綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火防控技術(shù)應(yīng)用

胡 鵬

（山西潞安集團(tuán)蒲縣伊田煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041200）

火災(zāi)是煤礦井下開(kāi)采過(guò)程中的常見(jiàn)災(zāi)害之一，對(duì)井下生產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。特別是綜放開(kāi)采工作面，由于放頂煤開(kāi)采過(guò)程中頂煤不能全部放出，采空區(qū)遺留有大量的浮煤，浮煤集聚升溫，產(chǎn)生大量的CO等有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全，帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失［1-4］。針對(duì)自燃煤層采空區(qū)易發(fā)火的情況，做好采空區(qū)自然發(fā)火的防控工作對(duì)礦井的安全高效生產(chǎn)具有重要的意義。

1 工程概況

伊田煤業(yè)有限公司礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.2 Mt/a，礦井井田可采煤層為2#煤和9+10+11#煤。礦井通風(fēng)方法采用機(jī)械抽出式，通風(fēng)方式為分區(qū)式通風(fēng)。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為0.40 m3/min，屬于低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬于自燃煤層。

9+10+11#煤層為主采煤層，煤層傾角為-3°～12°，煤層厚度為5.26～7.88 m，平均6.78 m，全區(qū)穩(wěn)定可采，位于太原組下段頂部，含3～5層夾矸，頂板為K2石灰?guī)r，底板為泥巖，局部為鋁質(zhì)泥巖。

2103工作面開(kāi)采9+10+11#煤層，煤層平均厚度5.3m，采高3m，放煤高度2.3m，采放比為1∶0.77，工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為1.31 m3/min；工作面處于井田中南部背斜東翼，區(qū)域煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，賦存條件良好。2103工作面沿11#煤層底板布置，工作面區(qū)域煤層呈西高東低，坡度3°左右，風(fēng)巷揭露煤層高度整體高于運(yùn)巷；回采方向0～576 m段煤層在±1°范圍內(nèi)變化，坡度平緩；576～973 m段煤層逐步呈1°～3°下山；973 m至停采線，下山坡度逐步增大，局部呈12°下山；其中風(fēng)巷側(cè)坡度變化較為明顯，運(yùn)巷側(cè)相對(duì)平緩。2103工作面風(fēng)、運(yùn)巷掘進(jìn)過(guò)程中未揭露斷層等地質(zhì)構(gòu)造，局部區(qū)域煤層破碎，有高頂區(qū)，地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。2103工作面布置見(jiàn)圖1。

圖1 2103工作面布置

二一采區(qū)地面標(biāo)高+1320 m～+1480 m，井下標(biāo)高+1086 m～+1148 m，根據(jù)山西省煤炭工業(yè)局綜合測(cè)試中心提交的檢驗(yàn)報(bào)告，測(cè)得9+10+11#煤層自然發(fā)火期為58天，采空區(qū)自燃帶+氧化帶寬度為100 m，從防止煤自然發(fā)火角度出發(fā)，要求工作面最小日循環(huán)進(jìn)度為100/58=1.72 m/日。

2 采空區(qū)自然發(fā)火防控技術(shù)

伊田煤業(yè)有限公司2103工作面采用綜采放頂煤開(kāi)采，工作面推進(jìn)速度相對(duì)較慢，采空區(qū)一次冒落空間大，加之工作面端頭支架不放頂煤，導(dǎo)致采空區(qū)兩側(cè)會(huì)遺留大量浮煤，浮煤厚度易超過(guò)采空區(qū)浮煤的自然發(fā)火極限厚度。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采空區(qū)浮煤厚度≥0.4 m，在一定供風(fēng)條件下，浮煤氧化蓄熱達(dá)到臨界值點(diǎn)后就會(huì)自然發(fā)火［5］。

伊田煤業(yè)有限公司2103工作面所采9+10+11#煤層為自然煤層，且工作面為綜放開(kāi)采，采空區(qū)浮煤多，為保證工作面安全回采，采取綜合防滅火技術(shù)。

2.1 阻化劑防滅火技術(shù)

阻化劑防滅火是近年來(lái)逐漸推廣并得到廣泛應(yīng)用的礦井防滅火技術(shù)。由于阻化劑防火具有效果較好，來(lái)源廣泛，使用方便，防火成本低等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用阻化劑作為日常防滅火技術(shù)，采用移動(dòng)式噴灑系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2 移動(dòng)式噴灑系統(tǒng)工藝

（1）噴灑工藝

噴灑阻化劑在檢修班進(jìn)行，每天檢修班噴灑一次，主要在運(yùn)巷和回風(fēng)巷煤柱側(cè)進(jìn)行噴灑，同時(shí)在每次移架前對(duì)支架和刮板輸送機(jī)之間及放煤口進(jìn)行噴灑，工作面底板如有底煤，工作面應(yīng)噴灑阻化劑，如底板沒(méi)有底煤，工作面浮煤在移架之前必須全部清理干凈。

（2）阻化劑溶液參數(shù)

根據(jù)目前我國(guó)煤炭行業(yè)的阻化劑噴灑技術(shù)，阻化劑使用鹵液五水氯化鈣［CaCL2(H2O)5］效果較為明顯，因此選用該阻化劑作為阻化劑溶液。綜合分析礦井煤層特點(diǎn)和開(kāi)采方法等因素，阻化劑選用20%的濃度。根據(jù)礦井內(nèi)煤層賦存條件，煤的物理性質(zhì)，工作面回采工藝方式，工作面日噴灑量按下式計(jì)算：

V=K1×K2×d×r×L×h×1/R

式中：V為日噴霧量，m3/d；K1為噴霧加量系數(shù)，K1=1.2；K2為每噸遺煤噴灑氣霧量，阻化劑濃度為20%時(shí) ，K2=0.02 m3/t；d為工作面采空區(qū)丟煤率，%，一般取0.20；r為煤的實(shí)體容重，1.4t/m3；L為工作面長(zhǎng)度，L=200 m；h為工作面煤厚，6.85 m；1為工作面日進(jìn)度，l=3.6 m；R為氣霧轉(zhuǎn)化率，取85%。經(jīng)計(jì)算可知，工作面日噴灑量為38.99 m3/d。（3）特殊時(shí)期阻化劑噴灑工藝

工作面頂板初次垮落前、工作面回采速度小于防滅火要求、出現(xiàn)自然發(fā)火跡象時(shí)采空區(qū)必須每天噴灑一次，遇停產(chǎn)、過(guò)斷層、工作面末采等情況時(shí)，必須加大采空區(qū)噴灑頻率。阻化劑噴灑施工安排在檢修班工作面放頂后進(jìn)行，由人工拉上膠管利用噴槍，從溜子機(jī)頭向機(jī)尾從支架間隙向采空區(qū)浮煤上噴灑阻化劑。

2.2 黃泥灌漿防滅火技術(shù)

（1）灌漿工藝

礦井采用機(jī)械制漿系統(tǒng)，為保證及時(shí)、簡(jiǎn)便處理采空區(qū)自燃隱患，采用采前、采后灌漿與隨采隨灌相結(jié)合的預(yù)防性灌漿方法。在灌漿工作中，灌漿與回采保持有適當(dāng)距離，避免灌漿影響回采工作。在工作面放頂前沿回風(fēng)巷在采空區(qū)預(yù)先鋪好灌漿管，灌漿管為8～15m鋼管，用20～30m高壓膠管連接埋管及順槽黃泥漿管路，當(dāng)執(zhí)行灌漿時(shí)，隨工作面推進(jìn)每班灌一次，灌漿時(shí)間為3～4 h，隨著工作面的推進(jìn)利用回柱絞車(chē)牽引移動(dòng)埋管，為下一次灌漿做準(zhǔn)備，見(jiàn)圖3。

圖3 埋管灌漿

（2）灌漿時(shí)機(jī)

預(yù)防性灌漿防滅火技術(shù)主要是在以下三種情況啟動(dòng)灌漿：①為防止工作面開(kāi)切眼和停采線自燃，在工作面初采距開(kāi)切眼30 m、撤架期間距停采線30 m時(shí)；②在工作面檢測(cè)到自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體出現(xiàn)上升趨勢(shì)，工作面存在自然發(fā)火隱患時(shí)；③在工作面回采結(jié)束永久封閉后。灌漿開(kāi)始后，直至工作面恢復(fù)正常回采、自然發(fā)火征兆消失并穩(wěn)定3天以上停止灌漿施工。如果自然發(fā)火或征兆較為嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)安排兩班灌漿，時(shí)間不少于10 h。

2.3 采空區(qū)監(jiān)測(cè)

為了加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)的日常管理，采用束管管束實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)氣體的濃度變化情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)自然發(fā)火征兆，確保發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。束管管路在2103工作面推進(jìn)0～50 m、50～100 m、100～150 m處分別設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，待工作面回采至150 m處時(shí)切斷第一根束管重新預(yù)埋觀測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容：采空區(qū)內(nèi)的CH4、CO、CO2等指標(biāo)氣體濃度變化及采空區(qū)三帶各項(xiàng)氣體指標(biāo)變化。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2103工作面通過(guò)采用上述綜合防滅火技術(shù)，在工作面回采期間及回采結(jié)束后，均能夠有效防止采空區(qū)浮煤的自然發(fā)火。由表1可知工作面回風(fēng)隅角CO檢測(cè)值僅出現(xiàn)了4次報(bào)警，最大值為65 PPm，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間478s；工作面內(nèi)CO檢測(cè)值出現(xiàn)3次報(bào)警，最大值為66 PPm，最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間1604 s。CO檢測(cè)含量?jī)H出8次小范圍波動(dòng)，并且能夠及時(shí)控制，CH4、CO2一直保持在穩(wěn)定水平。由此可見(jiàn)，采用綜合防滅火技術(shù)后，取得了良好的防控效果。

表1 2103工作面CO檢測(cè)報(bào)警

4 結(jié)語(yǔ)

1）礦井采空區(qū)自然發(fā)火主要以預(yù)防為主，防控結(jié)合的方法，采用阻化劑噴灑進(jìn)行日常的防控，在工作面初采、末采期間除進(jìn)行阻化劑噴灑外，還應(yīng)配合黃泥灌漿，防止開(kāi)切眼和停采線的自燃。

2）在工作面檢測(cè)到自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體出現(xiàn)上升趨勢(shì)，工作面存在自然發(fā)火隱患時(shí)，必須采取黃泥灌漿，直至工作面恢復(fù)正常回采、自然發(fā)火征兆消失并穩(wěn)定3天以上停止灌漿施工。

3）2103工作面通過(guò)采用噴灑阻化劑+黃泥灌漿綜合防滅火技術(shù)，在工作面回采期間及回采結(jié)束后，均能夠有效防止煤層的自然發(fā)火，取得了良好的防控效果。