綜放工作面防滅火綜合治理技術應用

劉 靖

（西山煤電集團公司官地礦，山西 太原 030022）

礦井火災[1]是影響礦井安全生產的五大自然災害之一。隨著礦井采掘機械化程度的提高，很多礦井采用綜采放頂煤生產工藝，此種工藝在提高工作面生產效率的同時，因采空區遺煤較多、漏風嚴重的問題，工作面拆架封閉期間容易發生自然發火事故。本文以29406工作面為例，介紹該工作面的綜合防滅火措施。

1 工作面概況

29406綜放工作面開采9#煤層、放8#煤層，該工作面井下位于中四采區東南部，工作面西側為28408工作面采空區，東側為未采區。工作面上部為26406、16309工作面采空區。9#煤與6#煤層間距約為30.33 m。29406工作面正巷655 m，副巷597 m，切眼216 m。8#煤層上部含有兩層厚度約為0.56 m、0.03 m的夾矸；8#煤與9#煤層間距0.30～1.40 m，平均1.25 m；9#煤層平均厚度3.18 m，8#煤層平均厚度3.95 m（可采），8#煤與9#煤聯合開采平均厚度7.74 m；煤層傾角6°～7°。工作面采用“U”型通風方式，工作面配風量為1 050 m3/min,瓦斯絕對涌出量為8 m3/min，其中所采9#煤層為Ⅲ類自燃煤層，所放8#煤層為Ⅱ類自燃煤層，8#煤層自然發火期為89天。

2 29406綜放工作面收尾拆架封閉期間自然發火的原因分析

2.1 支架后方的鐵絲網上煤炭

工作面在距停采線15 m處為拆除支架而鋪網，此時頂煤冒落在網上不能放出，支架后方采空區內留有寬15～20 m、長與工作面傾斜長同等的破碎煤條帶，此條破碎煤帶即為工作面停采后的鐵絲網上的煤炭。工作面停采后，由于網上煤炭所處位置具備持續供氧、熱量聚集和足夠的氧化時間等條件，所以該處煤炭極易氧化自燃。

2.2 架頂煤炭

架頂煤炭即為停采后工作面支架和后部溜子上方的煤炭。此處煤炭的特點與鐵絲網上煤炭類似，區別在于架頂煤炭的破碎程度在工作面剛剛停采后相對較小，塊度較大，主要呈裂隙狀。當支架開始拆除時，架頂煤炭隨支架的拆除而冒落，風流經過該冒落區，若工作面的拆除時間超過30天，此處煤炭氧化自燃的可能性將大大增加[2]。

2.3 通風斷面變小導致局部阻力增大

支架部分拆除后，采空區漏風分布發生變化當工作面的支架開始拆除后，架頂煤炭隨之冒落，堵塞了原有的通風斷面，局部阻力加大，迫使工作面的進風流向采空區深部擴散，增大了工作面采空區后方的漏風寬度。因此，在工作面支架拆除過程中，采空區后方從停采線至采空區50 m范圍內的遺留煤炭最易發生氧化自燃。

2.4 拆架至封閉所需時間長

從工作面煤壁斷面開始擴削至拆完支架至少需要1個月，在此期間支架不推進，采空區浮煤緩慢氧化，積聚的熱量又不能及時被風帶走，煤體溫度逐漸升高，為自然發火提供了充足的條件。

2.5 采空區漏風比較嚴重

拆架期間，通風系統不穩定，采空區漏風加大，風量將從進風隅角沿采空區流向回風。造成采空區“三帶”中的氧化帶區域變寬，增加了著火危險性。

2.6 綜放工作面進風、回風隅角靠煤柱側存有漏風通道

在采煤過程中，由于上下巷道煤柱的支撐作用，靠近煤柱側有條未冒實的三角漏風帶，特別是進風側受風流沖擊最大，影響范圍也較深（向采空區里），為采空區自燃提供了連續供氧條件，這是綜放工作面發火的主要隱患。

3 29406綜放工作面收尾拆架封閉期間的防滅火綜合治理措施

3.1 預防性灌漿，保證頂煤的完整性

工作面收尾煤壁斷面開始擴削結束后，在工作面回撤前、后部運輸機前，安排打鉆隊施工注漿鉆孔。注漿鉆孔開孔位置在每個支架的前探梁和相鄰兩個支架的前部間隙9#煤層頂板處，終孔位置在支架后部8#煤層頂板，鉆孔孔深10～15.6 m，傾角20°～30°。在工作面形成拆架條件前共計施工注漿鉆孔215個，鉆孔施工結束后，對支架后部采空區的遺煤、支架后部鐵絲網上的煤炭和支架頂部的煤炭進行預防性灌漿，累計注漿80 t，工作面施工注漿鉆孔和注漿共計用時12天。

（1）鉆孔傾角及方位角

式中：β為鉆孔傾角，°；h為終孔垂高，m；s為鉆孔水平距，m。

鉆孔水平距定為10 m，鉆孔的終孔垂高為5 m，鉆孔水平角垂直于后部采空區。

利用上述公式可計算出鉆孔傾角27°。

（2）鉆孔深度

式中：L為鉆孔深度，m；s為水平距，m；β為鉆孔傾角，°。

經計算施工鉆孔孔深L為11.2 m。

注漿鉆孔側視見圖1。

圖1 注漿鉆孔側視

注漿鉆孔俯視見圖2。

圖2 注漿鉆孔俯視

（3）鉆孔施工采用ZDY400型鉆機，鉆孔直徑80 mm，封孔管采用DN40鋼管，采用聚氨酯進行封孔，封孔長度6 m。

（4）注漿采用泥漿泵進行注漿，注漿材料為速凝固化劑，注漿料與水的比例為1:1.5。通過注漿使工作面后部采空區漏風量減少，氧化帶提前進入窒息帶，降低了采空區后部遺煤自然發火的危險性。

3.2 加強自然發火預測預報

在工作面回風隅角、工作面、回風流以及支架間設置自然發火觀測點，每班由礦通風科安排科、隊跟班干部或瓦斯檢查員對回風隅角、工作面、回風流以及支架前、后部間隙的CH4、CO2、CO、O2、溫度等參數進行檢測，了解工作面的自然發火情況[3]。

3.3 優化工作面的通風系統設計，改變拆架工藝

傳統的工作面支架拆除方法是采用副巷拆架運輸、正巷回風，為保證回風通道暢通，必須在工作面支架拆除后及時補打“#”型木垛。此種拆架工藝，拆架效率低、工作強度大、拆架時間過長，采空區遺煤自然發火風險增大。鑒于此，本文提出采用正、副巷同時拆架的方法，具體方案如下：

（1）提前在工作面切眼145 m位置（96#支架處）施工一條回風聯絡巷，作為正、副巷出架時的回風通道。

（2）29406綜放工作面共有147個支架，其中1#～39#支架經正巷拆出，40#～147#支架經副巷拆出（147#支架在拆除后部運輸機前已提前拆出）。將40#支架作為副巷拆架方向的木垛架，依次往外進行拆架。將39#支架作為正巷拆架方向的木垛架，依次往外進行拆架。

（3）工作面拆架期間，在29406正巷皮帶頭（距29406正巷回風聯絡巷20 m處）安裝2臺功率為22 kW的局部通風機，對正巷（1#～39#支架）拆架工作面拆架處進行供風；在29406副巷（距29406副巷口20 m處）安裝2臺功率為30 kW的局部通風機，對副巷（40#～96#支架）拆架工作面拆架處進行供風。29406工作面(1#～39#架；40#～96#架)拆架工作面通風系統見圖3。

圖3 29406工作面(1#～39#架；40#～96#架)拆架工作面通風系統

（4）在29406工作面1#～39#支架拆除完畢后，提前在正巷口構筑永久密閉。而29406工作面40#～96#支架的拆除則繼續利用副巷局部通風機進行供風，該拆架過程工作面通風系統見圖4。

圖4 29406工作面1#～39#支架拆除、封閉后通風系統

（5）當支架拆除到97#支架時，停止局部供風，將通風系統調改為由29406副巷進風、工作面中部回風聯絡巷回風的全負壓“U”型通風方式。29406工作面97#～146#支架拆除期間通風系統見圖5。

圖5 29406工作面97#～146#支架拆除期間通風系統

（6）29406工作面97#～146#支架拆除完畢后，在29406副巷口、29406工作面中部回風聯絡巷口構筑永久密閉。

3.4 合理調整通風系統，降低采空區漏風

工作面拆架期間風量配備須考慮為滿足稀釋瓦斯等有害氣體、滿足人員呼吸作業、滿足最低風速等要求即可[4]，工作面回撤期間風量由正常回采時的風量1 200 m3/min降低為400～500 m3/min。通過降低配風量使后部采空區氧化帶的含氧量降低，使氧化帶提前進入窒息帶，有效防止后部采空區遺煤自然發火。

3.5 采空區持續注氮

工作面拆架期間，仍使用回采期間的注氮系統，氮氣釋放口在距工作面收尾斷面擴削前30 m處埋入采空區，并用木垛加以保護，注氮釋放口距底板高度控制在300 mm以上。通過24h持續不間斷地向29406采空區注入濃度大于97%的氮氣來降低采空區內的氧氣含量，從而降低煤層自然發火的概率。

3.6 引進新材料，加快封閉速度

工作面正、副巷及中間巷利用傳統的兩邊構筑石墻、中間充填黃土的封閉方式，存在著工人勞動強度大、工序復雜、效率較低等缺點。為此，本文提出在封閉巷道時，先用料石構筑密閉前后墻，密閉墻中間的充填材料通過泥漿泵將速凝固化劑直接注入墻體內，不僅節省了人工運料距離，提高了封閉速度（比傳統封閉所用時間節省了5天），作業工序更為簡單，充填密閉效果更好[5]。

4 治理效果

29406綜放工作面在收尾拆架期間采取了預防性灌漿、采空區注氮氣惰化、自然發火預測預報、優化工作面通風系統設計、改變工作面拆架工藝、降低采空區漏風、采用新材料進行密閉充填等綜合防滅火措施后，在自然發火觀測點進行人工取樣、束管化驗分析未發現有CO氣體，并且工作面整個收尾拆架封閉期間監測監控系統未監測到CO氣體，綜合防滅火措施效果顯著。

5 結語

1）29406綜放工作面采用正、副巷同時拆架工藝，支架拆除用時僅僅26天，大大縮短了拆架時間，降低了煤層自然發火的危險性。

2）2940綜放工作面采用了預防性灌漿、采空區注氮氣惰化、自然發火預測預報、優化工作面通風系統設計、改變工作面拆架工藝、降低采空區漏風、采空區實施采后快速封閉等綜合防滅火措施后，工作面在回撤后期回風流內CO濃度為0 ppm，防滅火治理效果較顯著。