綜采放頂煤工作面綜合防滅火技術應用

閆曉斐

（山西新村煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

1 工程概況

新村煤礦設計礦井生產能力為1.8 Mt/a，為高瓦斯礦井。15105采煤工作面位于礦井15采區(qū)東翼，主采山西組15#煤層，煤層平均厚度5.6 m，15#煤層自燃傾向性等級為I類，屬于容易自燃煤層，煤層自然發(fā)火期最短為32天。工作面采用綜采放頂煤采煤法，全部垮落法管理采空區(qū)。新村煤礦15105工作面自生產以來，工作面曾發(fā)生過多次煤層自燃引起的礦井火災事故，嚴重影響了礦井的安全生產。因此，為解決這一重大安全風險問題，新村煤礦不斷加大資金投入，更新裝備，合理選用防滅火材料，持續(xù)探索創(chuàng)新，建立一套相對完善的綜合防滅火管理體系，通過近年來的應用實踐，效果較為明顯。

2 礦井防滅火綜合管理措施

為了有針對性制定礦井防滅火措施，礦井通風部門與高等院校聯(lián)合對15#煤層自然發(fā)火標志性氣體及臨界值進行了測試，得出來了15#煤層自然發(fā)火標志性氣體及其臨界值為：CO臨界溫度35℃、C2H6臨界溫度85℃、C2H4臨界溫度125℃、C3H8臨界溫度150℃、C2H2臨界溫度220℃； 氧化臨界溫度點T164.5℃、氧化增速溫度點T2315.6℃、干裂溫度點T186℃、活性溫度點T4202.5℃、著火溫度點T4202.4℃。

2.1 技術措施

在防滅火技術管理中，礦井主要制定“三注一淋”和“兩堵一阻”6項技術措施，“三注一淋”即向采空區(qū)注入惰性氣體、工作面煤壁超前淺孔注水、工作面進回風隅角注入阻化漿液、頂板穿層鉆孔淋水；“兩堵一阻”即對工作面進回風隅角進行密閉封堵、工作面噴灑阻化劑。通過采取綜合防滅火技術措施，能夠對采煤工作面采空區(qū)內的遺留殘煤自燃起到有效的抑制作用。

（1）工作面采空區(qū)注入惰性氣體

在井上下建立注氮系統(tǒng)，利用地面制氮機制造氮氣后輸入到工作面冷氮機中將氮氣制冷，然后通過工作面運輸巷內安裝的4寸管路系統(tǒng)將氮氣注入到工作面采空區(qū)內，氮氣流量控制在1 000 m3/h左右，持續(xù)不斷進行，每天注向采空區(qū)內注入氮氣量不少于200 000 m3。同時，當采空區(qū)內出現(xiàn)CO濃度有不斷升高現(xiàn)象時，可以通過制氮系統(tǒng)向采空區(qū)內注入CO2，提高采空區(qū)內惰性氣體濃度，使空氣惰化，增強對采空區(qū)內的遺留殘煤氧化的抑制作用，注入的CO2量每次控制在35～45 t。工作面采空區(qū)注氮系統(tǒng)見圖1。

圖1 工作面注氮系統(tǒng)

（2）煤壁淺孔注水

工作面在回采過程中，沿工作面推進方向垂直煤壁施工注水孔，注水孔直徑為42 mm，孔深不小于6 m，注水孔間距6～8 m，見圖2。注水孔施工后采用水力膨脹式封孔器封孔，封孔深度不小于1.5 m，確保注水過程中煤壁及鉆孔不滲水、漏水或跑水。使用注水泵聯(lián)接管路進行注水，注水壓力控制在2.5～5 MPa以內，注水時間以煤墻掛汗、支架頂梁上方滴水、相鄰注水孔出水為宜。確保作業(yè)地點煤層煤體充分濕潤，并超前工作面煤墻不少于2 m。對煤壁進行注水后，通過對煤體采樣分析，煤體水分由2%～3%提高到了5%～6%。煤體充分濕潤后，能夠對煤層自燃起到很好的抑制作用。

圖2 工作面煤層注水鉆孔布置

（3）工作面進回風隅角注入阻化漿液

采煤工作面在推進過程中，每天在工作面進回風隅角各打設4～5根1寸花管向采空區(qū)5 m范圍內進行注防滅火阻化漿液，花管長度6 m，間距3 m。注漿口設置在煤層頂部上方，見圖3。提前將阻化漿液攪拌好后，利用注漿泵將漿液通過花管高壓注入到采空區(qū)內，注漿量以工作面煤層底部出現(xiàn)漿液滲出現(xiàn)象為準。注入的漿液將采空區(qū)遺留的殘煤進行充分包裹，隔絕其與空氣接觸，抑制其氧化。同時，注入的阻化漿液能夠將進回風隅角周圍采空區(qū)未垮落壓實的巖石裂縫進行充填嚴實，從而減少上下隅角漏風量。

圖3 工作面隅角注漿花管布置

（4）頂板穿層鉆孔淋水

工作面回采過程中，提前在風巷和運輸巷內向工作面切眼方向每間隔50 m施工一組頂板淋水穿層鉆孔，每組布置12個鉆孔，鉆孔直徑為113 mm，每組相鄰兩個鉆孔孔口間距1 m，終孔間距12.5 m，鉆孔開孔位置距巷道底板1.8 m，終孔位置設計布置在15#煤層頂板上方15～20 m位置，見圖4。鉆孔施工后利用注水泵向鉆孔內注水，進入煤層頂板后通過巖層裂隙向采空區(qū)淋水，每天每組鉆孔淋水量大約在35 m3，為更好的抑制采空區(qū)殘煤氧化，可以在向淋水鉆孔注水時加入適量的氯化鈣或氯化鎂等阻化劑，可以降低采空區(qū)溫度，從而抑制遺留的殘煤氧化自燃。

圖4 工作面淋水鉆孔布置

（5）工作面隅角密閉封堵

采煤工作面回采過程中，對進回風隅角錨網支護巷道采取退錨措施，保證進回風隅角頂板能夠及時垮落嚴實。同時，工作面每班使用黃泥土裝袋，對進回風隅角使用黃土袋垛成密閉墻對隅角采空區(qū)進行封堵密閉，密閉墻厚度不低于0.5 m，見圖5。通過對進回風隅角進行密閉封堵，能夠有效減少采空區(qū)漏風量，防止采空區(qū)遺煤氧化。

圖5 工作面隅角密閉封堵

（6）采空區(qū)噴灑阻燃劑

因工作面采用綜采放頂煤開采工藝，工作面上下端頭不能放煤，造成上下端頭的頂煤進入采空區(qū)較多，為防止上下端頭的遺煤在采空區(qū)內氧化自燃，在對進回風隅角封堵前對上下端頭采空區(qū)20 m范圍內噴灑阻燃劑，對遺留的殘煤進行全覆蓋，阻礙其氧化，防止遺煤出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

2.2 監(jiān)測監(jiān)控手段

為保證采空區(qū)有害氣體發(fā)生異常變化時能夠及時掌握動態(tài)信息，需加強對采空區(qū)有害氣體的監(jiān)測監(jiān)控，新村煤礦主要采用采空區(qū)埋設束管實時在線監(jiān)測、實驗室定期色譜分析監(jiān)測、人工現(xiàn)場定期取樣監(jiān)測等手段預測預報自然發(fā)火。

（1）采空區(qū)埋設束管實時在線監(jiān)測

將移動束管監(jiān)測系統(tǒng)安裝在工作面進回風巷道內合適位置，在工作面進回風隅角和后部運輸機后方埋設束管，通過束管采集采空區(qū)的CH4、CO、CO2、O2、C2H2等氣體，并將采集的氣體實時傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)進行分析，監(jiān)測系統(tǒng)對采集的氣體數(shù)據(jù)分析并傳輸?shù)降孛妫妶D6。

圖6 移動束管監(jiān)測系統(tǒng)

（2）實驗室定期色譜分析監(jiān)測

色譜檢測室配備1套GC-6890A型氣相色譜分析儀對采集的氣體組分進行分析。在工作面回采過程中，每班安排專職人員對工作面進回風隅角和采空區(qū)束管及工作面高（低）抽放巷內抽取的氣體進行采樣，對采集的氣樣利用氣相色譜儀進行分析，準確掌握采空區(qū)及隅角氣體成分變化情況。

（3）人工現(xiàn)場定期取樣檢測

每班安排瓦檢員采用一氧化碳檢測儀對工作面固定地點的CO濃度進行檢測。

通過采用上述三種檢測方式對工作面采空區(qū)內煤層自然發(fā)火產生的主要氣體指標進行在線和人工監(jiān)測、采樣分析，及時準確掌握采空區(qū)氣體的成分及主要指標參數(shù)變化情況，為礦井防滅火措施的制定提供科學依據(jù)。

2.3 正規(guī)作業(yè)循環(huán)作業(yè)

根據(jù)新村煤礦采空區(qū)“三帶”測定結果，采空區(qū)煤層自然發(fā)火發(fā)生在自燃帶，其最大寬度為80 m。因煤層的最短自然發(fā)火期為32天，所以，根據(jù)自燃帶的寬度，確定采煤工作面月回采進度為90 m，日推進度為3 m，每天5個正規(guī)作業(yè)循環(huán)，即5刀煤（每刀煤推進度0.6 m），工作面月推進度大于自燃帶寬度，可以保證將自燃帶推進至窒息帶范圍，能夠有效防止煤層發(fā)生自燃。

3 應用效果分析

新村煤礦在早期開采期間只采用注氮的方式進行防滅火，工作面在生產過程中，采空區(qū)CO的濃度經常保持在45 ppm左右，工作面拆除回收過程中，為防止采空區(qū)自然發(fā)火，回撤作業(yè)必須分2次進行，工作面也曾經出現(xiàn)過因防滅火措施效果不好，造成采空區(qū)多次發(fā)生煤層自燃現(xiàn)象。近年來，通過采取上述 “三注一淋”、“兩堵一阻”6項綜合防滅火措施，堅持正規(guī)循環(huán)作業(yè)，加強采空區(qū)氣體指標參數(shù)監(jiān)測分析，采煤工作面在回采過程中，采空區(qū)CO濃度一直保持在10 ppm以下；同時在工作面回撤過程中能夠實現(xiàn)一次性回撤，不僅節(jié)約開采成本，創(chuàng)造了經濟效益，而且大大提升了礦井的安全管理水平，實現(xiàn)了安全開采。

4 結語

新村煤礦通過采取“三注一淋”、“兩堵一阻”綜合防滅火措施，建立自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)，開展自然發(fā)火監(jiān)測工作，健全自然發(fā)火預測預報及管理制度。實際應用中，能夠有效控制工作面采空區(qū)煤層自燃，保證礦井安全生產，經濟效益和安全效益顯著。