辛置煤礦10409工作面采空區自燃綜合防治技術

李 楠

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

1 工程概況

辛置煤礦屬高瓦斯礦井，目前主采的10號煤層厚度為2.11～3.3 m，平均2.63 m，傾角2～4°，為近水平煤層。為保障工作面正常開采，采用順層鉆孔抽采本煤層瓦斯、高位鉆孔抽采裂隙帶瓦斯和地面鉆孔抽采采空區瓦斯。礦井開采水平標高+370 m，采用立井盤區式開拓方式，采煤方法為一次性采全高，設計生產能力為500萬t/a。辛置煤礦是一座老礦，開采已有數年，井下巷道錯綜復雜，增加了采空區漏風的危險，而且10號煤層主要為高硫煤，經鑒定該煤層具有自燃性，屬于Ⅱ類自燃煤層，礦井和煤層賦存地質條件的特殊性增加了自燃危險性，同時，辛置煤礦未開展自燃標志氣體研究，致使礦井在防滅火治理方面存在一定的盲目性。本文以10號煤層東區10409工作面采空區自然發火的防治為背景，對采空區自燃“三帶”分布情況進行研究，以指導辛置礦10號煤層工作面采空區自燃防治技術方案制定。

2 10409采空區自燃“三帶”現場實測

2.1 測量方法

采空區自燃“三帶”主要指散熱帶、氧化帶和窒息帶[1]。采空區自然發火需要具備合適的氧氣濃度、適量的遺煤、合理的風速等多個因素，其中最為重要的因素為采空區中氧氣的濃度。散熱帶指的是采空區漏風較多，采空區內氧氣濃度較高，但是由于氣體的流動使采空區的煤矸石熱量散失較快，很少出現自燃的現象；窒息帶一般為距離采煤工作面較遠的采空區，工作面回采巷道內的風難以進入，該區域密封性良好，氧氣濃度滿足不了自燃的要求；氧化帶位于散熱帶和窒息帶之間，該區域的氧氣濃度、風速滿足煤體自燃的要求，為采空區防滅火的重要對象，因此，氧氣可作為劃分采空區自燃“三帶”的標志氣體[2]。本文采用采空區氧濃度法，對辛置煤礦10409工作面采空區進行自燃“三帶”監測研究。在工作面埋設束管監測系統，測點布置如圖1所示，在工作面支架后方布置四個測點(①～④號測點)，在10409進風巷內頂板傾斜鉆孔內布置三個測點(⑤、⑥、⑦號測點)。①～④號測點沿工作面寬度方向均勻布置，管路安裝完成后在周圍放置石塊或木垛進行保護。10409進風巷頂板鉆孔內的⑤、⑥、⑦號測點，測點間垂直距離約為3 m，鉆孔直徑為100 mm，鉆孔底部距離工作面底板垂直高度約為8.0 m，采用套管結構將采樣器間隔開。

2.2 10409工作面采空區水平自燃“三帶”分布

10409工作面后方布置好采樣點和管束后，采煤工作面持續向前推進，工作面每回采5 m統計一次各個測點處氧氣的濃度，①～④號測點測得的氧氣濃度與工作面距離的變化規律如圖2(a)所示。根據氧氣濃度的變化規律進行自燃水平“三帶”的劃分，四個測點的詳細情況如表1所示。以氧氣濃度作為采空區自燃“三帶”劃分標準，最終得到10409工作面采空區自燃水平“三帶”的范圍如圖2(b)所示。

圖2 10409工作面采空區水平自燃“三帶”監測結果

測點位置散熱帶/m氧化帶/m窒息帶/m測點10～180～358～5218～88>52>88測點20～3535～79>79測點30～3131～55>55測點40～2525～88>88

2.3 10409工作面采空區垂直自燃“三帶”

采用上述方法得到⑤、⑥、⑦號測點氧氣濃度的變化規律如圖3(a)所示，同樣得到采空區垂直自燃“三帶”的劃分情況如圖3(b)所示。

3 采空區自然發火控制技術

采用井下注氮防火系統、阻化劑防火、采空區注漿堵漏等綜合防治措施。阻化劑防火主要是通過工作面正常回采期間，在液壓支架間和后方噴灑阻化劑，阻化劑選用氯化物。采空區采用地面固定式注氮方式，采用巷旁充填沿空留巷技術進行進風巷的留巷支護，在充填墻體下方提前布置好注氮管路，通過地面向工作面采空區注氮，采空區注氮量與采空區的幾何形狀、氧化帶區域大小及采空區遺煤量等多個因素相關[3]，根據現場監測結果知，10409工作面采空區氧化帶范圍為工作面后方18～88 m，氧化帶的總體積為7.2萬m3，通過計算求得采空區注氮流量為800 m3/h。注氮防滅火系統如圖4所示。

圖3 10409工作面采空區垂直自燃“三帶”監測結果

圖4 辛置煤礦10409工作面采空區注氮系統示意

采空區注漿防火技術主要是為了使灌入的泥漿吸收遺煤自燃的熱量，對采空區起到一個封閉和減少漏風量的作用[4]。10409工作面采空區氧化帶垂直高度約為8 m，為達到對其立體注漿的目的，設計采用上隅角埋管注漿和臨近巷道密閉注漿的聯合注漿技術，注漿材料采用黃土漿，漿液土水比為1∶3，灌漿系數取8%，工作面每日總的灌漿量計算確定為400 m3。上隅角注漿管布置在上隅角瓦斯抽采管下方，距離巷道底板約2.5 m，灌漿量為12.8 m3/h。采空區密閉注漿布置如圖5所示。

4 結 語

辛置煤礦10號煤層東區10409工作面為Ⅱ類自燃煤層，為了避免工作面回采期間采空區遺煤的自燃，保證采煤工作的正常進行，采用氧濃度法劃分采空區自燃“三帶”，結果表明，10409工作面氧化帶為工作面后方18～88 m，據此提出了采空區注氮防火系統、阻化劑防火、采空區注漿堵漏等綜合防治措施，成功地避免了采空區的自然發火，實現了工作面的安全回采。

圖5 密閉注漿鉆孔示意