復雜條件下綜放工作面煤自燃防治技術研究

趙 強 周玉金

(內蒙古蒙泰不連溝煤業有限責任公司，內蒙古自治區鄂爾多斯市，010321)

煤炭是我國的主要能源，煤炭自燃是我國煤礦的主要災害之一[1-2]。在我國國有重點煤礦中，因煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數的90%～94%[3-5]。隨著煤炭資源的不斷開采，優質煤層越來越少，煤炭開采也從優質煤層逐漸轉向復雜煤層，復雜煤層地質條件復雜，開采難度較大。加之綜放工作面回采率低，推采較慢，采空區煤自然發火問題突出[6-7]。尤其在工作面末采不放頂煤期間，常規的防滅火技術很難做到有效地防治煤自燃，為此，有必要對綜放工作面高位遺煤自燃的防治進行技術研究與實踐。

1 工作面概況

蒙泰不連溝煤業F6209工作面位于二盤區東翼，西連6#煤層輔運大巷，北鄰F6208工作面采空區，東部為井田邊界，南部為F6210未采工作面。該工作面總體呈東高西低，煤層埋深181.5～346.6 m。工作面長度為2183.8 m，切眼長度為254.3 m，該工作面采用綜合機械化后退式放頂煤采煤方法，采高4.0 m，全部垮落法管理頂板，共布置兩條巷道，輔運巷進風，運輸巷回風。工作面開采6#煤層，自然發火期為31 d，屬于I級容易自燃煤層，工作面具體布置情況如圖1所示。

圖1 F6209工作面布置平面圖

2 工作面煤自燃問題及防治難點

(1)F6209工作面在剩余150 m時，工作面由于過構造帶，回采速度較慢，遺煤量大，且設備老化，檢修時間長，采空區遺煤持續氧化蓄熱，出現自然發火標志性氣體，CO不斷升高至0.1%左右，且伴有乙烯(C2H4)產生。

(2)工作面回采過程中始終伴有采空區漏風，漏風量為100～200 m3/min，遺煤氧化加快，采空區內CO濃度為0.06%，已有急速升高趨勢。

(3)工作面采取了常規的采空區注漿、噴灑阻化劑、注氮等綜合防滅火措施，但效果不佳，CO和瓦斯濃度仍然急速上升。

(4)工作面停采前50 m范圍未放頂煤，造成工作面采空區內留有大量遺煤，同時工作面進風巷道、回風巷道在推采過程中不放或少放頂煤，致使工作面上、下部一定范圍內頂煤未能充分垮落遺留在采空區，遺煤氧化危險性高。

(5)工作面進風巷道、回風巷道在回采過程中，垮落壓實效果不佳，致使進風巷道、回風巷道頂板垮落沉積不實，形成“三角”隱患漏風通道，造成工作面上、下隅角處漏風較多，工作面采高較大，煤層頂板垮落后沉積壓實效果不佳，造成采空區內存在復雜動態性漏風通道。

(6)采空區深部氧化區域范圍，準確定位難度較大，治理難度大。

3 工作面火災治理

3.1 氧化區域判定

(1)由于存在地面持續漏風問題，采空區大范圍內氧氣瓦斯濃度在10%以上，綜合以下因素劃分大致氧化范圍：工作面過陷落柱期間，頂板破碎，采空區留煤量大；工作面過陷落柱期間，支架老化，該區域氧化時間充足；結合該煤層最短自然發火期及推采速度的分析，陷落柱附近的遺煤已滿足氧化自燃條件。初步判斷該區域為氧化危險區域。

(2)在初步劃定區域內通過F6210輔運巷穿煤柱向采空區打設檢測鉆孔，通過檢測鉆孔測得采空區CO氣體高達0.1%以上，故最終確定陷落柱附近為煤自燃治理區域。通過進一步檢測，劃定治理區域為陷落柱前20 m左右的范圍內。

3.2 防滅火措施

(1)治理方向。針對采空區的遺煤自燃及地表持續漏風問題，為保證工作面的順利推進及安全回撤，此次治理所要達到的目的有兩個：一是氧化區域注漿隔氧冷卻，有效處理采空區遺煤氧化自燃問題，最大程度減少CO等有害氣體涌出；二是采空區全長注漿封堵隔離，有效減少采空區漏風和預防采空區遺煤進一步氧化自燃。

(2)施工方案。在不影響工作面正常推進的情況下，選擇在相鄰F6210輔運巷向F6209采空區打鉆注漿，打鉆位置選擇在F6210輔運巷內，對應于F6209工作面陷落柱前21 m范圍內每隔7 m打一個鉆孔，鉆孔設計如圖2所示。

圖2 采空區鉆孔布置示意圖

根據巷道和采空區標高決定鉆孔開孔高度、角度和終孔位置：1#、2#、3#鉆孔開孔高度均為F6210輔運巷底板以上2 m，1#鉆孔角度為15°，孔深為230 m；2#鉆孔角度為10°，孔深為180 m；3#鉆孔角度為7°，孔深為130 m；4#鉆孔角度為10°，孔深為80 m；鉆頭、鉆桿為一次性注漿鉆具，既滿足打鉆要求，又滿足注漿要求。

3.3 普瑞特防滅火新技術

為滿足防滅火材料在采空區的全方位擴散、覆蓋，封堵漏風通道，同時又要具有很好的保水性能，可以很好處理遺煤氧化高溫區域，此次治理采用普瑞特防滅火成套技術及裝備，通過注漿鉆孔向采空區遺煤氧化區域大量灌注。

普瑞特防滅火材料糅合了三相泡沫的擴散性、凝膠的保水性及阻化劑的阻化性能，物理發泡，發泡倍數在20倍以上，全方面擴散效果顯著，保水性在95%以上，極大減少水分流失，對采空區高位遺煤保持長期冷卻降溫；粘附性、掛壁性佳，可很好覆蓋包裹煤體；采用惰性氣體常溫發泡，既不產生熱量，又能在泡沫破裂的同時不斷釋放氮氣，持續惰化采空區[8-10]。

普瑞特防滅火材料為A、B兩組份料，分別與水按體積比為4%和2%混合，通過專用雙液氣動泵抽吸并輸送，材料在發泡成膠裝置通過礦用氮氣或壓風而成膠發泡，最終制備出的泡沫狀膠體通過鉆孔注入目標區域。普瑞特防滅火材料技術參數：發泡倍數≥20，泡沫穩定時間≥10 h，保水性為6個月內失水20%，A料添加量為2%，B料添加量為1%。

注漿設備采用煤礦用氣動注漿泵，型號2ZBQS45/4，額定壓力4 MPa，額定瓦斯流量45 L/min，最大輸出壓力6.5 MPa，最大輸出瓦斯流量100 L/min，額定供氣壓0.5 MPa，重量129 kg。普瑞特防滅火材料應用工藝如圖3所示。

1-普瑞特A料與水混合液吸料管；2-普瑞特B料與水混合液吸料管；3-普瑞特A料輸出管路；4-礦用壓風管路；5-氣動雙液注漿泵；6-普瑞特B料輸出管路；7-穩壓器；8-氮氣管路；9-普瑞特發泡成膠裝置；10-普瑞特輸出管路圖3 普瑞特防滅火材料應用工藝

3.4 防滅火材料應用及治理結果

F6209工作面灌注普瑞特前，采空區內CO和瓦斯濃度0.065%～0.1202%，漏風量800～1000 m3/min，采空區內出現了乙炔(C2H2)等標志性氣體，蒙泰不連溝煤業采取了采空區注漿、注氮、噴灑阻化劑等綜合防滅火措施后，效果不明顯，并且CO和瓦斯的濃度一直上升，已處于失控狀態。經按照上述設計向采空區灌注普瑞特后，采空區、回風隅角以及回風流內CO和瓦斯濃度開始回落，采空區漏風量由800～1000 m3/min回落至100～300 m3/min，半個月后，采空區、回風隅角以及回風流中CO和瓦斯濃度恢復正常。灌注普瑞特前后自然火災預測循環系統報告情況見表1。

表1 灌注普瑞特前后自然火災預測循環系統報告

通過灌注普瑞特材料，采空區、回風隅角以及回風流中CO瓦斯濃度回落明顯，20 d后，采空區、回風隅角以及回風流中CO和瓦斯濃度分別為0.003%、0.0023%和0.0018%。采空區內已無發火跡象，F6209工作面安全順利回采完畢。CO變化情況如圖4所示。

圖4 CO變化趨勢圖

4 結論

(1)F6209工作面埋深淺，地表裂隙發育，回采期間地表向工作面持續漏風，加之采空區遺煤量大，末采、回撤準備時間長，從而導致采空區遺煤區域氧化自然發火。

(2)通過對F6209工作面采空區遺煤發火區域的分析和判定，在常規防滅火措施無法實現有效治理效果的情況下，采用深部注漿鉆孔壓注普瑞特防滅火材料的措施后，采空區遺煤氧化區域得到控制，工作面CO和瓦斯濃度明顯降低，保證了工作面安全回撤。普瑞特防滅火新技術在F6209工作面回撤期間的良好應用效果為礦區防滅火技術提供了新的技術力量和治理經驗。