偽傾斜柔性掩護支架采煤工作面自然發火綜合防治技術

王 洋

（沈陽焦煤股份有限公司林盛煤礦遼寧沈陽110122）

0 引言

偽傾斜柔性掩護支架采煤法是開采急傾斜中厚煤層的較好的一種方法[1-5]，這種采煤法不但取消了單體鉸接梁支護和采空區頂板管理，減輕作業人員勞動強度，增強作業人員作業安全性，創造良好的勞動條件，降低材料消耗，而且還可以一次采全高，大大減少煤炭的損失量，提高回采率。但是偽傾斜柔性掩護支架支護采煤法存在很多不利于自然發火防治的因素，防治自然發火工作困難：一是工作面遇地質變化帶，變化帶頂煤冒落采空區無法回收；二是回順上幫煤柱及松散、破碎、氧化浮煤進入采空區；三是采空區漏風大，特別工作面爆破期間、存貨造成工作面斷面小，增加采空區漏風；四是工作面遇地質變化帶及臨近終采，推進度慢等問題，不利于自然發火防治。針對以上問題，研究并制定采空區灌漿技術措施，通過實踐，確保了林盛煤礦-675下延區1204柔掩工作面安全回采。

1 林盛煤礦工作面概況及自然發火原因分析

1.1 工作面概況

-675 下延區1204 柔掩采煤工作面的地面標高+32.7 m～+36.3 m，位置于蘇家屯原北樹林子舊址及水田地內。井下標高-731 m～-797 m，西鄰-675下延區 1202 采面，北鄰 1203 采面，南鄰-735 南石門，東部為未采動煤、巖層。工作面走向長度521 m，偽傾斜長度80 m～110 m。工作面煤層地質資料：12 煤為復合煤層，分12-1和12-2煤，煤層層理、節理發育。12-1煤為黑色、粉狀，平均厚度0.6 m；12-2煤為黑色、粉狀，厚度3.1 m～2.7 m,局部火成巖侵入；12-1煤和12-2煤之間為厚 1.5 m 的泥巖；煤層傾向 108°～120°，煤層傾角∠42°～∠55°；種類為肥煤；1204 采面主要對開采12-2煤層，工作面直接頂為厚度1.5 m 泥巖和平均厚度0.8 m 的12-1煤層混層，直接底為0.3 m 厚泥巖，基本底為平均厚度8 m 的細砂巖。該煤層均有自然發火傾向，屬Ⅱ類自然發火煤層，自然發火期74 d～88 d。

1.2 采空區遺煤

采煤工作面采空區遺煤氧化為自然發火的根本因素。采空區遺煤成因：主要來源于12-1煤層冒落采空區，由于開采的12 煤層為復合煤層，12-2煤層回采后，平均1.5 m厚直接頂及0.8 m厚度的12-1煤層垮落采空區；其二是來源于遇地質變化帶,斷層煤或煤層不能采全高的煤冒落采空區；其三是回風順槽上幫隔離煤柱進入采空區后受壓力破碎氧化，以及回風順槽原幫頂碎煤回收不凈進入采空區，這些幫頂松軟破碎煤，增大了與氧接觸的面積，更易氧化；其四是回風順槽及運輸順槽在掘進過程中有時會出現高頂，煤頂受壓力作用破碎氧化，進入采空區，將進一步加劇氧化自燃。

1.3 采空區漏風

采空區漏風供氧是自然發火的重要因素。采空區漏風存在多種原因：1.采空區冒落不嚴，存在漏風通道；2.偽傾斜柔性掩護支架采煤法采空區漏風嚴重；3.工作面生產爆破落煤后，自滑跑槽出煤慢，工作面通風斷面減小，局部通風阻力增大，采空區漏風增加；4.抽采治理瓦斯過程中，埋管、鉆孔抽放采空區瓦斯，增加采空區的漏風，進一步為采空區遺煤供氧。

1.4 回采推進度緩慢

柔掩工作面自滑跑槽溜煤，生產受限，影響回采速度。遇地質變化帶或臨近終采，工作面回采推進速度慢。為采空區遺煤的氧化、聚熱、升溫、自燃的發生提供了充裕的時間。

1.5 工作面通風系統影響

系統內設置的風門，行人行車運料通過時，工作面風量、風壓受到一定影響。另外，工作面采空區相鄰巷道，受采動壓力破壞，產生裂隙帶漏風，不利于自然發火管理。

2 采空區煤炭自然發火防治技術

采空區灌漿的作用是隔絕氧氣，將河沙灌入采空區后，其中的河沙沉淀，充填于煤、巖碎塊的縫隙之間，并將碎煤包裹起來。這樣，不僅增加了采空區的密實程度，減少了漏風，而且又防止了碎煤氧化；地下水進入采空區后，增加碎煤的濕潤，并吸熱降溫，從而抑制煤的氧化進程。

2.1 改變通風方式

-675 下延區1204 采煤工作面通風方式從傳統的U 型通風方式改為E 型通風方式，工作面掘送中間順槽，分工作面上部和工作面下部生產。通風系統為下順槽和中間順槽為入風順槽，上順槽為回風順槽的“兩入一回”的上行通風方式。中順上部和下部采面交替生產，保證采面月回采推進80 m～90 m，使采空區遺煤提前進入窒息帶。

2.2 減少采空區遺煤

（1）自開切眼擺柔掩支架起，每擺一組支架，收凈支架后幫頂松散煤和木頭、拌子、簾子。每組支架至少有兩根短架子，保證支架后煤回收質量。

（2）運回順槽進入采空區之前，提前回收凈掘進期間出現的局部高頂處的松散煤，接頂剎實并用白泥充填滿。

（3）上口擺架子前，超前3架棚拆幫，將回順上幫、頂的松散煤收凈；每擺一組支架后，回收鐵棚的同時，二次對回順上幫和頂板冒落的松散煤回收，包括木頭、拌子、簾子一并收凈。采面抓頂板開采，每班爆破前，回收凈柔掩支架后浮煤（以支架下半部間隙無碎煤無準）。工作面下口長壁段回收放頂后，將空區碎煤收凈，減少遺煤進入采空區。

2.3 限制采空區漏風

（1）回風順槽預埋灌漿管或在-735 m 水平的12煤層底板巷向采空區頂板打鉆孔，采煤工作面每推進50 m 時，利用地面灌漿系統向采空區內灌漿注沙，充填采空區冒落不嚴的空間，形成隔離帶，阻隔漏風通道，同時對采空區煤矸進行濕潤降溫，每次采空區灌漿結束后，測量空區溫度平均下降2℃～4℃，灌漿前后各采空區埋管CO濃度在0.002%左右下降到0.0 013%左右，采空區灌漿CO濃度明顯降低。灌漿系統如圖1。

圖1 采空區灌漿系統示意圖

（2）采面下口每推進50 m，在運順下幫到柔掩支架尾的長壁段采空區一側打不小于1.5 m寬的防火墻，進一步減少向采空區漏風供氧。

（3）工作面開采前，封閉1204 采煤工作面空區的鄰近巷道,將-735 斜下石門、-800 m 水平 12 煤北底板巷、-800 北風道封閉。開采期間，加強采面系統內的風門、密閉檢修維護，保證密閉質量和風門設施靈敏可靠，通風系統穩定、空區內外壓力均衡。

（4）保持采煤工作面暢通，爆破前清凈浮煤，每次爆破時控制炸藥量，爆破后及時溜完煤，再進行下一循環爆破，預防工作面斷面減小，采空區漏風增加。

掛籃施工是預應力混凝土連續梁的重要施工方法，在該連續梁橋的施工中，掛籃是重要的施工裝置，其對鐵路連續梁橋施工的影響主要體現在其穩定性不足時，會導致連續梁構造尺寸產生誤差。因此，在控制掛籃施工對連續梁橋的影響時，通常需要減弱掛籃的預壓，從而減小因扣件松動產生的誤差，并檢測掛籃的變形值，減小掛籃的變形。

（5）加強采前抽放瓦斯，采時以高位鉆孔抽放為主，取消埋管抽放，在瓦斯濃度控制在規定的安全范圍內，盡可能少抽。

2.4 注白泥、注阻化劑和注氮氣綜合預防措施

（1）自1204 開切眼擺架子起，開始對每組支架后幫頂噴灑濃度20%阻化劑，濕潤煤矸。工作面開采期間，在回順每20 m 預埋2 寸注白泥鐵管，進入采空區后，利用注漿泵交替向采空區注白泥，對采空區煤矸濕潤，充填采空區煤矸空隙；上尾巷每次回收后，用插管注白泥和濃度為20%的阻化劑濕潤覆蓋上尾以里采空區的煤矸；利用抽放鉆場的防火鉆孔和報廢的抽放鉆孔，向采空區注白泥，覆蓋濕潤采空區煤矸；上尾架子頭以外，根據條件每2 m～5 m向上幫、煤頂打鉆孔，向上幫和煤頂注白泥，進行提前預防，施工示意圖如圖2和圖3所示。

圖2 采空區埋管注白泥示意圖

圖3 上口尾巷上幫向12-1煤層打鉆注白泥布置圖

（2）采取采空區注氮氣措施。在采煤工作面下口運輸順槽和回風順槽預埋4 寸注氮鐵管，當埋管進入采區氧化帶之后，利用西風井地面DM-1000型的制氮機向井下1204 采空區注氮（氮氣濃度不低于97%）。注氮管每70 m～80 m 一埋，保證埋管于氧化帶，降低采空區氧含量，縮小采空區氧化帶范圍。注氮系統如圖4所示。

圖4 1204采煤工作面注氮防滅火系統示意圖

（3）加強防火預測預報工作

采煤工作面開切眼上口、下口、開切眼中順口及回風順槽每30 m埋設一檢測管，如圖5所示，進入采空區后，專職防火員每天檢查，并取樣化驗分析。防火員每天對采煤工作面回風、上隅角以外10 m處、上隅角、上尾巷以里1.2 m、瓦斯抽放管路與鉆孔內、以及上尾往下5 m、10 m、15 m、20 m處的柔掩支架后采空區各點、包括與采空區連通的密閉內進行全面防火檢查，檢查內容為：CH4、CO2、CO 濃度及溫度等自然發火標志氣體，同時取氣樣進行色譜儀化驗分析，瓦檢員每班至少進行一次現場防火檢查，發現隱患問題，及時記錄，并向相關單位領導匯報。

（2）安裝 KJ428 火情監測系統，對 1204 采空區CH4、CO2、CO、O2、C2H2、C2H4、C2H6的氣體成份以及溫度監測，進行了采空區自然發火三帶劃分。三帶劃分確保了自然發火預防措施事半功倍。

3 防治效果

為了對比分析采空區防滅火的效果，通過在1204工作面的進風、回風順槽內埋設束管，監測隨著工作面的推進，氧氣濃度的變化。

采取措施前氧氣濃度變化如圖6所示。

圖6 采取措施前O2濃度變化

從圖6中可以得知，隨著工作面的推進，采空區垮落的頂板比較松散，漏風較大，氧氣濃度下降較快，氧氣濃度急劇下降。同時，1204工作面回風順槽內的O2濃度比進風順槽O2濃度降低的快。當回風順槽O 濃度在18%時，工作面推進了18 m，當推進到120 m 時，進入了窒息帶。在回風順槽一側，因為進風順槽漏風的存在，測點在達到26 m時O2才開始下降，達到135 m時進入窒息帶，氧化帶的寬度為22 m～125 m。

采取措施后采空區O2濃度變化如圖7所示。

圖7 采取措施后O2濃度變化

從圖7中可以得知，采取防滅火措施之后，采空區內部的O2濃度快速降低。當工作面推進到15 m時，在回風順槽內得到的氧氣濃度由20.8%降低到了18%，進入到氧化帶；進風順槽在推進到20 m時才進入。回風順槽內的測點到達采空區83 m 時，進入到窒息帶，而當工作面推進到98 m 時，進風順槽采進入到窒息帶。采區措施之后，氧化帶的寬度變為18 m～88 m。說明了采用措施以后，氧化帶寬度減小，對煤自然的防治起到了較好的效果。

通過該套綜合防治煤炭自然發火技術措施實施，林盛煤礦-675 下延區1204 柔掩工作面自然發火得到有效預防，杜絕自然發火隱患發生，工作面已安全終采、回收、灌漿封閉。

4 結論

通過上述分析主要得到以下結論：

（1）詳細分析了林盛礦采空區自然發火是多種因素復合作用的結果，主要受采空區遺煤、采空區漏風、工作面推進緩慢和通風方式等影響。

（2）根據煤自然發火原因制定了綜合防滅火方案，同時改變了通風方式、減少采空區遺煤以及減少漏風等方法，成功抑制了采空區煤炭的氧化，效果明顯。為以后偽傾斜柔性掩護支架采煤工作面的煤炭自然發火防治積累了寶貴經驗。