綜放工作面采空區遺煤自燃發火防控技術研究

陳軍章

【摘 要】 為提高綜放工作面安全生產保障能力，降低采空區遺煤自燃發火給煤炭開采帶來的影響，文章以11301綜放工作面為工程實例，采用現場實測法對采空區三帶進行測定，并依據測定結果提出針對性防滅火技術措施。研究結果表明：1）11號煤層自燃發火期最短為36d，煤層自燃發火臨界氧氣濃度為10.0%;2）依據采面實際情況對測點布置方案進行設計，并依據測點獲取到的采空區氧氣、一氧化碳濃度判定采空區散熱帶、氧化帶、窒息帶范圍為0～45m、45～73m以及73m以里;3）采用理論計算方法確定采面最小安全推進速度為1.88m/d，并提出注氮、減少漏風以及噴灑阻化劑等綜合防滅火技術措施。現場應用顯示未監測到采空區遺煤自燃發火征兆，取得顯著防滅火防治效果。

【關鍵詞】 采空區;遺煤自燃;氣體成分;防滅火技術;氧氣濃度

【中圖分類號】 TD75+3 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2096-4102（2021）05-0014-03

隨著礦井綜合機械化設備的應用推廣，煤炭采掘效率不斷提升，采空區范圍不斷增加。當回采煤層頂板存在有薄煤層或者受開采工藝影響導致采空區內遺煤較多時，遺煤自燃發火危險性顯著增加，給礦井生產安全帶來威脅。文章在以往研究成果基礎上，以11301綜放工作面為工程實例，采用現場實測法對采空區三帶范圍進行測定，并依據測定結果提出綜合防滅火技術，以期能在一定程度上提高礦井綜合安全生產保障能力。

1 工程概況

11301綜放工作面采放比為1∶1，采用U型通風（進風量為1880m3/min），切眼斜長、走向長分別為120m、890m。11號煤厚5.6m，瓦斯含量6.3m3/t，距11號煤層上部3m、6m距離分別為10號煤（厚0.45m）和9號煤（厚0.32m）賦存不穩定。

2 采空區三帶測定方案與測定結果分析

2.1 煤層自燃參數測定及三帶劃分標準

按照煤樣采集標準（GB/T482-2008）要求，采集11301綜放工作面回采的11號以及頂板10號及9號煤層煤樣送有資質檢驗單位進行自燃發火實驗，測定發現取樣煤層均有自燃發火傾向，其中11號、10號以及9號煤層自燃發火期分別為36～102d、42～121d、48～95d，煤層自燃發火臨界氧氣濃度均為10.0%。

結合煤層自燃發火臨界氧氣濃度測試結果，采空區三帶按照下述標準判定，即散熱帶：氧氣濃度≥18%，氧化帶：氧氣濃度介于10%～18%，窒息帶：氧氣濃度≤10%。

2.2 測定方案布置

沿著11301綜放工作面布置束管采樣器對采空區內氣體成分進行分析，從采面回風巷向下每間隔30m均布置一個測點，具體現場布置情況見圖1所示。

普通束管在采空區頂板冒落時容易砸斷，從而導致數據測量精度偏低，為此本次測量使用高壓軟管代替傳統束管。在測定期間每天取樣并用色譜分析儀分析取樣氣體成分，通過氣體成分數據確定采空區“三帶”分布范圍。

2.3 測定結果分析

11301綜放工作面于2020年5月開始試生產，并于同年6月中旬布置測點進行測定分析。通過分析5個測點內氧氣、一氧化碳濃度判定采空區三帶。具體氧氣濃度、一氧化碳濃度隨工作面距離的變化曲線見圖2所示。根據煤層自燃參數測定數據及三帶劃分標準，各個測點位置三帶范圍確定情況見表1所示。

測點1與其他測點（測點2～測點5）確定的采空區三帶范圍相差較大，原因主要是受到回風上隅角位置采空區埋管影響。從圖2的（a）和（b）中可看出，隨著采面推進采空區內一氧化碳濃度在散熱帶由于采空區內漏風率較大、溫度較低，遺煤自燃條件不足，從而濃度相對較低;進入到氧化帶后，由于遺煤氧化自燃氧化條件相對較好，使得一氧化碳濃度較高;進入到窒息帶后，氧氣濃度在10%以內，采空區遺煤不具備自燃氧化條件，從而使得一氧化碳基本消失。從圖2及表1確定散熱帶邊界為采空區45m深位置，氧化帶邊界為采空區73m深位置，73m以里均為窒息帶，具體確定的采空區三帶分布范圍示意圖見圖3所示。

3 綜合防滅火技術措施

3.1 工作面安全推進速度

可通過下述公式確定工作面安全推進速度Vmin：

[Vmin=1.5Lmaxτ] （1）

其中Lmax為采空區氧化帶寬度，取45m;τ為煤層最短自燃發火期，取36d。

通過公式（1）計算得到Vmin=1.88m/d。即采面推進速度在1.88m/d以上時采空區內遺煤無自燃發火危險性;當采面持續停采超過36d或者推進速度在1.88m/d以內時則采空區內遺煤自燃發火風險較高。

11301綜放工作面正常回采期間推進速度為4.0m/d，正常回采時采空區遺煤無自燃發火危險，但是采面回采范圍內地質構造復雜，采面推進受地質構造影響，因此在采面生產過程中應注意地質構造探測并根據探測結果采取針對性措施降低地質構造給采面推進速度影響。

3.2防滅火措施

現階段防滅火技術主要以灌注黃泥漿、注氮、噴灑阻化劑以及減少采空區漏風等為主，針對11301綜放工作面采空區三帶測定結果，提出以下防滅火技術措施：

采空區內注氮。根據礦上實際情況選擇注氮方式降低采空區內氧氣濃度，從而防止采空區內遺煤氧化自燃。布置的注氮管路沿著進風上隅角鋪設，深入到采空區深度為45m。

減少漏風。常用技術有增阻法、均壓法、堵漏法等，其中以堵漏法應用最為方便且經濟投入較小。為此，在11301綜放工作面采用堵漏法降低采空區漏風量。工作面漏風主要集中在采面進風、回風隅角位置，為此可在采面進風、回風隅角位置砌筑密閉墻，通過封閉漏風通道來降低采空區漏風量，減少采空區內氧氣濃度弱化采空區遺煤氧化自燃。采面施工的密閉墻應嚴格依據設計施工，并對密閉、漏風巷道等位置使用全面噴漿封堵漏風裂隙，減少采空區漏風量。

噴灑阻化劑。在采面正常回采時向頂板、底板噴灑阻化劑，避免遺煤出現氧化自燃問題。

4 結論

對采面采空區內遺煤進行自燃發火試驗，確定采空區內遺煤自燃最短發火時間為36d、氧氣濃度下限為10%;根據11301綜放工作面實際情況對采空區三帶測量方案進行設計，并通過分析采空區內氧氣、一氧化碳濃度確定三帶分布，具體采空區內散熱帶、氧化帶以及窒息帶范圍分別為0～45m、45～73m以及73m以里。

根據開采的11號煤層自燃發火特性以及采空區三帶測定結果，對采面安全推進速度進行確定，即采面推進速度在1.88m/d以上時，采空區內遺煤不會出現自燃問題;并提出注氮、降低漏風量及噴灑阻化劑防滅火措施，提出措施投入小、防滅火效果顯著，可滿足采面安全生產需要。

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