復雜條件下邊角煤工作面緩推期間自然發(fā)火的治理

李志勇，上官良良，劉星樂

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊礦，山東 兗州 272102）

1 礦井概況

興隆莊煤礦位于山東省兗州區(qū)境內(nèi)兗州煤田東北部。井田走向長約13.1 km，傾斜寬約6.8 km，礦區(qū)面積56.234 6 km2。礦井于1975 年2 月份破土動工，1981 年12 月建成投產(chǎn)，年設計能力300 萬t，設計服務年限97a，2015 年核定生產(chǎn)能力為650 萬t。地質(zhì)儲量約 7.35 億 t，可采儲量 21 862.5 萬 t，主要可采煤層為3 煤層，埋深240~580 m，煤厚平均8.65 m，煤種主要以氣煤為主。礦井采用豎井開拓，現(xiàn)生產(chǎn)水平為-350 m 水平。采用綜采放頂煤開采工藝。礦井通風方式為兩翼對角抽出式，共布置4個井筒，其中主、副井進風，東、西風井回風。礦井水文地質(zhì)類型中等，低瓦斯礦井，煤塵有爆炸性。

2 自燃傾向性鑒定

1）3 煤的自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。3 煤的最短自然發(fā)火期為44 d。

2）煤炭自燃氧化自燃熱解的氣體產(chǎn)區(qū)隨礦井和煤質(zhì)的不同而異，而且出現(xiàn)氣體產(chǎn)物的熱解溫度相差甚大。因此在利用標志氣體進行煤炭自然發(fā)火進行預測預報，關鍵是檢測出本礦煤層標志氣體。由山東鼎安監(jiān)測技術有限公司出具的煤層自然發(fā)火標志氣體檢測報告，顯示檢測結果：CO、C2H4、C2H2、C3H8為煤自然發(fā)火的標志性氣體，CO 出現(xiàn)表明煤炭已經(jīng)開始氧化，C2H4出現(xiàn)且變化速率明顯加快是煤炭進入加速氧化階段的標志，其出現(xiàn)的臨界溫度144℃ ~ 160℃ ，C2H2出 現(xiàn) 的 溫 度 超 過 350℃ 。C2H2/C2H6比值的出現(xiàn)是煤炭進入加速氧化階段的標志，其峰值出現(xiàn)的溫度為257℃，C3H8/C2H6比值的出現(xiàn)是煤炭進入劇烈氧化階段的標志，其峰值出現(xiàn)的溫度是300℃，C2H4/C2H6和C3H8/C2H6可作為判別煤反應程度的輔助指標。

3）礦井防滅火系統(tǒng)。礦井建有井下消防供水系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、注氮系統(tǒng)、注液態(tài)CO2系統(tǒng)、束管監(jiān)測預報系統(tǒng)、阻化與凝膠防滅火系統(tǒng)。

4）B4328 工作面位于4 采區(qū)下部，北西部為切眼與4326 下順槽相鄰，南西部為B4328 運順與4328 停采線相鄰，南東為設計停采線與B4328 運煤巷（設計）相鄰，北東側為B4324 軌道順槽與八采二階軌道下山相鄰。工作面內(nèi)有4328 撤除巷、4328 運順及四采下部運煤巷等老巷道。

該工作面第1 段凈面長148 m，推進長度125.2 m，第2 段為邊采邊撤，工作面面長148~93.4 m，工作面推進長度98.4 m，工作面總推進長度為213.2 m，工作面面積：28 695.92m2。

工作面采用“U”型通風，軌順進風，運順回風，設計風量1 226 m3/min。

圖1 B4328 綜放面位置示意圖

3 自然發(fā)火風險分析

B4328 切眼與4326 采空區(qū)相鄰，留設5m 煤柱，4326 上順槽內(nèi)已充填粉煤灰，切眼向沿空側漏風的可能性較小，自然發(fā)火風險相對較小。

B4328 運順與4328 停采線相鄰，留設25m 煤柱，煤柱較大，漏風可能性較小，自然發(fā)火風險相對較小。

B4328 切眼后方聯(lián)通4326 運煤巷、四采下部集運巷，周圍閉墻多，閉墻不嚴密、老巷封堵充填不嚴實，容易向采空區(qū)漏風供氧，是導致采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火的重要因素，自然發(fā)火風險相對較高。

工作面推進長度125.2 m，進入邊采邊撤階段，工藝復雜，采空區(qū)丟煤多，推進速度較慢，自然發(fā)火風險較高。

工作面停采撤除造條件，工作面上網(wǎng)不再放煤，采空區(qū)內(nèi)丟煤多，撤架期間，頂板破碎，容易漏風供氧，采空區(qū)自然發(fā)火風險相對較高。

綜合分析研判，工作面自然發(fā)火的重點是與采空區(qū)聯(lián)通的老巷、工作面邊采邊撤期間及工作面停采撤除期間。

4 工作面推進情況及自然發(fā)火經(jīng)過

4.1 回采前老巷封閉

工作面回采前，在B4328 切眼尾巷施工1 道0.5 m 閉墻，在4 采下部集軌巷與B4326 運煤巷三叉口施工1 道1m 厚水泥澆筑墻，在4 采下部集軌巷與 B4328 軌順三叉口施工 1 道 0.5 m 磚閉，在B4326 運煤巷門口施工1 道1m 厚磚閉，完成對工作面周圍多條老巷封閉。

4.2 工作面推進情況及自燃經(jīng)過

工作面 1 月 2 日開始回采，4 月 28 日停采，回采期 4 個月，1 月份推進 27 m，2 月份推進 49.6 m，3月份推進 54 m，4 月份推進 70 m，平均月推進50 m，推進速度較慢。

2 月18 日，工作面推進78 m 后，通過氣體檢查發(fā)現(xiàn)，工作面5 號架后CO 濃度為4×10-6，回風隅角擋風簾以里CO 濃度為145×10-6，回風隅角CO為 30×10-6，回風流 CO 為 9×10-6。至 2 月 23 日，B4326 運煤巷內(nèi)檢測出CO 濃度為58×10-6，回風流CO 升高至 22×10-6，工作面 CO 擴散至 30 號架，濃度為 20×10-6，到 2 月 28 日 B4326 運煤巷 CO 濃度達到峰值165×10-6，且出現(xiàn)乙烷、乙烯指標氣體。通過采取綜合防滅火措施后，回風流CO 濃度下將至10×10-6，B4326 運煤巷運煤巷內(nèi) CO、C2H6、C2H4指標氣體消失。

4.3 自然發(fā)火點及漏風通道分析

工作面切眼處無法放頂煤，大量的浮煤遺留在采空區(qū)，為浮煤自燃埋下了隱患。同時，工作面推進距離短，頂煤跨落不充分，進風隅角、四采下部集軌巷處于進風側，切眼尾巷B4326 運煤巷處于回風側，實測兩側壓差接近100 Pa，構成了良好的漏風通道，使得切眼處浮煤具有較好的漏風供氧的條件。工作面推進速度慢，切眼丟煤氧化蓄熱達到自燃，綜合分析研判，自然發(fā)火點在切眼靠近軌順處。

圖2 B4328 綜放面漏風通道示意圖

5 自然發(fā)火防治措施

5.1 工作面升壓

利用回風側風門調(diào)節(jié)控制，給工作面升壓，抑制采空區(qū)CO 外泄至回風流，同時調(diào)整回風側風門構筑位置，改建至B4326 運煤巷與4 采下部集運巷三叉口以上，調(diào)整老巷兩側閉墻壓力分布，降低B4326 運煤巷負壓，進一步減少漏風。

5.2 隅角封堵

工作面每推進10 m，在進回風隅角施工全斷面隔離垛，隔離垛墻接幫接頂，厚度不低于3 m，并在工作面進、回風隅角掛設擋風簾。隔離垛外掛金屬網(wǎng)，隔離垛全斷面噴涂SFT 封堵漏風。回采期間，兩端頭隅角共計施工隔離垛22 道。

5.3 進風端頭注膠隔離

在軌順安設1 臺2ZBYSB9.0～2.4/1～18-18.5型號的雙液注膠泵，敷設2 路Ф25 高壓膠管至工作面進風隅角。在進風端頭隔離垛頂板下0.5 m 處留設3 條Φ42 防火套管，向進風端頭隔離垛內(nèi)注膠分段隔離，減少進風端頭向采空區(qū)漏風。

5.4 向采空區(qū)壓注氮氣

利用軌順隅角預留至切眼的3 寸注氮管路，通過地面制氮機連續(xù)大量向采空區(qū)壓注濃度不低于97%氮氣，置換采空區(qū)氧氣，對采空區(qū)進行惰化處理。2-4 月份累計向采空區(qū)壓注氮氣181 520 m3。

5.5 向采空區(qū)壓注液態(tài)CO2

利用移動液態(tài)CO2罐車，通過軌順隅角預留至采空區(qū)內(nèi)的管路，向切眼處壓注液態(tài)CO22 000 m3，向B4326 運煤巷壓注液態(tài)CO22 000 m3, 對采空區(qū)進行降溫、惰化處理。

5.6 加固聯(lián)通采空區(qū)的老巷閉墻

對4 采下部集軌巷三叉口處閉墻進行噴漿加固，同時在距原閉墻1m 位置再施工1 道0.5 m 厚磚墻，形成夾心隔離墻，并向2 道閉墻內(nèi)注膠充填,累計注膠60 m3。

對B4326 運煤巷閉墻噴涂SFT 封堵漏風。

5.7 向老巷內(nèi)注漿充填封堵漏風

利用B4326 運煤巷閉墻內(nèi)預留注漿管路向老巷內(nèi)充填粉煤灰漿，累計向B4326 運煤巷注漿13 800 m3。

5.8 加強氣體觀測分析

工作面回采期間，加強氣體觀測分析，定期取樣化驗，在兩端頭隅角預留監(jiān)測束管，定期抽氣化驗采空區(qū)氣體情況。每班至少檢測1 次B4328 工作面進、回風隅角、回風流及工作面架間自然標志性氣體情況，并取樣化驗分析。

在B4328 工作面進回風隅角預留2 路束管接入礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)，每天連續(xù)抽氣至少6 h，進行氣體化驗分析。

6 治理效果分析

通過采取兩端頭密集施工隔離垛、進風端頭注膠隔離、老巷閉墻加固、充填粉煤灰、采空區(qū)壓注氮氣、液態(tài)CO2進行惰化處理等綜合防滅火措施，采空區(qū)自然隱患得到有效控制，B4326 運煤巷內(nèi)CO、C2H6、C2H4等自然發(fā)火指標氣體逐漸消失，回風流CO 濃度持續(xù)下降，穩(wěn)定在10×10-6以下，保證了工作面緩慢推進期間的安全回采。

圖3 B4326 、B4328 回風隅角CO 濃度曲線圖

7 結 論

邊角煤工作面位于采空區(qū)周邊，不規(guī)則布置，回采工藝復雜，推進速度緩慢，采空區(qū)丟煤多，特別是邊角煤地質(zhì)條件復雜，與邊角煤工作面聯(lián)通的老巷閉墻較多，漏風條件十分復雜，要加強漏風通道排查和分析研究，在治理過程中重點封堵漏風通道，減少向采空區(qū)漏風供氧。

對于復雜條件下自然發(fā)火防治，單一的防滅火措施難以有效治理消除自燃隱患，要綜合運用端頭隔離、壓注凝膠、均壓、注氮及液態(tài)CO2等防滅火技術，才能徹底治理消除自燃隱患，保證工作面安全生產(chǎn)。