高瓦斯近距離煤層群易自燃工作面回撤防火關鍵技術研究

郝 宇，劉忠全

(1.重慶工程職業技術學院，重慶 402260；2.國家能源神東煤炭集團上灣煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

煤層自燃火災是全球性的災難，嚴重威脅著自然環境和人類健康，造成巨大的資源損失和環境污染[1]。我國煤炭產量和消費量居世界首位，占國內一次能源生產和消費總量的75%[2]。新疆是我國煤田火區分布最多的省份，地火燃燒歷史悠久，且煤層埋藏較淺，導致漏風量增加，同時煤層露頭火災、老空火區等因素影響，自燃防治工作極為嚴峻[3-5]。目前，新疆仍然有33處煤田火區，每年損失煤炭高達800萬t[6]。屯寶煤礦位于準南煤田硫磺溝礦區西部，煤礦開采的M15煤層屬于容易自燃煤層，最短自然發火期34d，礦井開采的多個工作面在終采撤架期間曾發生高溫異常和明火現象。I011501工作面的上部和周圍存在多個已經回采后封閉的工作面采空區[7]，且礦井屬于高瓦斯礦井，瓦斯抽采加劇了采空區的漏風[8，9]，以及工作面終采撤架時間較長[10-13]，以上因素都加劇了I011501工作面回采撤架期間的自燃發火危險性，一旦發生自燃容易導致瓦斯爆炸等次生災害的發生。因此，針對I011501工作面在回采撤架期間采取針對性的防滅火技術[14-18]，對于I011501工作面的安全回采、密閉，以及類似工作面的自燃綜合治理都有著積極的指導意義。

1 礦井及工作面基本概況

屯寶煤礦位于準南煤田硫磺溝礦區西部，地質構造較復雜，煤層傾角10°～24°。主要開采煤層6層，現主要開采M15煤層。礦井采用綜合機械化放頂煤的采煤方法，全部垮落法管理頂板。礦井屬高瓦斯礦井。開采M15煤層具有爆炸危險性，煤塵爆炸指數47%。M15煤層為自燃煤層，發火期一般為3～6個月。

I011501工作面傾斜長度200m，可采長度1239m，煤層總厚10.1m。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤開采方法，全部垮落法管理采空區，工作面機采高度3m，放頂煤高度7.1m工作面上部為I011401、I011402工作面采空區，I011501工作面上、下巷和I011401工作面上、下巷屬相同水平，I011501工作面上、下巷距離I011401工作面上、下巷分別為76m和45m左右。I011501工作面與相鄰工作面四周位置關系和煤層頂底板巖性如圖1所示。

2 回撤期間火災威脅及易自燃地點分析

I011501工作面回撤工作總體分為四個階段，Ⅰ末采階段，距離終采線200m至工作面進行鋪網等為末采階段；Ⅱ礦務工程階段；Ⅲ設備回收階段；Ⅳ封閉階段。四個階段總工期將超過90d，在不同階段煤層自燃危險性如下：

1)第Ⅰ、Ⅱ階段自燃危險性：工作面進入末采階段后不再放頂煤，推進速度由3m/d下降至不足1m/d，工作面推進速度放緩，采空區內遺煤處在“氧化帶內”的時間大大延長，極大地增加了遺煤自燃的可能性。

2)Ⅲ階段自燃危險性：Ⅲ階段不放頂煤導致采空區遺煤量增加，設備回收工期長，同時工作面跨度大，易造成頂煤破碎下沉，加劇了頂煤破碎程度，且工作面上部存在多個相互連通的采空區，地表受采動裂隙影響相互連通，形成嚴重的漏風通道，瓦斯治理措施進一步增大了采空區漏風量，以上各因素耦合作用下加劇了Ⅲ階段M15煤層自然發火危險性。

3)Ⅳ階段自燃危險性：主要是工作面設備回收完畢封閉后，由于密閉墻施工位置、密閉質量等因素，導致密閉封閉不嚴，外部新鮮空氣通過密閉漏入采空區，容易造成遺煤自燃。

3 綜合防滅火措施

3.1 自然發火預測預報

1)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段采空區束管監測點布置。由于工作面在進入鋪網階段后，推進速度將放緩，采空區氧化帶范圍將收縮變窄，到達終采線后，距工作面40m區域應作為重點監測范圍。在工作面推進至距離終采線35m、25m、10m時，沿回風巷束管監測點，隨工作面的推進埋入采空區，并保持回風隅角始終布置一個束管監測點。

2)Ⅳ階段束管監測點布置。當工作面回采完畢時，在采空區密閉墻上設置2個束管監測點，以實現對封閉區內氣體的連續動態監測，對指標氣體的監測直至封閉區內O2體積分數持續穩定在5%以下后，方可斷開。

3.2 灌漿防滅火技術

1)Ⅰ、Ⅱ階段埋管灌漿：當工作面推進至距離終采線200m位置時，在回風巷向采空區方向預埋Φ108mm灌漿管路，并在末采期間開始灌漿，灌漿量應堅持少量多次原則，工作面出現滲漿或達到注漿量后停止注漿。在工作面推進至距離終采線30m位置時，預埋一趟灌漿管路，推進距終采線10m時，利用管路進行注漿。當工作面推采至終采線10m時，再預埋另一趟注漿管路，推進至終采線位置時，利用預埋的注漿管路進行注漿。

2)Ⅳ階段埋管灌漿：當工作面回撤完畢封閉后，利用鋪設的注漿管路進行注漿。根據實際條件選用黃土作為灌漿材料，制漿時利用高壓水槍直接沖刷土堆，使其流入泥漿池，經攪拌后在自重作用下通過注漿管路注入用漿點，土水比選擇為1∶5左右。

3)架后高位鉆孔灌注：灌注具有降溫堵漏，堆積覆蓋性能能較好防滅火材料，從上至下，濕潤堆積覆蓋松散遺煤，形成架后隔離墻。因此，工作面在推采至終采線后，施工架后高位鉆孔，并灌注高分子-黃泥漿液，增加防滅火效果。選擇在+903水平石門布置1#鉆場，在回風措施巷上平臺東幫擴幫深度1m、寬度5m的2#鉆場，1#鉆場布置8個鉆孔，2#鉆場布置13個鉆孔，共計21個鉆孔。根據工作面實際氣體情況進行多次灌注，對出現異常支架后部范圍應加大灌注量。根據每個鉆孔覆蓋范圍可計算出每個鉆孔防滅火材料的壓注量，具體采用公式(1)計算：

Q=nπR2h/3

(1)

式中，Q為單孔防滅火材料壓注量，m3；n為采空區遺煤孔隙率，一般取0.3；R為鉆孔漿液覆蓋半徑，取5m；h為鉆孔終孔位置距離煤層地板垂高，取10m。

根據式(1)，可計算出單個鉆孔防滅火材料壓注量約為70m3，支架后高位鉆孔布置如圖2所示。

4)架間鉆孔灌注：工作面進入支架回收階段后，在工作面前部每隔3架施工一個防滅火鉆孔，共計39個鉆孔，在架間向支架斜上方施工鉆孔，終孔位置位于M15煤層頂板，鉆孔施工長度為14m，距離支架后部3～4m范圍，鉆孔施工結束后，立即對鉆孔內氣體成分進行檢測并全長下套管，并向鉆孔內壓注漿或高分子-黃泥漿液，對工作面架后異常點附近鉆孔重點灌注直至檢測氣體回復正常。根據鉆孔覆蓋范圍可計算出每個鉆孔防滅火材料的壓注量，由式(1)計算得出，單個鉆孔防滅火材料壓注量約為28m3，架間鉆孔布置如圖3所示。

圖3 架間鉆孔布置示意圖

3.3 注氮防滅火技術措施

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段注氮防滅火措施：工作面推進至距離終采線40m、20m時，在進風巷預埋兩趟注氮管路進行注氮，并保持24h連續注氮。當工作面推進至距離終采線10m位置時，開始利用距離終采線位置40m的第一趟預埋注氮管路進行注氮。注氮量的計算依據文獻[19]中的防火注氮流量計算方法，此法計算的實質是將采空區氧化帶內的原始氧氣含量降到防火惰化指標以下。當工作面推進至終采線后，開始利用預埋的距離終采線20m第二趟注氮管路進行注氮，注氮流量1200m3/h；工作面風量下調后，為保證工作面氧含量滿足規定要求，將注氮流量調整為800m3/h左右，采空區帷幕注氮管路埋設位置如圖4所示。

圖4 采空區帷幕注氮管路埋設位置示意圖

3.4 控風堵漏技術

1)控風措施：工作面回撤的Ⅰ階段時，供風量、通風方式與正常通風時相同。工作面回撤進入第Ⅲ階段后，將工作面風量調整至約650m3/min。工作面開始回收支架后，由于頂煤破碎嚴重、頂板完整性差，頂板將隨支架回收而垮落，將造成工作面通風困難，因此，在支架回收開始前將通風系統調整為局部通風系統，將工作面進風巷封閉，設置2臺30kW局部通風機，風筒連接至工作面進風巷，風量維持不變。進入Ⅲ階段后，停止工作面高位瓦斯抽放，只在上隅角進行瓦斯抽放，在保證工作面瓦斯濃度不超限的前提下，減少采空區瓦斯抽放量，以減小采空區漏風。

2)堵漏風措施：工作面回撤期間，對地表裂縫進行及時填埋、夯實，定期檢查。在工作面推進至終采線位置時，對工作面上、下端頭敷設阻燃風筒布，以最大限度減少漏風。工作面推進至終采線后，利用高分子材料對風筒布表面進行噴涂，以進一步封堵漏風通道。同時對密閉墻及周圍巷道圍巖進行全面噴漿堵漏，防止漏風。

3.5 應急預案

當工作面發生火災時，必須立即向生產指揮中心匯報，匯報內容包括火災、地點、災害情況等，同時組織人員救災。在災害不能處理的情況下，在班組長或有經驗職工的帶領下，迅速撤離災區。若撤離路線被火災堵塞導致不能撤離時，就近尋找安全的硐室躲避，等待救護人員到來救護。發生火災時，受災害威脅的人員必須立即戴好自救器，沿避災路線迅速撤離災區。

1)工作面回撤期間，局部支架架間及支架上部區域出現30℃以上的高溫點、CO氣體異常涌出或出現自燃發火征兆時，立即異常支架及該支架上下10部支架后部范圍進行注漿、注水或注防滅火材料等，同時應加大進風側的注氮流量，并開始在回風側進行注漿，直至消除支架間的發火隱患。

2)工作面回撤期間，上隅角、采空區突然出現高濃度CO氣體，應立即撤離工作面人員，封閉工作面，利用施工的鉆孔壓注封堵材料，封堵漏風通道，同時，加大本煤層采空注氮量并向上部采空區進行探測及治理。

3)工作面回撤期間，CO濃度持續升高時，應加大采空區注氮量，立即開始對采空區進行灌漿，并利用施工的鉆孔壓注防滅火材料；如采取上述措施無明顯效果，立即停止工作面作業，撤出作業人員并對工作面實施封閉，封閉作業完成后利用密閉上預留的注氮管路對采空區實施24h連續封閉注氮，注氮流量不得小于1000m3/h，并繼續向鉆孔內注防滅火材料，同時加強監測，根據監測結果分析自然發火位置及采取相應的處理措施。

4)當工作面推進至終采線后，如果工作面在回撤期間出現自然發火征兆，則利用I011501上巷高位瓦斯抽放鉆場內的鉆孔對相應位置進行灌漿或注防滅火材料；如灌漿效果不理想，則選擇合適位置施工鉆孔，終孔位置位于出現自然發火征兆區域，鉆孔施工完成后全程下套管，之后利用這些鉆孔進行注漿或注防滅火材料，直至自然發火征兆完全消除，工作面恢復正常。

5)應急物資儲備：在工作面撤架期間，應在井底消防器材庫儲備木板10m3、干粉滅火器20臺、壓縮氧自救器20臺等應急物資，保證出現火災時能及時采取應急措施。

4 工作面回撤期間及封閉后防滅火技術

4.1 工作面回撤期間防滅火措施及效果考察

9月3日-9月7日早班恢復啟封進風巷密閉，進行下巷水封段排水、工作面氣體排放。利用架間孔從下端頭往上端頭進行注漿，遠距離鉆孔從上端頭往下端頭進行注漿，其中架間孔注漿42.6m3，遠距離孔防滅火鉆孔注漿33.24m3。工作面1#—30#架間補打鉆孔15個。利用預埋管路進行持續注氮，累積注氮量6.4萬m3。對工作面終采線附近的地面進行裂隙回填工作。

圖5 I011501工作面上隅角氣體變化趨勢圖

9月3日到10月24日I011501工作面上隅角氣體變化趨勢如圖5所示，從圖5(a)中可以看出，9月3日到9月7日，O2體積分數一直維持0.1%～0.49%，CO的體積分數一直為0，采空區遺煤一直處于O2窒息狀態，9月8日到9月12日，O2體積分數一直維持12.99%～18.89%，對應的CO體積分數也從6×10-6上升到316×10-6，且CO體積分數的升高滯后于O2體積分數這主要是由于漏風的影響，導致采空區遺煤發生快速氧化，CO體積分數迅速增加；9月13日到10月24日，隨著O2體積分數的降低，CO體積分數也從316×10-6降到不超過10×10-6。從圖5(b)中可以看出，從9月3日到10月24日，工作面上隅角CH4體積分數保持在0.5%～1.3%之間，說明采取的綜合防滅火技術措施對遺煤的低溫氧化收到很好的抑制作用，CH4體積分數處于0.5%～1.6%之間，說明通過采取惰化手段，瓦斯體積分數也得到了很好的稀釋作用，降低了煤自燃引發瓦斯爆炸次生災害發生的可能性。

4.2 工作面封閉后防滅火措施及效果考察

利用+903石門鉆孔、I011501回風聯巷鉆孔進行注漿，累計注漿1803.41m3。對地面裂隙進行反復回填，累計完成黃土回填量約4.3萬m3。封閉期間注氮量69.31萬m3。采取在+903區段石門西幫施工25個鉆孔，漿液覆蓋I011401工作面架后及I011501工作面支架頂部，累計注漿402.06m3。對采空區內氣體進行持續監測，工作面封閉后，對I011501工作面進回風巷密閉內氣體及鉆孔內氣體進行監測，工作面封閉后上隅角氣體變化趨勢如圖6所示。

圖6 工作面封閉后上隅角氣體變化趨勢

從圖6中可以看出，CO體積分數11月20日到12月12日，CO的體積分數從一直維持在1×10-6～1.1×10-7，O2的體積分數從一直維持在0.01%～0.09%，一直處于較低的體積分數之內，說明采取的注漿、注氮等降溫、惰化等措施對采空區遺煤的低溫氧化收到很好的抑制作用；CH4體積分數處于0.24%～1.48%之間，說明通過采取惰化手段，瓦斯體積分數遠低于爆炸的下限，瓦斯體積分數也得到了很好的稀釋作用，從而降低了煤自燃引發瓦斯爆炸次生災害發生的可能性。

5 結 論

1)工作面回采撤架期間自燃危險性增加，工作面不放頂煤導致采空區遺煤量增加，采推進速度慢(不足1m/d)，同時I011501綜放工作面跨度大，易造成頂煤破碎下沉，且工作面上部存在多個采空區，多層采空區之間、多層采空區與地表之間通過采動裂隙相互連通，形成復雜嚴重的漏風，同時受到上覆I011401、I011402采空區遺煤自燃威脅。高位鉆孔瓦斯抽放進一步增大了采空區漏風量。各因素的相互影響加劇了末采撤架期間自然發火危險性。

2)采取有針對性的綜合防滅火措施，在工作面推進至距離終采線35m、25m、10m時，預埋束管監測點。在工作面回風巷預埋灌漿管路灌漿和架后高位鉆孔和注漿，工作面封閉后埋管注漿。Ⅰ、Ⅱ階段埋管注氮，注氮流量為1200m3/h。通風系統在支架回收開始前調整為局部通風系統，并設置2臺30kW局部通風機，停止工作面高位瓦斯鉆孔的抽放工作，對地表裂縫及時填埋。在進、回風順槽隅角及時回收支護，使頂板及時塌落，對工作面上、下端頭采用敷設阻燃風筒布。

3)工作面回撤期間防滅火的效果考察：①終采撤架期間，CO和O2體積分數呈現出先低后高再降低到較低的數值的趨勢，主要是在中間階段受到漏風的影響，導致采空區遺煤發生快速氧化，CO體積分數迅速增加，隨著O2體積分數的降低，CO體積分數也從明顯降低，說明采取的綜合防滅火技術措施對遺煤的低溫氧化收到很好的抑制作用，CH4體積分數處于0.5%～1.3%之間，說明通過采取惰化手段，瓦斯體積分數得到了很好的稀釋作用，降低了煤自燃引發瓦斯爆炸次生災害發生的可能性；②撤架密閉后，CO和O2的體積分數分別為1×10-6～11×10-6和0.01%～0.09%之間，CH4體積分數保持在0.24%～1.48%之間，說明采取的注漿、注氮等降溫、惰化等措施對采空區遺煤的低溫氧化有很好的抑制作用，瓦斯體積分數遠低于爆炸的下限，瓦斯體積分數也得到了很好的稀釋作用，從而降低了煤自燃引發瓦斯爆炸次生災害發生的可能性。