自燃厚煤層綜放面停采撤架期間防滅火技術研究

文/康從勇 黃志彬 王建國

綜放開采工藝的推廣采用，使得煤礦的生產效率大幅提高，但是也伴隨著遺煤自燃多發(fā)的問題，尤其在工作面停采撤架期間，問題更為突出。對于停采撤架期間的煤炭自燃防治問題，國內外主要采用注水、注漿、噴灑阻化劑、注氮等技術。近些年來，高分子膠體、三相泡沫、泡沫凝膠等防滅火技術也得到了廣泛應用，取得了良好的效果。

徐礦集團平涼新安煤業(yè)公司5202綜放工作面在停采撤架期間出現(xiàn)了局部溫度較高、CO濃度增高超限的情況，對此，公司采取了以設置矸石隔離帶、局部正壓通風、鉆孔注泡沫凝膠為主的綜合防滅火技術，有效防止了遺煤自燃的問題，保證了支架的安全回撤，同時對于同類型煤層工作面撤架防滅火工作具有指導意義。

一、工作面概況

新安煤業(yè)5202綜放工作面位于礦井近水平采區(qū)北翼，東為邊界，西為未開采工作面，南為廣場煤柱。工作面回采走向746m，面長125m；煤層厚度7.0～12.0m，平均厚度8.5m，地質構造復雜，斷層及裂隙發(fā)育。經煤層自燃傾向性鑒定，5202綜放工作面所采煤層揮發(fā)分高，為27.89%，為自燃煤層，自然發(fā)火期3～6個月，最短發(fā)火期28天。5202工作面現(xiàn)有支架85架，撤架工作量較大，在撤架期間多次出現(xiàn)CO濃度增高超限、局部溫度上升的情況，為保證工作面安全、順利回撤，需做好防滅火工作。

二、煤層自燃危險性分析及自然發(fā)火區(qū)域的確定

1.煤層自燃危險性分析

（1）從煤的自燃傾向性分析

經煤層自燃傾向性鑒定，5202綜放工作面所采煤層揮發(fā)分高（27.89%），為自燃煤層，自然發(fā)火期3～6個月，最短自然發(fā)火期28天。工作面需回撤設備體積大、數(shù)量多，回撤速度較慢，易使煤層達到自然發(fā)火期。

（2）從工作面煤層賦存情況分析

5202綜放工作面所采煤層為厚煤層，平均煤厚8.5m，煤層傾角0～18°,由于煤體較為破碎,脆性大，增加了煤的氧化表面積，使氧化速度加快，容易氧化自燃。

（3）從回采防滅火技術分析

5202綜放工作面采空區(qū)放頂范圍內均有遺煤。工作面停采后支架頂部及尾梁附近煤體松動，易形成破碎裂隙帶，成為漏風通道，極易造成煤體氧化自燃。工作面停采段為走向俯采，采空區(qū)范圍廣 ，工作面防滅火有一定的局限性。

（4）從工作面現(xiàn)狀分析

5202材料道回采段頂煤平均厚度3.0m左右，運輸?shù)阑夭啥雾斆浩骄穸?.0m左右。煤層直接頂板為砂質泥巖，厚8.0m，灰黑色，平行層理發(fā)育，膠結性很差，上部為1.0m劣質油頁巖，再上為4#煤層。老頂為泥質粉砂巖，厚11.0m，灰至灰黑色，含孔隙水。直接底板為砂質泥巖，厚3.0m，灰褐至灰黑色砂質泥巖。老底為粉細砂巖，厚5.0m，灰白色。工作面停采時，頂煤較厚，增加了防滅火難度。

綜上分析，5202綜放工作面停采回撤期間采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域范圍廣，自燃危險性大，防滅火難度高。

2.回撤期間自然發(fā)火區(qū)域的確定

（1）支架后采空區(qū)氧化帶

5202工作面自2018年1月回采以來，通過采空區(qū)內敷設束管進行氣體檢測和取樣色譜分析、總結，“三帶”劃分為：散熱帶寬度為7.8～9.9m，氧化帶寬度為36.8m，窒息帶大于46.8m。所以采空區(qū)氧化范圍大概在10m至50m范圍內。

（2）支架尾梁頂部松動圈氧化帶

工作面停采后，支架尾梁頂部受支架整體升降和前探梁及尾梁活動，以及采空區(qū)頂板來壓的作用，煤體易破碎，形成松動氧化帶。

（3）工作面進、回風隅角

工作面停采后受強壓力影響，進風、回風隅角煤壁極易垮落，形成大量松散煤體，這部分煤體極易氧化自燃。

三、綜合防滅火技術應用

1.停采撤架期間氣體監(jiān)測

（1）束管監(jiān)測

在5202工作面兩道預埋長度分別為45m、35m、25m、15m的6分鋼管，管路內敷設兩趟單芯束管，管路端頭焊接堵頭并刺花眼，束管末端安設防塵閥門防止堵塞。每班檢查2次，三班設專人現(xiàn)場交接班，利用多種氣體檢測器定時、定點檢測。觀測點為下隅角束管45m、35m、25m、15m，上隅角束管45m、35m、25m、15m，并利用架前頂板鉆孔每5架檢測鉆孔內氣體。

（2）色譜分析

利用氣相色譜儀，每周對氣體取樣進行三次色譜分析，以分析采空區(qū)內的氣體成分及濃度變化，為相關措施效果檢驗和調整提供依據(jù)。

2.采空區(qū)遺煤自燃防治

（1）采空區(qū)遺煤控制

工作面回采至距停采線60m，開始加大放煤量，控制和減少采空區(qū)遺煤。工作面回采至距停采線40m，開始進一步加大放煤量，一直到不見煤為止，通過采空區(qū)放矸石形成27m左右的整體“矸石隔離帶”。

（2）減少采空區(qū)漏風

①為了減少采空區(qū)漏風，在距停采線30m時，兩道隅角每隔2m施工一道擋風墻。在距停采線22m時，兩道隅角超前碼放整體連續(xù)黃泥麻袋墻，碼放到頂、到底、到幫。兩道隅角墻體砌筑完成后，及時對墻體及其幫部和頂部噴涂防滅火材料，噴涂后壓注LFM防滅火充填材料。施工前將巷道頂、幫、底浮煤清理干凈，防止浮煤在封堵材料覆蓋下蓄熱氧化自燃。

②工作面鋪網(wǎng)上繩期間，在網(wǎng)上同步覆蓋雙層完好無破損風筒布，要求風筒布逆風流方向壓邊不少于100mm（工作面下出口段風筒邊壓上出口段風筒邊），同時要求風筒緊貼煤體，平整敷設，壓邊可靠。若風筒布損壞嚴重，可在架前吊掛風筒布。

③停采后，工作面兩道隅角和端頭實施噴砂漿封堵；支架尾梁利用隔膜泵噴涂，噴涂材料為LFM型防滅火材料。

（3）采空區(qū)注氮降氧

在距停采線60m、40m、30m、20m分別壓茬式預埋注氮管路。距停采線采空區(qū)20m左右沿工作面走向預敷一趟注氮管路，每隔10m設置一個釋放口。管路必須要貫通整個采面。影響防滅火注氮流量大小的主要因素有：采空區(qū)的空間大小、幾何形狀、漏風強度及氣體的變化量等。防滅火注氮流量按下式計算：

式中：QV－采空區(qū)氧化帶的漏風量，m3/min；

Κ－注氮量備用系數(shù)，取1.2～1.5；

C1－采空區(qū)氧化帶內平均氧濃度 ，%；

C2－采空區(qū)防火惰化指標，其值為煤自燃臨界氧濃度 ，%；

CN－注入氮氣濃度 ，%。

采空區(qū)氧化帶漏風量一般按工作面風量的1/60～1/100選取，根據(jù)礦井實際，采空區(qū)氧化帶漏風量取6m3/min。取注氮量備用系數(shù)為1.2。根據(jù)束管監(jiān)測的平均值，取氧化帶中平均氧濃度為15.8%。采空區(qū)內煤自燃臨界氧濃度取7%。注入氮氣濃度取97%。則有：

根據(jù)以上計算，工作面回撤期間將采空區(qū)氧氣濃度降到7%以下的最小注氮量為950.4m3/h。工作面停采后，根據(jù)情況對采空區(qū)可實施24h不間斷注氮。

（4）注泡沫凝膠防滅火

工作面停采后，支架尾梁頂部受支架整體升降和前探梁及尾梁活動，以及采空區(qū)頂板來壓的作用，煤體易破碎，形成松動圈氧化帶。為防止這些地方的遺煤自燃，需采用高位鉆孔注泡沫凝膠技術。泡沫凝膠兼具泡沫與凝膠的特性，具有良好的流動性、保水性以及堵漏風特性。

從工作面上出口開始每架布置三個鉆孔，頂板鉆孔的終孔位置以實際見5#煤層頂板為主。工作面停采回撤期間，瓦斯員檢查發(fā)現(xiàn)支架前及尾梁頂部附近出現(xiàn)高溫點或CO濃度逐步升高時，可在該處架鉆孔注泡沫凝膠，鉆孔參數(shù)見表1，鉆孔位置如圖1所示。

表1 頂板鉆孔參數(shù)

圖1 鉆孔位置示意圖

礦井現(xiàn)有2ZBQ-60-1.5型雙液氣動注漿泵，額定流量為60L/min（3.6m3/h），額定壓力為0～25MPa。同時還配備6臺QBY-3-40型隔膜泵，流量為3m3/h，揚程為50m，經地面試驗，以上兩種泵均可進行鉆孔壓注。注泡沫凝膠工藝流程如圖2所示。

圖2 注泡沫凝膠工藝流程圖

3.撤架期間局部通風

改變原有通風系統(tǒng)的壓力分布,減少進回風巷道之間的壓力差可以有效地減少采空區(qū)漏風,從而達到抑制采空區(qū)遺煤自燃的目的。在停采撤架期間，為減少采空區(qū)漏風，需要在工作面運輸巷施工密閉墻，對運輸巷進行封閉，采用壓入式局部通風的方式為工作面供風。選用FBD№6.3（2×15kW）型局部通風機兩臺,額定風量在300～400m3/min，風筒選用Φ600mm的膠質阻燃抗靜電風筒，風機安裝在5202聯(lián)絡巷，風筒沿5202材料道、工作面布設。

四、應用效果

5202工作面在2019年2月17日停采鋪網(wǎng)上繩，由于煤層較軟，巷道環(huán)境差且局部巷道高度不夠，為此花費了一段時間來整修和對巷道進行落底。到3月1日準備拆除設備。3月7日，瓦斯員檢測到15、20、60號支架尾梁頂部煤體溫度較高，其中60號支架尾梁頂部煤體溫度最高，達32.5℃。抽取上述支架頂部鉆孔內氣體進行檢測，發(fā)現(xiàn)CO濃度較高，最高可達500ppm。

為此，開始進行三班24小時不間斷注氮，與此同時，在15、20、60號及其前后5架架頂鉆孔內進行注水然后注泡沫凝膠。通過上述防滅火措施的實施，各異常點煤溫上升情況得到了抑制，溫度明顯降低并穩(wěn)定在22℃～24℃之間。經過一段時間的綜合治理，異常區(qū)域煤體氧化的情況得到了控制，CO的濃度也明顯降低并穩(wěn)定在150ppm以下。

五、結語

自燃厚煤層綜放工作面在末采回撤期間，要高度重視遺煤自燃的問題，距停采線一定距離時要有意識的加大放煤量，控制和減少采空區(qū)遺煤，設置一定距離的“矸石隔離帶”。停采回撤期間，在全面防治煤自燃的基礎上要加強對支架后采空區(qū)氧化帶、支架尾梁頂部松動圈氧化帶以及工作面進、回風隅角等重點危險區(qū)域的監(jiān)測監(jiān)控，如有異常要及時分析原因并采取相關措施，做到“全面防治、重點防治、綜合防治”相結合。

5202工作面撤架期間，通過采取以設置矸石隔離帶、封堵兩端隅角、局部通風、注氮、注泡沫凝膠為主的綜合防滅火技術，有效惰化了煤體，減緩了采空區(qū)遺煤的氧化速度，達到了防治采空區(qū)遺煤自燃的目的，為撤架工作爭取了寶貴時間。至3月25日，工作面所有設備均安全撤出。該防滅火技術的研究及應用可為同類型煤層工作面撤架期間防滅火工作提供借鑒。