綜放工作面遇破碎帶期間隅角CO超限治理技術

安力鋼,楊宏民

（1.河南理工大學 安全科學與工程學院,河南 焦作 454000;2.潞安新疆煤化工（集團）有限公司,新疆 哈密 839000）

0 引言

綜放工作面遇到破碎帶期間，由于煤層及圍巖裂隙發育，存在較通暢的漏風條件，極易發生高溫、CO超限等自然發火現象。為了有效防治采空區浮煤和煤柱破碎帶的煤炭自燃，國內經常采用噴灑阻化劑、注氮氣、黃泥灌漿、注水以及在上下端頭砌筑黃土隔離墻等方法[1-3]。近幾年，隨著科學技術的發展，尤其是高分子化學防滅火材料的不斷革新，高分子凝膠、三相泡沫、羅克休、馬麗散等防滅火材料及工藝技術在全國各大礦區得到了廣泛應用并得以發展，取得的成果顯著[4-9]。其中，黃泥灌漿和注水作為應為最為簡單、實用的技術得到廣泛的應用，但是在處理高位火災時，由于黃泥漿和誰的滲透性強、可堆積性差，導致其有效范圍小且容易形成高溫水蒸氣或水煤氣，引發次生災害。馬麗散、羅克休在發泡過程中會產生一定的熱量，作為防滅火材料會在破碎煤體內部產生熱量積聚，具有促進煤自燃的負面效應，且散熱措施施工工程量大，成本較高。三相泡沫由于其本身具有一定的力學強度，在采空區內能較長時間保持其封堵效果，包裹煤體的效果明顯，有利于采空區注氮期間的氮氣保持，但其在破碎煤體的狹小裂隙中發泡效果受到一定的影響。高分子膠體作為新型的防滅火材料，既可保持一定的滲透性，有具有較好的可堆積性，可以較好的包裹煤體、封堵裂縫，滲透擴散范圍較大，對局部高溫點治理效果顯著[10-16]。砂墩子煤礦N4104工作面回采過程中，兩巷多次遇頂板破碎帶，出現CO濃度超限現象，針對現場實際情況，通過采取超前支護段打眼注高分子膠體，對上下端頭噴灑阻化劑和采空區強化注氮的綜合防滅火措施，有效地抑制了上下端頭遺煤的氧化，確保了工作面安全推進。

1 工作面概況

砂墩子煤礦N4104工作面走向長度2161m，傾向長度215m，煤層平均厚度10.97m，自然發火期最短23d，為易自燃煤層，下山開采。煤塵具有爆炸危險性，工作面采用U型通風方式通風，通風方法為上行通風。下順槽進風，上順槽回風。采煤方法為長壁后退式綜采放頂煤工藝。配有完善的注氮、注漿和束管監測系統。

N4104工作面于2014年6月正式回采，2016年1月結采，歷時20個月。該工作面上順槽在掘進過程中揭露地質構造破碎帶8次，現場揭露處圍巖破碎。在回采正常過程中，回風隅角CO體積分數一般在（15-18）×10-6，但是每次過破碎帶后，破碎帶進入采空區5m-30m期間，CO體積分數達到（40-80）×10-6，造成局部CO濃度超限。

2 CO超限原因分析

經過該工作面多次遇破碎帶期間的自燃現象分析，判斷CO超限原因有以下幾個方面：

（1）采面上順槽在掘進過程中，遇地質構造帶導致頂板破碎，具有較好的自然發火條件而未提前采取防滅火措施，造成頂板煤體低溫氧化。

（2）采面機尾在遇地質構造期間，正規作業循環效率低，推進緩慢。經統計正常情況下采面日均推進4m，遇構造期間日均推進2.1m，造成采空區遺煤氧化時間延長。

（3）采面針對上下端頭浮煤的防滅火措施存在漏洞，只是針對上下端頭的老塘進行了簡單的噴灑阻化劑處理，對頂板垮落的煤未進行處理。

（4）隅角存在漏風通道，上順槽老塘側每隔8m安設一趟灌漿管路，灌漿管采用木垛進行維護。由于木垛的支撐作用，造成采空區漏風量較大，加之工作面為下山開采，灌漿效果不明顯。

3 綜合防滅火措施及實施效果

根據各種防滅火技術的優點及其適用性，結合N4104工作面已采取的防滅火措施及設備設施情況，按照減少采空區漏風、縮短煤體裸露時間、特殊情況提前處理的原則，確定了以下治理方案：①在遇到頂板破碎期間每隔5m對上下隅角用黃土袋砌墻進行封堵；②在回采前到破碎帶前，對頂板破碎地點提前打眼，向煤體注射高分子膠體；③增加采空區注氮量，進一步降低氧化帶氧氣濃度；④對上順槽采空區利用高位灌漿管路注三相泡沫，以便對碎煤進行封堵隔氧。

3.1 火災監測

在老塘每隔10m布設一根束管，每班瓦檢員對回風隅角、回風流和老塘10m、20m、30m位置進行火災氣體監測，利用地面氣相色譜儀進行氣體分析，重點分析CO濃度及其變化趨勢，并按班繪制變化曲線圖。監測點位置如圖1所示。

圖1 N4104工作面過破碎帶期間回風側火災監測點布置示意圖

利用KJ95N煤礦安全監測監控系統對回風流和回風隅角的CO濃度進行監測，按《煤礦安全規程》規定對其進行標校，確保數據的準確性。

3.2 端頭隔離墻建立

對采面上下端頭進行封堵，封堵材料采用黃土袋磊墻，黃土墻磊好后要對其表面及四周進行發泡劑噴涂，以減少采空區漏風。在封堵之前采空區漏風為132m3/min，封堵后采空區漏風降至41m3/min，隔離墻堵漏風效果明顯。

3.3 采空區強化注氮措施

配合端頭隔離墻和高位注膠措施，加大采空區注氮量。注氮量由正常回采時的800 m3/h增加到過破碎帶期間的1150 m3/h。

在封堵、注氮措施的綜合作用下，由于采空區涌出N2、CO2等氣體溢出增多，回風隅角內實測氧氣濃度由19.8%降到18.3%，回風流氧氣濃度由20.1%降為19.2%。

3.4 鉆孔注凝膠措施

在回風順槽頂板破碎地段提前打設高位注膠孔進行注膠，抑制破碎煤體氧化，延長發火周期。具體實施方法是，每隔1.5m施工3個鉆孔，鉆孔深度以見矸為宜。①號鉆孔垂直頂板，②、③號鉆孔與采空區方向夾角為15°、30°，與頂板方向夾角成75°。鉆孔布置如圖圖2所示。在回采至鉆孔附近時，為了防止采動影響造成封堵隔離帶破壞，需要對鉆孔進行補充注膠，注膠量以頂板滲出為宜。

圖2 N4104工作面注膠措施鉆孔布置示意圖

3.5 采空區強化注三相泡沫措施

正常回采時，每隔12m在上順槽施工一個高位灌漿孔，向采空區進行三相泡沫灌注。遇頂板破碎地段時，對注漿口進行加密，每隔8m施工一個高位灌漿孔，安設灌漿管路（采用木垛等對灌漿管路進行維護）進行三相泡沫灌注，對采空區遺煤進行浸濕、降溫、隔離處理。所述綜合防滅火措施實施以后，回風隅角的CO濃度下降到（10-20）×10-6，解決了巷道頂板破碎地段煤體漏風氧化的現象，消除了回風隅角CO濃度超限現象，達到了預期防滅火目的。

在措施執行過程中，一方面要注意進風隅角的放頂工作，如果空頂超過5m，造成采空區自燃三帶的變化，導致氧化帶長時間處于較好的漏風狀態，嚴重影響防滅火效果；另一方面加強回風隅角氧氣濃度觀測，以免在提高注氮量時，由于檢測和管理不到位，造成回風隅角缺氧，導致作業人員窒息事故；第三，先減少采空區漏風，降低浮煤氧化速度，再用膠體浸濕浮煤，最后用三相泡沫覆蓋，科學安排措施執行順序，能取得事半功倍效果。

4 結語

易自然煤層的綜放工作面預防煤炭自燃是一項復雜的系統工程，兩巷超前支護段受礦壓影響較大，容易造成破碎漏風氧化，尤其是遇到構造帶時，煤炭自燃現象更加明顯。因此，應按照早期預防的原則，充分利用各種防滅火材料和技術工藝的優勢、因地制宜，才能取得良好的防滅火效果。

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