復(fù)合煤層分層開(kāi)采自然發(fā)火防治技術(shù)的探討與實(shí)踐

劉海源 李長(zhǎng)貴 王 平

（1.沈陽(yáng)焦煤有限責(zé)任公司，遼寧省沈陽(yáng)市，110122；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京市海淀區(qū)，100083）

1 礦井概況

沈陽(yáng)焦煤公司紅陽(yáng)二礦的南翼區(qū)主采煤層12＃煤層為復(fù)合煤層，開(kāi)采方式分層爆破開(kāi)采，屬二類(lèi)自燃煤層，由于復(fù)合煤層分層之間夾矸薄，開(kāi)采順序是由上而下分層開(kāi)采。開(kāi)采上分層所形成的再生頂板不完整，裂隙發(fā)育，漏風(fēng)通路復(fù)雜，造成在開(kāi)采下分層時(shí)，曾多次發(fā)生自然發(fā)火事故。因此，進(jìn)行復(fù)合煤層分層開(kāi)采的防火技術(shù)研究，對(duì)保證礦井高產(chǎn)高效及安全生產(chǎn)有著極其重要的意義。

2 12＃煤層自然發(fā)火隱患分析

2.1 內(nèi)在因素

（1）煤體具有自燃傾向性。12＃煤層采空區(qū)揮發(fā)分較高，為21.76%，燃點(diǎn)低，屬一級(jí)容易自燃。

（2）12＃煤層硬度小，節(jié)理發(fā)育，且受上分層采動(dòng)影響，煤層存在破裂狀態(tài)，且上覆采空區(qū)有遺留煤炭。

（3）復(fù)合煤層分層開(kāi)采后，由于夾矸薄，巖石硬，形成的再生頂板破碎不完整，裂隙發(fā)育，漏風(fēng)通路復(fù)雜，有利于向上覆煤層采空區(qū)連續(xù)供氧。

（4）上分層采空區(qū)和下分層開(kāi)采形成的采空區(qū)都具備熱量積聚條件。

2.2 外在因素

（1）12＃煤層厚4.5m左右，煤層傾角35～45°，由于受地質(zhì)條件限制，工作面走向長(zhǎng)一般布置在300m左右，傾斜長(zhǎng)120m左右。由于受回采工藝影響，工作面推進(jìn)速度慢，開(kāi)采時(shí)間長(zhǎng)，下層和上層采空區(qū)漏風(fēng)通路復(fù)雜，氧化時(shí)間長(zhǎng)。

（2）由于老區(qū)為煤與瓦斯突出區(qū)域，開(kāi)采上分層時(shí)需要采取局部防突措施，回風(fēng)巷都實(shí)行無(wú)煤柱開(kāi)采，導(dǎo)致采空區(qū)大面積相連。并且在采取防突措施的同時(shí)也影響工作面的回采速度。

（3）上分層開(kāi)采過(guò)程中，為保證假頂形成，留有一定的浮煤，當(dāng)上層開(kāi)采灑水不充分或者高溫水分蒸發(fā)后，再生頂給下分層煤層開(kāi)采時(shí)留下自燃隱患。

3 骨架充填防火技術(shù)

紅陽(yáng)二礦以往對(duì)采煤工作面的防火措施主要包括上尾巷埋管注水，上下尾巷打隔斷防火墻、砌沙袋墻封堵；放頂前噴灑阻化劑；上層巷道挖水坑向再生頂注水；對(duì)重點(diǎn)工作面采空區(qū)實(shí)行下尾巷埋管注入惰性氣體等。雖然有一定效果，但是沒(méi)有從根本上解決分層開(kāi)采自然發(fā)火問(wèn)題，自然發(fā)火隱患還是時(shí)有發(fā)生。

對(duì)分層開(kāi)采可能造成自然發(fā)火的原因進(jìn)行分析并總結(jié)多年來(lái)綜合防火措施的實(shí)施和存在的不足后認(rèn)為，采取上述措施時(shí)只能減少本工作面向采空區(qū)漏風(fēng)，尚不能解決工作面向上分層漏風(fēng)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷探索分析，提出骨架充填式防火技術(shù)。

分層骨架充填防火方法，其實(shí)質(zhì)就是在12＃煤層再生頂及其上部的海相泥巖中利用打孔注漿的方式對(duì)冒落空間、裂隙帶進(jìn)行充填和封堵，給漏風(fēng)通路增設(shè)了較厚的隔離屏障，減少漏風(fēng)。這樣就有效地控制了連續(xù)供氧條件，對(duì)破碎和裂隙煤炭用白泥進(jìn)行了充填和包裹，使煤炭不能氧化生熱，消除了可燃物和熱源，從而阻止了煤的自燃。

4 工程應(yīng)用

4.1 工作面概況

紅陽(yáng)二礦南二下延12＃煤層下伏回采工作面位于－700m南石門(mén)以南，開(kāi)切眼以北，工作面走向長(zhǎng)260m，傾向長(zhǎng)110m。該采面12－1＃煤層厚約0.9m，已回采，12－2＃煤層厚2.6m，已采出0.6～0.8m，12－2＃煤層剩余厚度0.4～2m，平均厚1.4m。煤種為焦煤，12＃煤層直接頂為上覆采空區(qū)形成的再生頂，巖性為厚約15m的黑色海相泥巖，節(jié)理發(fā)育。

4.2 工作面通風(fēng)系統(tǒng)及自燃征兆

南二下延12＃煤層下伏回采面，進(jìn)風(fēng)由－700m水平的12＃煤層下伏進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入工作面，回風(fēng)經(jīng)回風(fēng)石門(mén)進(jìn)入南二南回風(fēng)巷。進(jìn)風(fēng)巷、開(kāi)切眼、回風(fēng)巷均沿12＃煤層上覆再生頂掘送。12＃煤層下伏工作面實(shí)際供風(fēng)量240m3／min。

該工作面在準(zhǔn)備運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷時(shí)，溫度就在26～28℃左右，貫通形成通風(fēng)系統(tǒng)后，通風(fēng)區(qū)防火員在檢查開(kāi)切眼高頂和進(jìn)、回風(fēng)巷高頂時(shí)，發(fā)現(xiàn)局部溫度高達(dá)43℃，回風(fēng)巷頂板溫度也達(dá)到了33℃；并在回風(fēng)石門(mén)高頂內(nèi)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有一氧化碳?xì)怏w顯現(xiàn)，說(shuō)明該工作面頂板或者上分層采空區(qū)煤炭已出現(xiàn)自然發(fā)火征兆。

4.3 骨架充填防火法的實(shí)施

骨架充填防火法即通過(guò)噴漿將巷道周邊封閉，形成第一層較堅(jiān)固的的骨架封閉層，再向骨架內(nèi)高頂和破碎煤炭注白泥充填和包裹，形成第二層封閉層，最后向再生頂裂隙打鉆注白泥充填形成第三層封閉圈。該技術(shù)一是充填破碎煤炭裂隙空間，二是使噴漿內(nèi)的高頂、浮煤和裂隙發(fā)育的煤炭形成一整體類(lèi)原生狀態(tài)，三是巷道周邊形成密封包裹層，堵塞向采空區(qū)漏風(fēng)，消除煤炭氧化熱量積聚和儲(chǔ)存條件。三層骨架施工方法如下：

第一層，首先將－700m南小石門(mén)及回風(fēng)巷前20m巷道噴漿封閉幫頂，將回風(fēng)巷及回風(fēng)石門(mén)全部噴漿，噴漿后，在巷道幫頂內(nèi)形成一道骨架，類(lèi)似“厚壁管”。

圖1 骨架式噴漿填充示意圖

第二層，沿走向施工傾角5～10°鉆孔安裝注白泥管，利用白泥泵向整個(gè)回風(fēng)巷及石門(mén)高頂注白泥漿，直至注滿(mǎn)為止。利用此方式充填巷道高頂空間，人為地使整個(gè)回風(fēng)巷這一“管子”的管壁加厚。這一層不僅起到了對(duì)再生頂托起作用，防止裂隙煤炭繼續(xù)冒落氧化，而且也起到了充填堵漏密封作用，見(jiàn)圖1。

由于12＃煤層下伏再生頂是浮煤和海相泥巖，層理發(fā)育、破碎，進(jìn)風(fēng)巷向上的漏風(fēng)主要流向兩處，一是受負(fù)壓影響向回風(fēng)巷內(nèi)漏風(fēng)，二是負(fù)壓影響向上區(qū)段采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)。有時(shí)自然發(fā)火從上區(qū)段向下區(qū)段（采面或掘進(jìn)面）蔓延，為此施工第三層骨架。

第三層，在石門(mén)和進(jìn)、回風(fēng)巷中向棚梁上仰角為45°施工鉆孔，深1.2m，深度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況變化，打到直接頂為止，然后在孔中安裝一根1.5m注白泥管，每隔一架棚打一個(gè)孔，封孔后向海相泥巖注白泥，見(jiàn)圖2。這樣有效封堵了石門(mén)和進(jìn)、回風(fēng)巷漏風(fēng)通路，也消除石門(mén)和進(jìn)、回風(fēng)巷巷道周邊冒落松動(dòng)煤炭氧化圈，有效地減少了漏風(fēng)。同時(shí)，在打注白泥孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，巷道內(nèi)漏風(fēng)也有規(guī)律性，其漏風(fēng)大小從石門(mén)到工作面方向?yàn)橛蓮?qiáng)變?nèi)酰@與預(yù)測(cè)和分析結(jié)果相吻合。

由于上尾巷內(nèi)高溫氣體受采煤工作面通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)壓影響，當(dāng)?shù)V井風(fēng)壓發(fā)生變化或大氣壓發(fā)生較大變化時(shí)，上區(qū)段采空區(qū)氣體也可能進(jìn)入開(kāi)采工作面，所以骨架充填式防火法并不能徹底解決采面上尾巷溫度居高不下問(wèn)題。鑒于此，需要在上區(qū)段密閉外進(jìn)行風(fēng)壓調(diào)節(jié)或者利用抽放采空區(qū)瓦斯均壓解決壓差漏風(fēng)問(wèn)題，但是必須加強(qiáng)氣體檢查和檢測(cè)，防止調(diào)壓不當(dāng)造成次生漏風(fēng)加速煤炭氧化。

4.4 效果檢驗(yàn)

自南二下延12＃煤層下伏工作面開(kāi)采以來(lái)，通過(guò)采取骨架式綜合防火措施，至工作面開(kāi)采結(jié)束，工作面回風(fēng)巷風(fēng)流溫度由32°降至26°，未出現(xiàn)自然發(fā)火征兆。

5 結(jié)論

針對(duì)紅陽(yáng)二礦大傾角急傾斜煤層，復(fù)合煤層夾矸薄，再生頂板形成不完整等不利條件，使用骨架充填式防火技術(shù)，消除了采面自然發(fā)火傾向，取得了顯著效果，并在礦井得到推廣使用。

［1］ 高俊山，杜進(jìn)棟，金世虎.高瓦斯易燃煤層綜放工作面設(shè)備回撤期間自然發(fā)火防治技術(shù)［J］.中國(guó)煤炭，2009（9）

［2］ 鄔劍明，劉超，吳玉國(guó)，周春山.淺埋藏復(fù)合煤層開(kāi)采漏風(fēng)防治技術(shù)研究［J］.中國(guó)煤炭，2009（5）