綜放工作面停采撤架期間煤自燃防治技術(shù)研究

邢立杰，劉華，劉芬,3，王帆，權(quán)巖萍

（1.陜西郭家河煤業(yè)有限責任公司 陜西 寶雞 721500；2.西安科技大學安全科學與工程學院 陜西 西安 710054;3.江蘇能源股份有限公司陜甘分公司安全生產(chǎn)指揮中心 陜西 寶雞 720000；4.靖遠煤電股份有限公司紅會一礦 甘肅 白銀 730614）

0 引言

隨著我國現(xiàn)代綜放式開采技術(shù)和工藝的發(fā)展，綜合機械化在礦井開采中應用廣泛，采空區(qū)遺留煤量較少、工作面向前推進速度加快等逐漸發(fā)展為一種趨勢，煤炭自燃的危險性在一定程度上有所減輕[1-2]。但在綜放工作面的撤架期間，由于受到采空區(qū)遺煤、頂板管理等因素的困擾造成工作面回撤時間過長而直接導致采空區(qū)或局部地區(qū)遺煤氧化升溫，進而引發(fā)煤自燃[3]。郭家河煤礦在1803工作面停采收作過程中，出現(xiàn)了CO濃度超出安全范圍的現(xiàn)象。對于此類特殊情況，應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況，通過采取局部正壓通風、封堵減漏、架間插管注凝膠、高位鉆孔灌注高分子材料等綜合性預防滅火技術(shù)和措施，提前預防采空區(qū)域內(nèi)的遺煤發(fā)生自燃，確保工作面之間的支架能夠順利進行撤架工作，對相似工作面的采空區(qū)域內(nèi)煤自燃早期預警與防治措施具有重大借鑒價值。

1 工作面概況

郭家河煤礦井田所處范圍位于黃隴侏羅紀煤田永隴礦區(qū)北部。1308工作面可采走向長2 280 m，傾斜長290 m，面積94.64 km2。主采3#煤，3#煤厚度0.55 m~26.83 m，平均煤厚為11.57 m，最短的自然發(fā)火周期一般為37天，為易于自燃的煤層。

2020年4月20日的日常記錄顯示，在上隅角、回風流、液壓支架架間發(fā)現(xiàn)CO濃度異常且呈上升趨勢。為此，安排人工每天對CO濃度較高的60#~100#、110#~145#支架架間進行重點監(jiān)測，結(jié)果如圖1所示。

圖1 2020年監(jiān)測的支架架間CO氣體濃度

2 CO濃度超限原因分析及治理方案

2.1 CO濃度超限原因分析

依據(jù)現(xiàn)場實時監(jiān)測的結(jié)果可知，1308工作面在停采收作期間CO濃度超出安全范圍的主要原因如下：

（1）地質(zhì)構(gòu)造復雜。復雜的煤層地質(zhì)條件會大大降低煤層工作面推進速度，導致煤的溫度上升，CO濃度也大幅提升。

（2）采空區(qū)遺煤較多。綜采放頂煤工作面大量頂煤遺留在采空區(qū)中，并且煤體會呈現(xiàn)為松散的狀態(tài)，更容易快速氧化，為煤炭的自然發(fā)火提供了條件。

（3）隅角存在漏風通道。工作面采空區(qū)冒落不密實，空隙較大，導致進入采空漏風地帶的煤柱漏風側(cè)力量相對較大，影響范圍相對較深。

2.2 治理方案確定

結(jié)合1308綜放工作面的實際情況及現(xiàn)有防滅火措施的特點，按照快速減少采空區(qū)漏風、隔絕采空區(qū)中的氧氣、消除采空區(qū)中的高溫等危險性區(qū)域的基本原則，確定了綜合防滅火措施。即：采用局部通風的方式，封堵采空區(qū)的上、下隅角，并借助進回風巷提前預埋好的管路來進行對采空區(qū)域的灌漿；在工作面的支架旁邊打鉆孔，向采空區(qū)域內(nèi)灌注高分子膠體和三相泡沫，防止遺留煤層的氧化，消除高溫區(qū)域，并在采煤工作面的架間形成一個隔離帶；同時在高位鉆孔進行凝膠泡沫的灌注，漏風通道應進行嚴密的封堵，高溫區(qū)域應及時治理消除以防止煤自燃，對綜放工作面進行綜合治理等[4-5]。

3 防滅火技術(shù)應用

3.1 加強自燃監(jiān)測預報

（1）加強對所在工作面上、下隅角、隅角束管、各個支架間的氣體安排專人進行監(jiān)測，每天三班分別進行一次人工監(jiān)測。

（2）對采煤工作面的架間、架頂及鉆孔內(nèi)采用紅外線測溫儀來測量其工作面空間中的溫度，做好標記并繪制溫度監(jiān)測曲線。

（3）使用型號為KJ-335X的安全監(jiān)控系統(tǒng)，在線實時監(jiān)控回風順槽回風流中的CO、溫度和CH4等數(shù)據(jù)。

3.2 綜合防治技術(shù)

3.2.1 實行正壓局部通風

正壓通風是綜合治理的關鍵。需要在采煤工作面的運輸巷通道處施工堆砌兩道嚴密的封堵墻，進而封堵住采煤工作面運輸巷，這樣才能有效地保證采空區(qū)在最大程度上減少漏風的情況出現(xiàn)。在已經(jīng)構(gòu)筑好的兩道密封墻中，其中有一道墻要堆砌成永久密閉型，并在墻面之上提前預留埋好注氮、注漿的管路；另一道墻則是要保證其厚度為1 m的用黃泥密封堆砌的快砌墻，要確保其嚴密不漏風。

在1308工作面的回風巷外端安裝一臺局部型的通風機（2×45 kW），一用一備，配備?800 mm的風筒以此來進行供風；在采煤工作面的平巷處要事先安裝相同規(guī)格的局部型通風機，同樣也是一備一用，保證有足夠的風量來為工作面的運輸巷提供充足的風量。在回撤過程中，調(diào)整局部通風機，確保巷道通風的穩(wěn)定性，可以有效減少采空區(qū)域的CO、CH4等氣體的涌出[5]。

3.2.2 上、下隅角封堵措施

（1）減小采煤工作面的風量。在停采撤架期間，應及時降低采空區(qū)域的漏風，工作面風量應下降至1 060 m3/min左右，及時地調(diào)整工作面風的量，可根據(jù)現(xiàn)場對氣體測定和實際使用情況做出適當?shù)恼{(diào)整，以此來防止瓦斯等有害氣體不超過安全范圍。

（2）進、回風巷隅角施工編織袋裝碎煤隔墻。工作面停采后立即在進、回風巷隅角各施工一道封堵墻，墻面噴涂艾格勞尼防火材料，同時向墻內(nèi)注高分子膠體材料進行封堵，防止采空區(qū)漏風。

（3）1308工作面停采后在上、下隅角懸掛擋風簾，最大限度減少采空區(qū)漏風。

（4）工作面的支架到達停采線的位置后，在擴大架空棚期間，安排專人在后尾梁老塘側(cè)和架間縫隙處噴涂艾格勞尼，封堵煤體裂隙，減少對整個采空區(qū)的漏風。

3.3 注氮惰化

利用進風巷提前預埋注氮管路并及時地向采空區(qū)注氮，當提前預埋的注氮管路全部進入采空區(qū)10 m后，開啟1臺氮氣流量為1 200 m3/min的注氮機全天向采空區(qū)域內(nèi)進行持續(xù)注入氮氣，可迅速有效地抑制遺留在采空區(qū)域內(nèi)的煤進一步氧化的速度。

3.4 注高分子材料

針對郭家河煤礦1308采煤工作面停采收作期間，每五臺支架間需要向采空區(qū)域灌注一層高分子膠體材料用來封堵防止漏風。同時，對處于異常的位置，要重點加注三相泡沫和滅火劑，防止每層因氧化發(fā)生自燃。工作面支架前鉆孔位置及參數(shù)見圖2。

圖2 工作面支架前鉆孔布置及參數(shù)

3.5 高位鉆孔注漿

為防止撤架期間工作面支架頂部浮煤自燃，在撤架前提前施工高位鉆孔注漿。在工作面擴大棚的過程中，先在采煤工作面1#~50#之間每隔4架打一個專用的注漿鉆孔，50#~153#每2架架前向架后打一個注漿鉆孔，鉆孔內(nèi)下DN40套管，并且每根套管的長度為2 m，使用聚氨酯材料對其開采的孔進行封堵。鉆孔參數(shù)：鉆孔深度為14.9 m~12.5 m；鉆孔傾角為10°~14°；鉆孔直徑為63 mm，架前鉆孔施工示意圖如圖3所示。

圖3 架前注漿鉆孔施工示意圖

3.6 其他防滅火措施

在實際工作中，撤走支架后，應隨時注入防滅火材料。當拆除支架時，每隔10 m的地方需要用裝碎煤的編織袋組成一堵墻，在墻體噴涂艾格勞尼材料，同時還需要進行預埋注漿管。對已經(jīng)拆除支架的部位，要及時注入高分子膠體，以有效減少漏風，防止浮煤進一步被氧化。對采煤工作面的支架每架間、后尾梁上部、架后安排專業(yè)人員進行插DN15注漿管，注漿管的尾部使用1 m鋼管來進行套接，架后的尾梁將會插入長度為3 m～5 m，仰角為40°～45°的管子，架間后的立柱上方要插入仰角為70°~80°的范圍才可以（如圖4所示）。

圖4 架后頂注漿錨桿布置圖

4 應用效果

2020年4月17日至5月7日撤架期間，對工作面架間CO體積分數(shù)進行統(tǒng)計，其變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 1308工作面架間CO體積分數(shù)變化曲線

由圖5可以清楚地看出，4個架間測點、進風隅角和回風隅角測點經(jīng)過一系列防滅火措施，煤炭自燃情況已經(jīng)得到了有效地控制。其中，60#~100#間CO數(shù)據(jù)波動較大，但整體呈現(xiàn)下跌趨勢，到5月3日之各測點CO數(shù)據(jù)趨勢比較穩(wěn)定，降至安全范圍2.4×10-5p以下，說明煤自燃狀況已經(jīng)基本得到控制。

5 結(jié)語

（1）綜放工作面停采撤架期間極易造成采空區(qū)遺煤量較多，加上撤架期間在工作面停留的時間較長、漏風較為嚴重，會導致遺煤氧化，容易使工作面CO的濃度在一定的時間內(nèi)呈現(xiàn)上升的趨勢，影響安全回撤。

（2）工作面收作期間，必須及時、適時地對其進行通風和排水系統(tǒng)的調(diào)整。

（3）采空區(qū)及架后鉆孔注高分子膠體是防治自然發(fā)火的有效措施，該方法可以封堵住采空區(qū)遺留煤層的間隙，從而起到抑制煤發(fā)生自熱，迅速有效地防止煤自燃。

（4）由于采空區(qū)煤炭發(fā)生自燃所造成的發(fā)火原因相同，依據(jù)工作面現(xiàn)場實際情況，制定有效地預防滅火的技術(shù)措施，快速治理采空區(qū)發(fā)生自燃。