綜采工作面采空區遺煤自燃防治技術研究

李永強

（晉能控股煤業集團泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

采空區遺煤自燃防治是回采工作面開采過程中的一項重要工作。泰山隆安煤礦11下301綜采工作面因易發生采空區遺煤自燃，導致溫度偏高，CO濃度超限，嚴重影響安全生產，亟需研究遺煤自燃原因并采取有效防治措施。

1 工程概況

11下301綜采工作面為11號煤三采區首采工作面，上覆11上煤層遺留在采空區，且上覆為原金義煤礦和原晉豫煤礦舊小窯采空區。11下號、11上號自燃傾向性等級均為Ⅱ級，屬自燃煤層。11下301工作面所采掘的11下號煤為石炭系太原組二組中部，上距11上號煤層1.57～4.73 m，平均2.41 m，煤層厚度0.81～6.91 m，平均1.95 m，煤巖層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構造，煤層傾角為2°～8°，平均4°左右。

工作面回采期間主要采取注氮和噴灑阻化劑、兩巷隅角處垛帶隔離等防治措施，但回采期間仍常發生采空區遺煤自燃導致CO超標現象，亟需研究遺煤自燃原因及有效防治措施。工作面煤層及頂底板巖性特征見表1。

表1 煤層及頂底板巖性物理力學參數表

2 煤層特征

2.1 煤層自燃傾向性

根據礦方委托相關資質單位對11上、11下號煤層進行的煤層自燃傾向性及煤塵爆炸性鑒定報告可知，礦井主采的11上、11下煤層屬自燃煤層，自燃傾向性為Ⅱ類自燃，發火期為2～3個月。

2.2 煤塵爆炸危險性

根據11下煤層自燃傾向性及煤塵爆炸性鑒定報告，11下煤層火焰長度大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉量為80%，煤塵具有爆炸危險性。11下煤層自燃傾向性、爆炸危險性檢測結果見表2。

表2 11下煤自燃性、爆炸性檢測結果

2.3 煤層自然發火標志性氣體

根據11下煤層低溫氧化檢測結果，煤層加速氧化的拐點溫度為約198 ℃，煤層自然發火標志性氣體為CO，臨界值6.1×10-5，且出現C2H4、C2H2等氣體時，則說明采空區遺煤已經自燃，甚至出現明火。

3 采空區發火原因分析

3.1 現場監測及結果分析

（1）測點安設及監測方案

為準確分析工作面回采后采空區內溫度及標志性氣體變化情況，以此推斷采空區大致發火范圍距工作面的距離，監測點布置方式為：在工作面兩巷分別布置3個監測點，第一個監測點布置在上、下隅角，其余兩個監測點向外每50 m布置一個。各監測點安設一個溫度傳感器及氣體采集器，安設位置為兩巷非回采側距巷底2 m的巷幫，并使用剛性材料保護，溫度傳感器使用監測線連接，氣體采集器使用單芯束管連接，線、管沿途均穿過鋼管并鋪設于巷道底角處，向外延伸至人工取樣位置處。工作面回采過每個監測點后，開始每天對監測點的溫度進行記錄，并使用氣囊通過單芯束管進行采集并送實驗室檢測。當氧氣濃度低于4%（不具氧化燃燒性）后即可停止采集觀測。現場監測點布設如圖1。

圖1 現場監測點布設示意圖（m）

（2）監測結果分析

通過對11下301工作面布設監測點并定期進行溫度記錄及氣體采集、檢測后，將各監測點氣體濃度變化情況繪制曲線圖。部分監測點可能因氣管損壞數據異常，需篩選出變化正常的監測點數據進行分析。經篩選后4號測點較為符合要求，圖2為4號測點各氣體變化曲線圖。

圖2 4號測點氣體濃度變化曲線圖

根據各監測點溫度及氣體濃度檢測結果得知，多個監測點均監測出距工作面45 m以內的采空區內各標志性氣體隨工作面回采有輕微增高趨勢，但溫度基本穩定在35 ℃以下，表明工作面回采后，采空區45 m范圍內遺留煤體開始氧化，但未發生自燃現象。距采空區45～70 m段，因采空區老頂來壓，CH4濃度增高，但溫度及其他標志性氣體變化不大。距采空區70～85 m段，CH4濃度出現大幅降低，同時溫度及其他標志性氣體濃度均呈現明顯上升趨勢，表明該區域內采空區遺煤處于氧化自燃狀態。由此分析可知，距回采工作面70～85 m范圍內的采空區為煤層氧化自燃的高發區，回采期間應加強對該區域的遺煤自然發火防治管理。

3.2 采空區遺煤自然發火原因分析

（1）煤具有自然發火傾向性，在采空區具有一定量的遺煤及空氣條件下，易發生煤層自燃。

（2）工作面埋深650 m，埋深較深，加上工作面屬大采高工作面，回采期間頂板壓力較大，采空區頂板垮落帶高度較高，產生較大范圍的漏風裂隙。

（3）工作面回采進度快，遺煤處理不夠細致，導致采空區遺留煤體較多。

（4）距回采工作面70～85 m范圍內的采空區為煤層氧化自燃的高發區，在該區域執行防滅火措施難度較高，常因防滅火措施不到位導致煤層自然發火嚴重。

4 綜合防治措施及其效果

4.1 綜合防治措施

（1）安設采空區溫度傳感器及氣體采集器，每天采集采空區內溫度及氣體濃度變化情況。

（2）加強回采期間采空區噴灑阻燃劑及工作面上、下隅角處垛帶封閉管理。

（3）回采期間加強原煤回收管理，提高原煤回采率，盡量減少采空區遺留煤量。

（4）回采期間每隔10 m從進風巷側沿工作面預埋一根注氮管路，管路向工作面延伸長度不低于30 m，每隔10 m在注氮管兩側開一個漏氮孔。回采期間監測到溫度或CO濃度升高的區域及時進行注氮滅火，并根據注氮期間采空區溫度、CO及氧氣濃度變化情況控制注氮強度，同時要注意監視注氮期間工作面氧氣濃度，防止氮氣溢出導致工作面氧氣濃度降低現象。

4.2 應用效果分析

在11下301工作面采取防治采空區遺煤自燃的綜合防治措施后，監測距離工作面100 m范圍內的采空區未發生溫度明顯升高，氣體采集測試結果均顯示煤層自燃標志性氣體無明顯增加，工作面及回風流CO濃度均在1×10-5以下，采取的綜合防治措施效果顯著，采空區遺煤自燃情況得到有效控制。

5 結論

分析了11號煤層自然發火原因，安設采空區溫度傳感器及氣體采集器來監測采空區煤層自然發火情況，采取采空區噴灑阻燃劑及提高原煤回采率、工作面上下隅角處垛帶封閉可減少采空區漏風、采空區注氮等措施，可有效防治采空區遺煤自燃。