復雜地質條件下自燃煤層切頂留巷防滅火技術研究

李國軍

（中煤新集能源股份有限公司新集一礦，安徽 淮南 232180）

切頂開采全稱工作面切頂卸壓沿空留巷無煤柱開采技術，通過在工作面煤層回采前采用爆破技術，形成完整的采空區側定向預裂頂板，在礦山壓力作用下，頂板沿預裂切縫自動切落形成巷幫，能將傳統一面雙巷改變成一面單巷的采掘模式。目前，切頂開采技術憑借自身巷道掘進量低和資源回采率高等優勢，被廣泛應用在國內各大礦區。但從目前其實際應用情況來看，切頂開采后采用自動切落形成巷幫的形式漏風嚴重，不利于采空區防滅火管理，尤其在復雜地質條件下自燃煤層切頂留巷過程中表現的尤為突出。因此，有必要開展復雜地質條件下自燃煤層切頂留巷防滅火技術[1-6]研究工作。

1 工作面概況

360804 工作面是3608（6）采區首采工作面，其開采的8 煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，煤層自然發火期一般3～6 個月，最短自然發火期為34 d。工作面設計切眼至設計停采線范圍，風巷可采走向長1 501.8 m，機巷可采走向長1 558.2 m，工作面平均可采走向長1530 m，工作面平均傾斜長180 m，工作面可采面積276 910.1 m2。根據360804 工作面煤層賦存情況、地質條件，并結合自身開采經驗，確定在本工作面軌道順槽外段停采線內進行切頂卸壓沿空留巷開采。

2 地質構造

2.1 褶曲

結合實際揭露地質資料，該區域發育有平行正斷層F10 的近乎東西延展向斜構造，受其影響煤巖層產狀、厚度變化較大。360804 工作面與360802 工作面受向斜構造影響，其中360802 工作面受影響較大。360804 工作面實揭地質資料分析，3608 采區8 煤層總體為一向斜構造，煤巖層走向70°～95°，傾向340°～0°，傾角3°～26°，平均11°。

2.2 斷層

360804 工作面北部為F10 斷層，360804 工作面里段軌道順槽位于謝橋向斜軸內，根據實際揭露的地質資料綜合分析，結合以往實際經驗驗證，該區域地質構造極其發育。該區域8 煤斷層主要以北東向斷層為主。工作面北側區域受F10 斷層影響，其次生斷層較為發育，落差相對較大的斷層附近，斷層組合現象較為明顯，斷層落差由南向北逐漸變大。從360804 軌道順槽揭露f241107-28、F418-1、F360804-19、F041、F064 斷層可以看出，該區域斷層附近煤巖層產狀和厚度變化較大，斷層落差向南逐步減小至尖滅，向北逐步增大至F10 大斷層相接，受F10 斷層影響，斷層延展較長，落差變化快。工作面圍面期間共揭露42 條斷層，影響本工作面回采影響較大的斷層有13 條。

3 工作面切頂開采不同階段防滅火措施

3.1 正常回采期間防滅火措施

3.1.1 回采管理

綜采隊及時調整回采，控制采空區丟煤，提高回采率，確保中厚煤層綜采工作面回采率不低于95%，工作面月推進度不得少于60 m，有效消除煤層自然發火隱患（如圖1 所示）。

圖1 工作面束管監測系統示意圖

3.1.2 防火監測

1）在工作面回風順槽距回風巷口10～15 m 處設置安裝1 臺CO 傳感器（報警值≤2.4×10-5）和1 臺溫度傳感器（報警值30 ℃），對回風流CO 和溫度實時連續監測。每周測定1 次防火觀測站處風流中CO、CO2、CH4等氣體參數，如發現異常情況，要查找原因，采取措施處理。

2）利用JSG6N 束管監測系統，在360804 軌道順槽將束管埋入工作面回風隅角擋墻內深度分別約為20～40 m、40～60 m、60～80 m，連續監測采空區自然發火情況。

3）留巷段回采期間，利用柔模墻頂部每隔15 m 設置一個觀測孔，每天對360804 軌道順槽密閉墻、柔模墻觀測孔與360802 外段風巷煤柱觀測孔采集氣樣進行色譜分析，及時掌握采空區自然發火情況。

4）瓦檢員每班3 次對工作面上隅角、最后一臺支架后部、工作面回順出口10～15 m 處的CO、O2、CO2、CH4和T（溫度）進行檢查。

3.1.3 漏風控制

1）切頂留巷回采期間，每10 m 在上隅角設置擋墻，實現對采空區分段封堵，減少采空區漏風。擋墻采用阻燃抗靜電編織袋裝煤（矸）壘設成墻，墻與頂、底和幫部要封實（如圖2 所示）。

2）根據工作面瓦斯涌出量大小，合理調控回風隅角和鉆孔抽采負壓。調整期間，通風區做好工作面局部地點的瓦斯管理工作，防止瓦斯積聚。

3）柔模要進行及時澆注，滯后支架距離不得超過10 m。在柔模澆注前，為防止漏風，采用掛風筒布的方法進行臨時封閉。

4）柔模端部采用月牙型結構，兩柔模間有側向綁扎條，能夠保證在接茬處形成月牙型包裹，正常情況下滿足采空區封閉的要求。特殊情況下，采用噴注充填材料進行封閉。

3.1.4 防滅火技術

與切頂留巷前相比，為保證工作面切頂留巷期間防火安全，采取以下措施：

1）以連續注氮為主，輔以預防性灌漿、預防性注液態CO2的綜合防滅火措施。其中，注氮流量不少于10 m3/min；預防性灌漿每三天不少于1 次，每次不少于30 m3。

2）在360804 軌道順槽增設一路注氮管路，根據柔模墻觀測孔內氣體與溫度情況，對360804 采空區進行注氮。

3）在360804 膠帶順槽鋪設一路注液態CO2管路，根據采空區氣體與溫度情況，對360804 采空區進行注液態CO2，切頂留巷期間每周灌注一次液態CO2，每次10 t（如圖3 所示）。

圖3 工作面注液態CO2 防滅火系統示意圖

3.2 工作面過構造期間防火措施

1）工作面過斷層期間，做好工作面采高調整的技術指導和遺煤量的預測預報工作，生產單位要提高煤炭回采率，嚴禁留頂煤開采。主要采取措施：① 準確描述斷層的產狀要素，研究方案，提出可行的措施，在保證安全通過的情況下，最大限度地回收煤炭資源；② 由職能科室負責檢查生產單位的浮煤清理情況，浮煤平均厚度均不超過0.03 m，確保工作面回收率達標；③ 嚴格執行回采率獎罰制度，杜絕工作面丟頂、底煤現象。

2）工作面過構造期間，抽排綜合隊應加密對工作面回風隅角、回風流和抽采管內自然發火指標普查力度，對出現CO 的地點進行取樣分析。

3）工作面過構造期間，當采空區出現自然發火隱患時（2.4×10-5≤CO 濃度＜5×10-5），對架后遺煤地點采取灑漿措施，消除采空區自然發火隱患（如圖4 所示）。

圖4 工作面注氮防滅火系統示意圖

3.3 工作面回撤期間防滅火措施

1）停止工作面瓦斯抽采，以減少采空區漏風。停抽期間通風區要安排專人加強現場瓦斯觀測及管理。若現場因瓦斯管理確需打開抽采系統，應控制抽采流量≯20 m3/min，同時防火隊要密切關注抽采管內情況，當抽采管路內CO 氣體濃度達到2.4×10-5且逐步升高時，應控制抽采流量直至停抽，并對采空區采取灌漿、注氮等有效措施處理，確定CO 降到2.4×10-5以下時方可逐漸恢復抽采。

2）每天對該工作面所有巷道進行不少于1 次的全面普查，對易出現自然發火隱患的托頂煤段、部分綜采支架架間煤體、架后采空區等列為防滅火普查的重點，加強檢查。每天對軌道順槽擋墻內、柔模墻觀測孔、采空區束管及360802 外段風巷小煤柱觀測孔內氣體情況進行1 次認真檢查，并對氣樣進行色譜分析。

3）工作面每10 架布置一個觀測孔，觀測孔內CO 濃度高于2.4×10-5并有持續上升的趨勢，對高溫點應及時采取插管注氮措施或對該測點附近煤體采取注水、注防滅火材料、碳酸氫銨與水玻璃混合凝膠等防滅火措施，消除煤層高溫點。

4）在軌道順槽外口、距回風聯巷口10～15 m位置設立自然發火觀測站，懸掛CO 及溫度傳感器，對采面回風流中的溫度及CO 濃度進行24 h 連續檢測。當風流CO 濃度超過2.4×10-5時，必須立即停止工作，切斷電源，撤出人員，并向礦調度匯報，檢查原因，處理好后方可繼續作業（如圖5 所示）。

圖5 工作面灌漿防滅火系統示意圖

3.4 工作面封閉后防滅火措施

密閉墻構筑必須選定在距巷道口不大于5 m 的地點，構筑密閉墻時要選擇巷道頂板支護完好、壓力小且無淋水的地點。實施工序和施工要求如下：

3.4.1 準備工器具

1）準備便攜式氧氣、一氧化碳、甲烷檢測儀。

2）準備鐵鍬、大鏟、水桶、軟管、斷線鉗、扳手等。

3.4.2 檢查作業環境

1）檢查作業地點通風及有毒、有害氣體情況：保證通風良好，有毒有害氣體不超限，符合規定要求。

2）檢查作業地點巷道支護情況：巷道支護良好，無漏頂，無片幫；作業地點無雜物、無淤泥、無積水。

3.4.3 斷開導電物體

斷開密閉施工巷道內外相連的軌道、金屬網、管路、電纜等導電物體。

3.4.4 砌筑密閉墻

1）360804 膠帶順槽

防爆墻：在360804 膠帶順槽與360804 膠帶順槽回風聯巷三岔口以東約9 m 處向東設置一道防爆墻。防爆墻由黃沙組成，總長度為8 m，必須覆蓋全斷面，需設置觀察孔1個、措施孔2個、放水孔1個。

永久密閉墻：在360804 膠帶順槽與360804 膠帶順槽回風聯巷三岔口以東5 m 處設置1 道混凝土墻密閉（密閉厚度不小于4 m），需設置觀察孔1 個、措施孔2 個、放水孔1 個。

2）360804 軌道順槽

在360804 軌道順槽柔模混凝土墻與360804 收作巷三岔口沿采空區側向南施工1 道柔模混凝土墻（厚度不小于1 m，長3 m），接著拐彎施工1 道柔模混凝土墻將360804 收作巷封閉，需設置觀察孔1 個、措施孔2 個、放水孔1 個，然后接著外口360804 軌道順槽柔模混凝土墻繼續往外施工，必須超過360804 收作巷5 m。同時將收作巷閉墻上各路預留管延接出來（兩墻之間設置木垛或注漿充填實，封閉結束后對柔模墻四周噴注漿處理）。

3.4.5 封閉墻的設置要求

1）應建在無動壓、圍巖完整，避開破碎帶的地點；密閉距全風壓巷道口距離不大于5 m；所有導電體在密閉處斷開，在用的管路采取絕緣措施處理除外。

2）密閉墻噴注漿標準：連通采空區、過老巷段等封閉區域存在自然發火隱患的永久密閉施工前需對施工地點前后10 m 范圍圍巖進行噴、注漿，噴漿厚度不得小于100 mm，注漿壓力不得小于3 MPa。抹面的墻面要求1 m2內凸凹深度不大于10 mm；無裂縫、重縫和空縫。

3.4.6 密閉墻設置要求

密閉墻按規定留觀測管、反水管、措施管，伸入采空區密閉墻內500 mm，如圖6 所示。具體要求如下：

圖6 密閉墻管孔設計示意圖（mm）

1）反水管。封閉有流水的巷道時，在閉墻施工完畢后必須構筑反水池，并壓設泄水管，用于觀測水溫、疏放密閉內積水。泄水管高度距巷道底板0.3 m，泄水管選用4 寸（外徑108 mm）的鐵管配U 型管閘閥。

2）觀測管。觀測管直徑不小于25 mm，設在墻高的2/3 處，觀測管口處用螺紋配接長度為70～100 mm 的膠管連接裝置。膠管連接裝置焊接外徑4 mm 細銅管，用于觀測壓差、氣溫和取樣。

3）措施管。措施管直徑不小于100 mm，安設在密閉頂部（離頂板0.3 m 處），以備注氮或注漿用。

4 防滅火效果檢驗

4.1 柔膜墻測孔

4.1.1 柔膜墻1#觀測孔

圖7 是柔膜墻1#觀測孔O2濃度隨采空區埋深的變化情況。由圖7 可知，由于柔膜墻的漏風較大，氧濃度在60 m 之間約為20.03%，后期隨采空區埋深的增加，氧濃度逐漸下降；在74.7 m 處時，有最小值為10.75%。

圖7 柔膜墻1#觀測孔O2 濃度隨進入采空區深度變化曲線

圖8 是柔膜墻1#觀測孔CO 濃度隨采空區埋深的變化情況。由圖8 可知，CO 濃度主要在30～90 m 間整體呈現出先增大后減小的趨勢，當測點進入采空區深度約71.5 m 處時，采空區CO 濃度達到最大值1.2×10-5。

圖8 柔膜墻1#觀測孔CO 濃度隨進入采空區深度變化曲線

4.1.2 柔膜墻2#觀測孔

由于柔膜墻的漏風相對較小，隨采空區埋深的增加，氧濃度基本呈現下降趨勢，在40.5 m 處時，有最小值為16.32%。CO 濃度隨采空區埋深的增加，整體呈現出先增大后減小的趨勢，當測點進入采空區深度約40.5 m 處時，采空區CO 濃度達到最大值1.4×10-5。

4.1.3 柔膜墻3#觀測孔

由于柔膜墻的漏風相對較小，隨采空區埋深的增加，氧濃度呈下降趨勢，在59.3 m 處時，有最小值為16.12%。CO 濃度隨采空區埋深的增加，當測點進入采空區深度約38.3 m 處時，采空區CO 濃度達到最大值1.1×10-5。

4.1.4 柔膜墻4#觀測孔

由于柔膜墻漏風與注氮的影響，隨采空區埋深持續增加，氧濃度呈先增加后下降趨勢，但整體波動范圍不大；在37.9 m 處時，有最小值為18.28%。CO 濃度隨采空區埋深增加，當測點進入采空區深度約20.1 m 處時，采空區CO 濃度達到最大值1×10-5。

4.1.5 柔膜墻5#觀測孔

由圖9 可知，由于柔膜墻漏風大，增加采空區埋深，氧濃度基本在17.2%～20.42%波動。

圖9 柔膜墻5#觀測孔O2 濃度隨進入采空區深度變化曲線

由圖10 可知，CO 濃度隨采空區埋深的增加，整體呈現起伏變化。當測點進入采空區深度約32.6 m 處時，采空區CO 濃度達到最大值7×10-6。

圖10 柔膜墻5#觀測孔CO 濃度隨進入采空區深度變化曲線

5 結論

采用現場觀測和理論分析相結合的方法，進一步完善切頂開采時期的防滅火系統，制定切頂開采不同階段的防滅火技術與管理措施，形成完整的防滅火技術體系，有效驗證防滅火效果，結論如下：

1）工作面切頂開采前，在360804 軌道順槽增設一路注氮管路，在360804 膠帶順槽鋪設一路注液態CO2管路。正常回采期間，采取以連續注氮為主，輔以每3 d 預防性灌漿一次、每周預防性注液態CO2一次的綜合防滅火措施。

① 當采空區CO 濃度＜2.4×10-5，采取向采空區注水或預防性注氮措施；

② 當采空區2.4×10-5≤CO 濃度＜5×10-5，采取連續性注氮或灌漿措施；

③ 當采空區CO 濃度≥5×10-5，出現C2H4氣體時，或溫度超35 ℃時，連續性向采空區灌漿和注氮，必要時采取灌注液態CO2或噴注阻化劑等防火措施。

2）工作面過構造期間，對架后遺煤灑漿或噴灑阻化劑，同時根據工作面瓦斯涌出量大小，調整工作面瓦斯抽采量，以減少采空區漏風。

3）通過柔模墻的觀測孔，測定觀測孔內氣體濃度和溫度變化，發現柔模墻均有不同程度的漏風，CO 濃度為最大值1.5×10-5，溫度約在33 ℃。