自燃煤層開采方法的探討

康 冰，危凱慶，胥加強

（1.宜豐縣棠浦 第六煤礦，江西 宜豐3363004；2.江西棠浦煤業有限公司，江西 宜豐3363004）

1 礦區煤層特征及開采存在的問題

1.1 特征

礦區位于棠浦二井田（6勘探線至10勘探線之間）內，主要包括棠浦第二煤礦、王家煤礦、棠浦第六煤礦。礦區含煤地層為三疊系上統安源組，共有3＃、4＃、5＃、7＃、9＃、10＃、11＃等7層可采煤層?？刹蓛α繛?96.3萬噸。主要開采3＃、4＃、5＃、9＃、11＃煤層，為低～中灰、高熱值、高揮發分、特低硫、特低磷氣煤（QM－45）。各煤層瓦斯含量低、二氧化碳含量高；煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性屬Ⅱ類，發火期1～6個月，硬度系數f＝1.5～2，有夾矸，容重1.35t／m3；煤層平均傾角大于60°。煤層底板為灰黑色粉砂巖、巖性堅硬，膠結緊密，并充填少量泥巖，頂板為砂質頁巖及泥巖互層，水平層理、節理均較發育。

1.2 煤層開采中存在的問題

（1）煤層自燃傾向性屬Ⅱ類，發火期短，工作面易發生CO超限及火災事故，嚴重影響礦井采掘正常接替。

（2）煤層傾角大，而且煤層薄，給采煤方法改革帶來困難。（3）礦井采用木支護等非正規采煤方法開采，成本高，隱患多。

（4）礦井開采過程中，出現過數10次的明火及一氧化碳超限等現象。2006年4月，棠浦第六煤礦在－220m水平回采5＃煤時，由于－190m水平回風巷著火，逼迫停產密閉。2008年至2012年間，第六煤礦在－160m水平回采5＃煤、－280m水平11＃煤，第二煤礦在－200m水平回采4＃、11＃煤，王家煤礦在－260m水平回采3＃、9＃煤采用木支護采煤，回采工作面因CO超限或著火被迫停產封閉。其原因為：① 煤層本身具有自燃傾向性；② 巷道布置不合理；③ 工作面推進速度慢；④ 巷道斷面設計不規范，通風阻力大；⑤ 采煤方法選擇不正確，采空區處理不及時；⑥ 防火措施未到位。

（5）無奈之下，采用以掘代采，維持近一年礦井生產。為了解決這一矛盾，第六煤礦工程技術人員，轉變觀念，認真總結教訓，研究探索，并向江西棠浦煤業有限公司技術部尋求解決方案。對－280m水平9＃煤層柔性掩護支架采煤工作面防滅火進行實踐探索，改進了采煤方法，取得了一定成效。

2 柔性掩護支架采煤法的應用

2.1 選擇依椐

（1）煤層傾角。煤層傾角變化直接影響采煤工作面落煤方法、采場支護和采空區處理等，還影響巷道布置、通風及采煤方法各種參數確定。礦區煤層平均傾角大于60°。

（2）煤層厚度。煤層厚度直接影響采煤方法及采空區處理，特別易自燃煤層更要考慮采空區處理辦法。礦區煤厚平均1.6～2.2m。

（3）煤層及圍巖特征。煤層結構特征及圍巖穩定性等也直接影響采煤工藝及采區各種參數的確定。5＃、9＃、10＃、11＃煤層結構單一性，圍巖較穩定。

（4）煤層地質構造特性。埋藏條件與煤層穩定性是選擇綜采與普采首要條件。全面掌握開采范圍內構造有利采煤方法確定。礦區地質構造為單斜構造，5＃、9＃、10＃、11＃煤層較穩定。

（5）煤層自燃性及瓦斯涌出量情況。煤層自燃及發火期直接影響巷道布置、巷道維護及采煤工作面推進方向。礦區屬瓦斯礦井，經鑒定，煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性屬Ⅱ類，發火期短。

（6）技術裝備水平、管理水平及從業人員素質等。

2.2 實踐與應用

根據煤層的特點及地質情況，煤層傾角大于60°，煤層賦存穩定，沒有斷層影響，選用金屬柔性掩護支架采煤法最優。

（1）巷道布置。－280m水平集中運輸巷及 －250m水平集中回風巷均布置在煤層底板，離煤層約12m，通過上、下石門甩道穿煤，東、西兩翼開采，走向各布置200m，實行前進式開拓，后退式回采。目前回采工作面位于－280m水平一號石門東翼9＃煤層，其標高位于－252m～－278m；隨著工作面推進，在下部運輸巷每隔10m開一組偽傾斜上山，與采區順槽貫通，在采區順槽邊界沿煤層按偽傾斜25°坡度，掘斷面為4.2m2的梯形上山，與回風巷（與上水平留設標高8m防火煤柱）貫通，形成采區正規通風系統。工作面采用短壁切眼斜長30m，安裝掩護支架用。采區平均煤厚1.8m，可采儲量15100t，工作面服務年限5個月，工作面配風量285m3／min，工作面布置見圖1。

圖1 棠浦第六煤礦工作面布置及剖面示意

（2）采區參數設定。根椐礦區地質特點、礦井技術力量及管理水平選擇：采區采用雙翼布置，以石門為中心，一翼走向布置200m，斜長30m；各區段之間留有8m煤柱，避免臺階工作面串聯通風。堅持自上而下開采順序。用金屬柔性掩護支架采煤法，采用U型通風方式，每月回采3000t；工作面控制服務年限在5個月內。計劃在發火周期內采完，控制煤層自燃。

（3）支護方式選擇及支架規格（見圖2）。

圖2 柔性掩護支架示意

① 采用11＃礦工鋼制作成四邊型柔性掩護支架。

② 最大高度為1.8m，最大寬度為2m，支承壓力30～40kN。

③20.5mm鋼絲繩聯接。每邊都鉆有U型卡的2個孔，用Φ14mm的“U”長桿螺栓栓緊，使鋼絲繩與鋼梁形成整體，其長度必須大于工作面的長度，頂壁長0.48m，中臂長0.56m，長臂長1.16m，底臂長0.41m（見圖2）。

④ 采用外注式單體液壓支柱調整支架，間距2m／根。

（4）回采工藝。回采工藝分為準備回采（初次放架）、正?；夭桑ㄕ７偶埽⑹瘴玻ńY束下放）3個階段。

準備回采是在回風平巷內安裝掩護支架，并逐步下放支架使工作面成偽傾斜工作面，為正?；夭勺鰷蕚?。正?；夭墒窃谥Ъ茕伜煤笤谥Ъ芟虏擅?，支架的下放步距，主要取決于架子的寬度，一般情況下，一次下放步距0.6～1.0m，沿走向推進1.2～2.0m ，工作面由下而上逐段鋪設搪瓷溜槽下煤，為保證支架下放質量和支架的完好，盡可能實行全工作面一次爆破。當煤質松軟，工作面較長時，實行全工作面一次爆破，容易發生松散煤堵塞斷面造成風流不暢，此時應采用分段打眼放炮出煤，每段長約15～20m。在生產過程中，如遇有斷層，支架懸空，串矸等情況，必須及時處理。若發生支架沿走向彎曲、歪斜或其角度超過作業規程規定時，在下一次放架過程中，必須進行調整，支架上的螺絲和附件應經常檢查，如有松動須及時擰緊。掩護支架接近順槽（平巷）時，應在縮短每次下放支架距離的同時，減少同時放炮的炮眼數目和裝藥量。掩護支架過順槽時，溜煤眼和順槽的連接處應加強支護。

隨著工作面向前推進，前方在回風巷內要不斷地安裝接長架子，而在后方放成水平狀態（在下部小順槽內）的架尾，則要及時進行回收。當工作面上部接近采區收尾上山時，應預先在工作面收尾邊界線一側掘一對收尾上山眼，然后加大工作面上部的下放步距，縮小工作面下部的進尺，從而逐漸縮小工作面的長度。

當工作面放平后回收架尾時，要先將斷面兩幫擴大，用點柱支撐住鋼梁，而后卸下鋼絲繩，取下鋼梁，經小眼送至運輸平巷后，運到回風巷以備繼續使用，拆架的地點到下拐點之間，應保持3個小眼的距離，以供溜煤、行人、通風和運料，其余的小眼采后應及時封閉。

（5）采空區防火處理

①礦井開采準備期內必須構建完整的灌漿系統。棠浦煤礦回風側建立的井下三相阻化泡沫防滅火系統，把黃泥漿和高效化學阻化劑結合在一起，產生出高性能的三相阻化泡沫，最大地發揮了三者防滅火優點。該系統每小時能將約100m3以上的泥漿泡沫注入防滅火區域，通過覆蓋阻化浮煤，充填采空區，封堵漏風，已在棠浦煤礦取得了顯著成果。

②以風控火工作面采取U型通風方式，必須保證巷道斷面不縮小，通風暢通，合理分配工作面風量，調節工作面壓差，嚴格控制工作面尾部漏風，阻止空氣流入和滲透至疏松的煤體，消除自燃的供氧條件。

③ 及時封閉采空區。采后及時封閉，建立防火密閉，減少采空區漏風。停工期間，在總進風巷進行永久密閉，恢復生產時按措施重新啟封。

④減少采空區遺煤和支架背上漏風。在保證安全情況下縮小上下區段間的隔離煤柱高度，并保證工作面安裝完成后及時清理巷道內的浮煤，同時在回采期間定期將架子上的頂煤全部放下來。這樣既減少了煤炭的損失量，提高了回采率，又減少了采空區遺煤，特別是支架背上的墊層煤。

工作面擺架子時，在架背上鋪一層膠皮風筒布，并用木板條在支架的間隙處將風筒壓好，在風筒布上再鋪一層均勻的黃泥。架子下放后，黃泥與風筒布形成了一個再生頂板，支架背向采空區的漏風大大減少。

⑤ 保證回采進度。在數量上限制在不燃風量之下，在時間上控制在自然發火期以內。只有破壞蓄熱環境和縮短浮煤氧化的時間，使采空區的“氧化帶”在最短的時間內變成“窒息帶”，最直接的方法是提高工作面的推采速度。根據近幾年來自然發火地點、次數與回采進度的統計分析得知，工作面月推進度應不少于35m，采空區即不會有明顯自燃征兆出現。因此，為了保證安全生產，應保證工作面的正常推進度，嚴格控制工作面停采時間。

⑥ 采用全部垮落法管理頂板。要及時充實采空區，特別對上、下隅角頂板更應強行放齊放透，避免形成較大空洞，減少采空區局部漏風。

⑦ 強化管理，加強檢測。在工作面、回風巷及密閉處安裝CO、CH4、溫度傳感器，實行24h監控。每班瓦檢員對各處必須重點檢測，專項匯報，并建立臺帳，定期分析。

3 推廣

通過近5個月正?；夭?，工作面走向推進200m，生產原煤16kt，現已安全收架。

1）柔性掩護支架采煤方法具有巷道布置簡單、生產成本較低、安全保障度高等優點。隨著煤炭開采技術水平的不斷提高，在條件適宜的情況下，在自燃煤層中應積極推廣應用柔性掩護支架采煤方法。

2）柔性掩護支架采煤方法用柔性掩護支架隔離采空區和回采空間，工作人員在掩護支架的保護下進行采煤工作，提高了支架的整體性和穩定性，有利于控制采區頂板事故發生。

3）可減緩工作面回采坡度，一次采全高，煤炭采出率高，采空區不易丟煤，可防止煤炭自然發火。

4）為了減少工作面支架安裝、拆架次數，減少勞動強度和材料消耗，可改進巷道布置。在發火期內，適當增加區段高度或加長工作面長度，用偽傾斜上山或溜煤眼把工作面分成2個或3個區段，減少區段間煤柱，提高采區采出率。

5）對采空區實行三相阻化泡沬滅火新技術，不僅可以阻止煤層自燃，而且有效降低工作面溫度和粉塵濃度，改善工作面作業環境。