采空區內的浮煤厚度、漏風強度、推進速度和氧氣濃度等參數均會發生變化，采空區內自燃危險區域也會隨之發生變化。根據2-502工作面的煤層賦存及條件，設計工作面初采期間采用插管注漿+多輪注氮為主的防滅火措施[5-6]，工作面在正常回采期間采用黃泥灌漿+注氮為主的防滅火措施，工作面回撤期間采用注氮+注膠為主防滅火措施。

3.1.1 初采期間防滅火措施

1) 工作面上下端頭分別布置兩個防滅火鉆孔，鉆孔參數為D75 mm×3 000 mm，鉆孔由工作面向上3 m布置，回風巷鉆孔向采空區內實施間歇多輪灌漿作業，運輸巷鉆孔向采空區內實施間斷注氮作業。工作面回采推進10 m時，即可開始灌漿和注氮作業，隨著工作面回采作業的進行，持續進行灌漿和注氮作業。

2) 在工作面開切眼內噴灑阻化劑，共計布置2組噴頭，第一組位于1～2號支架間，第二組位于36號支架處，阻化材料為MgCL2，阻化劑濃度為37%，其所能達到的阻化率為81%[7-8]，初采期間每天噴灑1次，每次噴灑量為1 450.3 kg。

3) 在開切眼煤體上進行噴漿作業，設置噴漿層的厚度為50～80 mm，以防止從煤體裂隙向采空區內漏風。

3.1.2 工作面正常回采期間防滅火措施

工作面正常回采期間，防滅火措施以黃泥灌漿+采空區注氮為主，工作面上下隅角注膠、加快回采推進速度為輔的防滅火措施，具體如下：

1) 采空區注氮：注氮管路布置在運輸巷內，具體注氮管路布置見圖2。注氮純度>97%，注氮流量為400～450 m3/h，注氮采用交替邁步式，步距為25 m，注氮壓力為0.3～0.6 MPa，注氮時每次必須連續進行4 d以上。當工作面上隅角CO濃度>40×10-6時，需保持注氮流量為1 000 m3/h連續進行10 d注氮作業。

圖2 注氮管路布置方式示意

2) 黃泥灌漿：采空區灌漿采用隨采隨灌漿的方式，灌漿管路布置在回采巷內，采空區內預埋灌漿管路長20 m，隨著回采作業進行，持續進行灌漿作業，當灌漿管路外漏小于10 m時，通過回柱絞車進行灌漿管路的牽引，灌漿管路每牽引作業1次，同時需進行1次灌漿作業，具體灌漿工藝見圖3。

圖3 埋管灌漿示意

3) 上下隅角鉆孔注膠：在上下隅角上方通過木背板進行冒頂區域的密實填充，根據束管監測系統，對監測得出的高溫區域進行打鉆注凝膠作業。

4) 加快工作面回采作業：根據2號煤層的自燃發火特征可知，2號煤層最短自燃發火期為42 d，采動作用下超前支承壓力會使前方30 m煤體易產生裂隙氧化，結合采空區自燃“三帶”分布可知，采空區40 m深度處達到窒息帶。基于上述分析，設置工作面每月推進距離須大于70 m，以降低采空區氧化發火的概率。

3.1.3 工作面回撤期間防滅火措施

工作面回撤期間采用注氮+注膠+降低工作面風量的防滅火措施；撤架期間注氮流量為300 m3/h，注氮區域為工作面后方30 m的范圍，其余注氮各項參數均同上；撤架期間注膠時，注膠重點區域同樣為工作面后方30 m，注膠鉆孔共計布置5組，每組內布置鉆孔3個，注膠鉆孔開孔高度為2 m，深入采空區的長度為4 m，鉆孔傾角為45°，終孔高度為4 m。注膠作業時，每個注膠鉆孔注入的膠體量約為5.4 m3，具體工作面注膠鉆孔布置方式見圖4。

圖4 回撤期間注膠鉆孔布置方式示意

3.2 效果分析

2-502工作面采空區防滅火方案實施后，工作面回采期間，通過束管監測系統對采空區內的CO濃度進行實施監測分析。根據監測結果可知，回采期間采空區內的CO濃度始終在0～10×10-6的范圍內，采空區內的O2濃度穩定在0%～20%的范圍內。據此可知采空區防滅火方案實施后，采空區內CO濃度無超限現象，O2濃度也處于合理范圍內，防滅火方案實施效果顯著。

4 結 語

根據2-502工作面的地質條件，通過布置束管監測系統實現采空區內指標氣體的實施監測，結合2號煤層自燃發火特征及開采條件，分別對工作面初采期間、正常回采期間和撤架期間的防滅火方案進行設計。根據防滅火方案實施后采空區內的束管監測結果可知，回采期間采空區內的CO濃度和O2濃度均在合理范圍內，防滅火方案有效解決了采空區遺煤易自燃的問題，為工作面的安全高效開采提供了保障。