易燃煤層綜采工作面停采撤架期間防滅火實踐

梁志杰，劉 揚，張 輝，孟郡伯，宋彥東

(1.華能煤業有限公司 陜西礦業分公司， 陜西 咸陽 711300；2.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110000； 3.陜西旬邑青崗坪礦業有限公司， 陜西 咸陽 711300)

煤層自燃是威脅礦山安全生產的五大災害之一。我國煤礦主要是井工開采，工作面煤炭采出后在工作面后方頂板垮落的地方形成采空區，采空區內遺留大量煤炭資源,遺煤在頂板垮落區域內會形成半封閉狀態，工作面回撤過程中采空區內的遺煤極易發生自燃，威脅礦山安全生產[1]. 扎煤公司五牧場礦四區段工作面自開采以來受煤層賦存、斷層等復雜因素影響，采空區積存大量的瓦斯等有害氣體，同時，煤層發火期短、低溫氧化能力強，存在火災隱患，在工作面回撤期間接連出現CO檢測指標超限的現象。因此，該礦實施防滅火措施，以順利回撤全部液壓支架，保障安全生產。

1 工程概況

1.1 綜放工作面自燃情況

五牧場煤礦12#煤一采區四區段煤層自然發火期為1—3個月，屬I類容易自燃煤層。工作面設計走向長1 380 m，傾斜寬216 m，工作面平均坡度21°，最大坡度30°，煤層平均厚度11.48 m，設計可采儲量275萬t，采用綜放開采，采高3 m，放高8.48 m，工作面內安設液壓支架144臺，工作面采用下行通風，工作面絕對瓦斯涌出量0.306 m3/min. 工作面推進879 m，剩余走向長度501 m，采出煤量154萬t. 工作面在回撤過程中，由于工作面坡度大、斜距長，鋪網工作用時較長，頂板破碎，回撤通道需打錨桿、錨索、W鋼帶支護，造成回撤準備時間長達35天。

四區段工作面回撤期間CO持續升高，并檢測出煤炭加速氧化標志性氣體C2H4(乙烯)。工作面回撤134#支架時，回撤空間頂板冒落，采空區內CO在40#支架附近涌出，2日后回撤工作面CO濃度持續升高。為保證安全，停止四區段回撤，暫時封閉工作面，采取不間斷向采空區注入氮氣117天后，封閉區內O2濃度在1%左右，N2濃度95%左右，CH4濃度小于1%. 在封閉區域內CO及C2H4檢測數據為零后，啟封工作面，對工作面支架尾梁后部采空區噴灑噴涂材料封堵采空區，對35#—59#支架間漏風嚴重地段向采空區壓注充填材料。在二次回撤過程中，工作面CO再次持續升高，工作面停止回撤，停止向工作面供風，在工作面內CO濃度2 200×10-6、CH4濃度5.2%、溫度21 ℃，根據工作面內有害氣體變化情況，對工作面重新進行封閉。

1.2 自然發火原因分析

采空區遺煤氧化升溫產生高溫點有3種可能[2]：1) 工作面過渡支架支護段不能放頂煤，上隅角采用錨桿、錨索支護，冒落不充分，形成較大的漏風條帶通道，造成137#支架尾梁后部煤炭氧化升溫產生高溫點(支架撤出后熱氣消失)。2) 50#支架附近處于煤巖交界地帶，頂板巖層厚，頂煤放不出來，采空區遺煤多，大塊矸石形成漏風供氧通道，致使此段附近采空區遺煤氧化嚴重。3) 由于工作面長期處于緩慢推進狀態，工作面后部采空區60 m范圍持續供氧時間達3.5個月，4月份工作面只推進13.6 m，5月份推進20 m，超過煤炭自然發火期，工作面后方采空區大范圍煤炭氧化升溫產生高溫點。

2 防滅火工程

針對四區段綜放工作面目前面臨的防滅火形勢，采用在下順槽退后工作面10 m施工一平行于工作面的防火道。通過防火道施工滅火鉆孔，壓注液態CO2給采空區降溫滅火。降溫滅火后需要在防火道內施工壓注鉆孔，壓注隔絕空氣的粉煤灰膠體。

2.1 防火道工程

在下順槽退后工作面10 m，12#煤層頂層施工一平行于工作面的防火道(圖1). 防火道沿煤層傾向長213 m，斷面2.5 m×2.5 m，坡度16°～25°30′，防火道采用錨、網、梁的支護形式。

圖1 壓注液態CO2鉆孔剖面示意圖

2.2 壓注液態CO2工程

1) CO2降溫原理。CO2常溫常壓下是一種無色、無味、無毒、抑爆、不可燃的惰性氣體。在常溫下，性質穩定，不易與其他元素直接化合，極微溶于水。而液態CO2是-42 ℃，性質穩定，具有強性降溫作用，1 m3液態CO2可以產生600 m3氣態CO2，可以快速惰化采空區[3].

2) 鉆探施工。對應工作面CO涌出嚴重地點(120#、100#、50#支架)施工3個d63 mm鉆孔，通過鉆桿向采空區壓注液態CO2，利用液態CO2的強性降溫作用，快速降低采空區溫度，消除高溫點。施工鉆孔參數見表1.

表1 壓注液態CO2鉆孔參數表

鉆探過程中先使用d42 mm外平式鉆桿、d63 mm三翼金剛石復合片鉆頭鉆進至預定位置，抽出鉆桿，換成d58 mm外平式薄壁鉆桿、d58 mm環形鉆頭在原孔位置繼續鉆進至預定位置(進入采空區后鉆不動為止)，d58 mm外平式薄壁鉆桿留在鉆孔內作為壓注液態CO2套管使用。鉆孔施工完成后，退鉆桿0.5 m，用高壓水清洗鉆孔，在每個鉆孔管頭安設一個d64 mm高壓閥門。高壓閥門使用法蘭盤用d64 mm高壓管與CO2增壓器聯接，薄壁鉆桿管頭用8#鐵線與支護錨桿連接固定二道。孔口采用聚氨酯封孔袋封孔3.0 m.

3) 壓注液態CO2

采用液態CO2槽車、MKDZ-LZ-500型礦用液態CO2直注式防滅火裝置(5個液態CO2罐車、1臺增壓器)，在防火道內壓注液態CO2，由上向下進行，即先注120#支架處鉆孔再壓注100#支架處鉆孔，最后壓注50#支架處鉆孔。液態CO2罐車運輸至防火道內壓注地點后，將罐車與增壓器聯接，增壓器與鉆孔鉆桿聯接(使用d64 mm高壓管聯接)，打開閥門，通過鉆桿將CO2壓注到采空區。3個鉆孔共需壓注液態CO2100 t，對應120#支架的鉆孔壓注液態CO240 t，對應100#、50#支架的鉆孔壓注液態CO2各30 t. 壓注液態CO2工藝平面圖見圖2.

2.3 壓注粉煤灰膠體

1) 鉆探施工。

在防火道內向采空區方向打鉆，利用鉆孔向采空區壓注粉煤灰膠體。在防火道內每隔6 m，平行施工一個鉆孔，防火道兩端鉆孔呈扇形布置。共計施工鉆孔數量36個，鉆孔平均長度57 m，鉆孔平均進入采空區37 m.

鉆進過程中先使用d42 mm外平式鉆桿、d50 mm三翼金剛石復合片鉆頭鉆進至預定位置，在鉆進過程中每隔10 m(10根鉆桿)使用氣體取樣泵對鉆孔進行取樣(每個鉆孔取4個氣樣)；鉆探至設計孔深后，換d42 mm外平式薄壁鉆桿、d42 mm環形鉆頭在原孔位置繼續鉆進至預定位置，將溫度傳感器探頭沿鉆桿順至終孔位置，檢測完終孔位置溫度后，退出溫度傳感器探頭10 m，繼續檢測，依次退出溫度傳感器探頭4次，每次檢測溫度時間不低于5 min，d42 mm薄壁鉆桿留在鉆孔內，作為注漿管使用。鉆進至終孔位置后，將鉆桿退出0.5 m，并使用高壓水沖孔5 min，鉆孔施工完成后在每個鉆孔管口安設絲堵，防止采空區有害氣體泄漏。根據檢測出鉆孔內相應位置的CO、C2H4(通過地面色譜儀分析CO、C2H4濃度)、溫度情況，調節此鉆孔壓注粉煤灰鉆桿出口位置及注膠量。終孔后采用封孔劑封孔，封孔長度2.0 m.

圖2 壓注液態CO2工藝平面圖

2) 壓注粉煤灰膠體。

通過向采空區內壓注粉煤灰膠體采用一次壓注，在采空區40 m范圍形成粉煤灰膠體隔離帶，防止采空區漏風、供氧。壓注粉煤灰膠體設備由儲料罐、螺旋送料器、攪拌池、攪拌器、注膠機和分流器組成。鉆孔內溫度T、CO濃度、C2H4濃度較高，應加大注漿量，若鉆桿未達到預定位置，或注漿量未達到規定數量，應在原鉆孔附近補打鉆孔壓注泥漿，確保注膠效果。

為了保證防滅火效果，鉆孔必須達到一定的注漿量，注漿量計算公式：

Q=L×B×h×R

(1)

式中，Q為注漿量，m3；L為工作面長度，取216 m；B為需充填寬度，取40 m；h為采空區高度，取8 m；R為采空區孔隙率，取10%. 代入計算得Q=6 900 m3.

單孔注漿量：6 900÷36個孔=191.67 m3，取200 m3.

2.4 啟封工作面注氮

啟封后，使用風筒、快速噴涂材料封堵23#支架以下支架后尾梁金屬網空間,在關鍵部位進行補噴膠體。控制迎頭風量，以保障工作面內回撤迎頭CH4、CO、O2濃度不超限為原則，根據工作面內O2濃度含量調節注氮量。在工作面第3次開啟后持續觀測CH4濃度小于1%，CO檢測數據為零，C2H4檢測數據為零，20天后順利撤出所有剩余液壓支架。

3 結 語

通過集成應用“液態二氧化碳降溫，壓注粉煤灰膠體為主，封堵采空區減小漏風、注氮”的綜合治理技術，取得了良好的應用效果，有效解決了易燃煤層工作面停采撤架過程中容易產生的煤火災害。