綜放面停采撤架防滅火技術研究

王亞超，景興鵬，張辛亥，肖 旸

(1.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團西安研究院，陜西 西安710054；3.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054 )

煤自燃火災一直以來就是我國煤礦的重大災害之一。我國煤炭自燃火災十分嚴重，因此煤層火災的防治技術成為了礦井安全技術的重點。煤層火災防治技術主要包括注水、壓注凝膠[1-2]、惰性氣體[3]、黃泥漿[4-5]、注三相泡沫[6]、噴灑阻化劑[7]、注膠體材料[8-9]等方法。目前煤礦防滅火技術采用較多的是膠體系列防滅火材料和三相泡沫等材料的滅火技術。對于亭南煤礦103綜放面的實際情況和結合監測數據分析數據，在停采撤架期間采用綜合防滅火技術措施，從而保障103綜放面安全順利撤架。

1 工作面概況

亭南煤礦位于彬長礦區中部，井田面積33.82 km，主采侏羅系8#煤層，平均厚度8.29m。礦井采用一對立井單水平開拓，劃分為四個盤區，采煤方法為傾斜長壁綜放開采。根據亭南煤礦8#煤層煤塵爆炸指數為30.06%～30.86%，爆炸火焰長度為300mm，煤塵具有爆炸性；8#煤層吸氧量為0.46～0.51mL/g，自燃傾向等級二類，發火期為3～6個月。該礦周邊開采同一煤層的礦井實際最短自然發火期為1個月。亭南煤礦的瓦斯等級鑒定結果為低瓦斯礦井，瓦斯相對涌出量9m3/t，絕對涌出量13.62m3/min。通風方式為中央并列式，兩臺主扇型號均為GAF-23.7-11.8-1，電機功率為560 kW，等積孔為4.1m2，礦井負壓1600Pa，總進風量為7914m3/min，總回風量為9004m3/min，礦井有效風量率為86.1%。煤礦回采過程中，103綜放工作面回風隅角監測到的CO濃度升高，一般為20～30ppm，回風隅角后部CO濃度還有所增大，但沒有出現乙烯乙炔等其它自燃標志氣體。采空區回風側深部埋管監測到CO濃度達100ppm左右，O2濃度為14%左右，從近期的監測數據看，CO濃度比較穩定，沒有增加或降低的傾向。根據煤礦工作面的氣體監測結果分析，采空區仍然存在一定量的漏風，浮煤氧化放出CO氣體，但采空區溫度仍然較低。通過數據分析推算出103面采空區散熱帶處于距離工作面20m的采空區，氧化升溫帶位于距離工作面20～120m的范圍，其最寬處位于采空區進風側，氧化升溫帶在采空區回風側的寬度也很大，其采空區三帶分布如圖1所示。因此該重點處理氧化升溫帶寬度比較大的進風側，對采空區回風順槽處也要加強處理。

圖1 亭南煤礦103工作面采空區三帶分布示意圖

2 亭南煤礦103綜放面的自燃檢測

由于亭南煤礦103工作面風量大，難以自工作面監測到采空區出現自燃標志氣體濃度升高等變化。為盡早預報采空區自燃，日常監測點布置如下：①高位瓦斯抽放管作為一個測點，每天定時采氣樣色譜分析其氣體成分及濃度；②采空區回風隅角深部埋管每天采氣樣進行色譜分析，該監測點采樣頭位于巷道頂板，水平方向距離工作面15～40m處；③工作面距離回風隅角處布置CO傳感器，實時監測回風隅角CO變化情況；④瓦檢員每班在工作面巡檢，每隔40m一個點，用金屬管伸入到支架后部頂板最里端，抽出氣樣用便攜儀分析其瓦斯及CO、O2等。如果有CO等標志氣體異常，則采樣帶回地面色譜分析；⑤通防隊每天將監測數據填入固定表格，上報通風科分析采空區煤自燃的動態發展，如果發現自燃標志氣體(主要是CO)連續升高或出現C2H4等異?，F象，則說明有煤層自燃趨勢，盡快采取注膠防滅火措施。通過檢測可以判斷亭南煤礦103綜放面的自燃特征，從而可以制定綜合的防滅火綜合技術。

3 亭南煤礦103綜放面的綜合治理

結合亭南煤礦103綜放面的實際條件和各種防滅火技術的特點，確定了因地制宜，合理地運用注氮、堵漏、灌漿、注膠及礦井應急防滅火技術，對103綜放面的煤層火災進行綜合防治的總體思路如圖2所示。

圖2 103綜放面自燃防治總體思路

3.1 接近停采時加強采空區“兩道”的封堵和注膠

接近停采線時(距離停采線100m以內)，工作面每推進30m左右，用輕質膏體充填材料封堵采空區“兩道”，封堵方法為：向采空區兩道的頂板附近掛注輕質膏體充填材料的管路(1寸高壓軟管)，將注輕質膏體充填材料的設備(ZHJ-5/1.8G型礦用移動式防滅火注漿裝置)運送到井下充填區域附近，將預設管路連接到注輕質膏體材料設備。隨著工作面推進，軟管到達工作面后15～20m處，用設備壓注輕質膏體材料至采空區，材料自動膨脹并且將順槽封堵實。

采空區“兩道”注膠預防自燃。接近停采線時，將灌漿管路預埋在“兩道”注輕質膏體充填封堵材料位置后約15m處的煤柱側頂板處，膨脹封堵墻完成后，即沿管路向采空區注膠或灌漿。其工作面兩道的封堵以及注膠防滅火技術如圖3所示。

圖3 工作面兩道封堵及注膠防滅火平面示意圖

3.2 停采線防滅火技術方案

103綜放工作面是亭南煤礦第二個采煤工作面，該綜放面停采后，為了防止停采撤架期間煤層自燃，對采空區兩道進行了封堵，在采空區軌順側距離停采線20m以內的范圍用黃土裝袋壘成密集的墻體進行了封堵，并在封堵墻外噴艾格勞尼，封堵比較嚴密。在采空區皮順側(回風順槽)停采線處也用黃土裝袋壘墻并在封堵墻外噴羅克休進行了封堵(但該封堵墻后仍有較大空洞，沒有充填嚴實)。此外，在103綜放工作面支架后部頂板處注高分子膠體。

1) 堵漏。采空區進風側用黃土袋充填得比較嚴實，內部基本沒有空間，其表面用水泥噴漿進行了處理，根據情況可選用高分子膠體對漏風裂隙進行充填；

2) 采空區回風側停采線處用土袋墻進行了封堵，其表面用艾格勞尼進行了噴涂。但存在漏風通道，從一些縫隙外可以監測到較高濃度的CO、CH4等氣體。為了減少從該處的漏風，用松散體打鉆、下套管一次完成設備自回風隅角向采空區深部施工鉆孔，以便插管注膠體。根據采空區冒落情況，該處鉆孔終孔位置水平方向在距離工作面后15～20m，和回風側煤壁5～10m處，垂直方向位于煤層頂板處。該處形成一個寬、高和深分別約為6～8m的膠體隔離帶，注膠量約100～150m3。

3) 為了防止采空區自燃，用松散體打鉆、下套管一次完成設備自工作面向采空區后部打鉆注高分子膠體。鉆孔終孔位置處于工作面尾梁后3～4m，煤層頂板以上1m左右，鉆孔間距一般為15m左右，在進風和回風側各30m范圍鉆孔加密到8m左右，則整個工作面需打約13個鉆孔。水平位置如圖4所示。每個鉆孔注膠量約為40m3，端頭附近鉆孔注膠約80m3；

4) 向支架后上部打鉆注膠，防止工作面頂煤自燃。該鉆孔間距亦為15m左右，與支架后部鉆孔均勻相間排列，終孔位置位于支架尾梁后部煤層頂板處，每孔注膠20m3左右。

圖4 工作面有停采時注膠防滅火平面示意圖

3.3 停采期間盡量減小工作面風量,并持續向采空區注氮

煤炭自燃必須有連續的供氧條件，熱量的產生有依賴空氣中氧氣的供給，所以在煤礦防滅火技術措施中，要嚴格的控制空氣的連續供給是問題的關鍵所在。在嚴格控制空氣的供給下，也要對采空區進行注氮措施，其步驟如下：①盡量加快撤面速度，各項防火工作盡量不影響撤架帶度，停采后30天內完成撤面和封閉工作面工作；②工作面停采撤架時盡量減小工作面風量；③停采期間持續向采空區注氮，注氮口位于采空區進風側距離停采線10～30m處;④撤面后及時快速地封閉工作面，保障安全。

3.4 火區大量壓注復合膠體

回風隅角CO持續增加時，可以據分析結果向預計的發火部位大量壓注復合膠體，迅速抑制煤層自燃。

由于預計工作面進風測氧化升溫帶寬度最大，采空區回風順槽出氧化帶寬度也很大，這些區域是煤層自燃危險性最大的區域，所以注復合膠體鉆孔終點位置為：進風側距離進風順槽15m和35m，距離工作面架尾約15m處(氧化升溫帶外)的煤層頂板處各一個鉆孔，和回風側距離工作面架尾約15m(氧化升溫帶外)的煤層頂板處施工一個鉆孔。

為了保證注復合膠體的質量，注膠方法為：從地面注漿池沖漿，制備的泥漿在地面緩沖池中沉淀后抽出其頂部清水，使漿濃度達到水土比1∶2～1∶1，然后進行灌漿。為了防止漿液沉淀堵塞管路，可以在地面灌漿池加懸浮劑(與漿比例為1∶1000)。復合膠體膠凝劑在井下注膠鉆孔附近(距離鉆孔50m以內)由設備加入，其添加量每立方米漿加入1kg膠凝劑。

復合膠體注膠流量可以達到每小時30m3以上，能夠迅速充填采空區，預防煤層自燃或撲滅煤層火災。

4 應用效果及結論

1) 根據亭南礦103綜放工作面實際，結合氣體監測數據，掌握了綜放工作面采空區的三帶分布情況；在防滅火技術措施后，103工作面CO濃度近期維持穩定，監測不到煤層自燃標志氣體，表明該工作面采空區煤溫沒有明顯升高。

2) 對兩道、停采線和采空區采取了壓注輕質膏體、高分子膠體、復合膠體等材料的綜合防滅火技術措施;并加強通風系統管理，減少工作面風量等防滅火技術措施，工作面封堵、注膠和防滅火等工作都比較扎實，對煤層自燃起到了重要作用。

3) 通過對綜放面防滅火技術措施更好地保證撤面期間工作面不發生煤層自燃危險，重視防滅火技術的落實，工作取得了很好的效果；為其他煤礦綜放面煤層自燃提供比較好的技術經驗。

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