漏風條件下工作面煤自燃封堵防滅火技術研究

周 鵬

（內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司）

煤炭是我國的主要能源，煤自燃發火嚴重威脅礦井的安全生產［1-3］。煤炭自燃主要發生在綜采工作面的采空區，隨著機械化水平的提高，厚煤層放頂煤一次采全高的開采方式得到大量應用，隨之帶來的是采空區的遺煤量增大，而采空區遺煤自燃問題，大部分都是由于漏風引起的［4-7］，漏風導致采空區大量遺煤持續保持良好的供氧狀態，最終發生煤氧化自燃，故良好的封堵是防治煤炭自燃的關鍵，也是防止有害氣體涌出，保障工作面安全推采的前提。

1 工作面概況

不連溝煤礦F6211 綜放工作面（以下簡稱工作面）位于東翼二盤區，西至6 煤輔運大巷，北臨F6210輔運順槽，南臨F6212備采工作面，煤層結構復雜，含夾矸7～8 層，煤層平均厚度19.4 m，6 煤自燃傾向性為I 類容易自燃，自然發火期為31 d。工作面傾向長度275 m，安裝液壓支架160臺。在推采過程中，由于漏風導致采空區遺煤高溫氧化，采空區CO 氣體濃度升高并不斷涌入工作面，嚴重影響了工作面的安全生產。F6211 工作面回風隅角CO 氣體濃度變化趨勢如圖1所示。

2 治理分析

2.1 煤自燃成因分析

（1）地表漏風。工作面煤層埋藏淺，距地表200 m 左右，工作面放煤高度10 m 以上，推采過后，采空區頂板垮落下沉，最終與地表導通，形成大量漏風通道。從2018年12月10日—2019年1月30日，工作面漏風量由350 m3/min 左右上升至1 200 m3/min 左右，采空區大面積供氧充足。

（2）推采緩慢。工作面推采過程中遇2 條大斷層，破巖工程量大，設備磨損嚴重，導致工作面推采緩慢，氧化蓄熱時間長。

（3）采空區遺煤多。工作面初采90 m 未放頂煤，采空區遺煤量大；放頂煤期間采空區有一定量遺煤，進、回風巷在推采過程中不放或少放頂煤，上、下部部分范圍遺煤較多。

2.2 治理難點分析

（1）受地表漏風影響，采空區CO 氣體從工作面全長范圍內涌出，且從F6212輔運施工的措施孔抽取CO 氣體數據來看，準確定位遺煤氧化升溫區域難度較大。

（2）地表漏風裂隙豐富，漏風量大，整個采空區處于持續供氧、氧化的有利環境，在工作面持續推進的過程中，必然會有新的氧化升溫區域出現，氧化點分散。

（3）目前工作面已回采超過500 m，傾向距離較長，采取采空區灌水或黃泥漿很難有效地覆蓋遺煤氧化區域，達到窒息火源的目的。

（4）最為關鍵的問題在于，由于地表向采空區的漏風通道暢通且動態變化，架后垮落煤巖漏風裂隙豐富，導致采空區內的大量CO 氣體不只是從回風隅角涌出，而是從進風隅角開始到進風側工作面架間的新鮮風流都有大量CO 氣體。工作面內高濃度的CO 氣體影響到工人身體健康及工作面安全順利生產。

（5）在采空區氧化范圍廣，氧化點多，治理難度大，周期長的情況下，地表回填工作又暫時不具備實施條件，故為最大程度降低工作面CO 氣體濃度，唯一有效的辦法是將工作面全長架后遺煤充填，降低漏風及氣體涌出，為工作面快速推進創造條件。

3 工作面封堵防滅火治理

3.1 治理方案

方案中針對工作面全長的防滅火注漿治理主要分兩步：第一步，工作面推進15 m 不放頂煤，后放頂煤推采4 m 左右后停采；第二步，工作面全長架間打鉆灌注普瑞特Ⅱ防滅火材料。工作面全長276 m 左右，共有160臺液壓支架。通過工作面架間向采空區打設注漿鉆孔，設計在2 臺液壓支架架間布置1 個注漿鉆孔，鉆孔終孔點控制在距后尾梁10 m 的位置，終孔高度在煤層底板以上4 m。打鉆設計如表1、圖2、圖3所示。

3.2 普瑞特固化泡沫封堵技術

（1）技術特點。普瑞特固化泡沫封堵材料采用創新性的發泡技術，發泡和固化過程均不產生熱量；發泡后，初期呈乳化狀泡沫，具有良好的流動性，有利于擴散，可在破碎巖體內達到理想的充填效果，固化后能夠全面填充注漿位置周圍煤巖裂隙；固化泡沫體阻燃性好，在上千度的高溫火源下泡沫不坍塌，不燃燒，也不助燃；最終形態為固化泡沫體，固化后的泡沫閉孔率高，透氣率低，泡沫與煤巖體固結成一體，能夠有效充填空洞裂隙，具有良好的封堵漏風性能［8-11］。普瑞特固化泡沫主要技術參數如表2所示。

（2）應用工藝。普瑞特固化泡沫由A 料和B 料組成，按體積比1∶1 通過混合槍進行混合反應，通過鉆孔壓注進入充填封堵區域，在很短時間內發生聚合反應，并逐漸固化。普瑞特Ⅱ型固化泡沫的制備系統工藝流程如圖4所示。

3.3 應用效果

工作面采用全長架后打鉆注漿治理措施，通過鉆孔注入的普瑞特固化泡沫，發泡后以泡沫狀向采空區破碎煤巖裂隙內流動和擴散，全面覆蓋充填注漿周圍煤巖裂隙上、中、下位置，固化后粘附在煤巖體表面，與煤巖體形成密實的固結體，有效地阻斷了漏風通道，固化泡沫體中含有一定量的水分，對高溫氧化點起到了吸熱降溫的作用，在采空區內形成了一道防火墻，控制了煤自燃區域擴大蔓延的現象，避免了火災事故，保證了工作面繼續安全推采。工作面治理前后CO氣體變化曲線如圖5、圖6所示。

4 結論

（1）F6211 工作面煤層厚，采空區遺煤量大，加之地表漏風明顯，采空區遺煤長時間的供氧、蓄熱，最終工作面采空區深部發生遺煤氧化自燃，采空區內部氧化產生的大量CO 等有害氣體涌入工作面，嚴重影響工作面作業安全。

（2）通過對工作面遺煤自燃成因及治理難點的分析，氧化自燃區域較為復雜且隱蔽，針對氧化區域的治理很難達到較好的治理效果。同時結合明顯的地表漏風問題，提出了工作面封堵漏風的治理方案，在封堵的前提下防止大量有害氣體涌出，最終能保證工作面的安全作業，快速推進。

（3）治理施工采用普瑞特固化泡沫封堵技術，該材料主要解決了發泡充填材料的反應發熱問題，避免對遺煤帶來自燃隱患，針對遺煤自燃區域的充填封堵效果突出，施工工藝簡單、快捷。

（4）該防滅火技術在F6211工作面全長的封堵治理施工，最終工作面的CO 氣體得到有效的控制，工作面在安全的環境下持續生產。此次防滅火治理也為類似工作面的煤自燃防治工作提供了新的材料、技術手段和寶貴的經驗。