綜采工作面過斷層期間自然發火防治技術研究

馬莉萍

（1.河南理工大學安全學院，河南 焦作 454000；

2.平頂山天安煤業股份有限公司二礦，河南 平頂山 467000）

平煤股份二礦庚20 煤層為深部高硫突出煤層，開采深度已達800 m，煤層含硫高（3.60%～6.52%），庚組煤層賦存的正、逆斷層等地質構造較多，這些因素的綜合疊加，使得庚組煤層開采過程中面臨的內因火災防治壓力較大，嚴重制約礦井的安全生產。研究庚20 煤層工作面過斷層期間采空區自然發火防治技術，對預防采煤工作面自然發火、提高礦井安全保障能力具有重要意義。

1 工程概況

平煤股份二礦目前主要開采己15、16 和 庚20煤層。庚20 煤層厚0.26～3.9 m，平均厚度1.52 m，屬較穩定大部分可采煤層。煤質屬于低～中灰，特高硫、高揮發分、特高發熱量的肥煤，但有機硫含量高，洗選脫硫效果不佳，利用上受限制。庚20 煤層的自然發火期為3～6 個月，屬自然發火煤層，煤層煤塵爆炸指數20.93%～28.23%，有煤塵爆炸危險性。

2 技術方案

當工作面遇到斷層時，工作面的推進速度會變慢，采空區氧化帶內的浮煤有較長時間氧化升溫，升溫時間超過煤的自然發火期后，采空區浮煤就會自燃。由于從工作面向采空區深部注防火材料難度較高，尤其難以使防火材料控制采空區中部浮煤氧化自燃，因此，為了防止過斷層時采空區自燃，除了采取正常回采時的自燃預防技術外，還需在遇到斷層前提前對氧化帶內庚19 煤中部、庚20 斷層區域的煤體采取防火措施，從而使得浮煤進入氧化帶后氧化速度降低，預防采空區自燃。

3 庚20 工作面正常回采時采空區自燃預防技術

3.1 采空區堵漏風技術

在工作面推進初期，兩巷被甩入采空區后部時，由于無老頂來壓，采空區后部漏風空間非常大，尤其是距開切眼0～20 m 范圍內，兩巷漏風通道可能直達開切眼，加之開切眼形成后處于風流的氧化時間比較長，氧化條件好，因此當工作面形成后，必須先對開切眼進行阻化處理，推進一定的距離后，再進行兩巷的充填與堵漏[1]。以庚20-23190 工作面為例，隨著工作面的回采，在上下順槽堆砌堵漏墻，堵漏墻可用袋子裝填沙土進行堆砌，袋子之間用沙土充填。每間隔5 m 堆砌一座，厚度0.6 m，寬度為巷道寬度，從而增加采空區后部漏風風阻。

3.2 噴灑阻化劑防滅火

選用在水中有較高的溶解度、來源廣泛、經濟成本低的MgCl2或者Na2CO3，作為注入高硫煤體用的阻化劑。噴灑阻化液所用的攪拌水箱放在工作面進風巷適當位置,從工作面上隅角到下隅角接一趟8′高壓軟管，每隔12 m 留一個三通（帶閥門），并將高壓管吊掛在工作面液壓支架支柱上，高壓管隨工作面推進前移。工作面支架每推進一排，對工作面采空區側浮煤進行一次全斷面噴灑阻化液，根據現場情況可以調整工作面噴灑次數。阻化劑溶液的濃度要保持在20%左右，以達到最佳防滅火效果.

3.3 注惰防滅火

結合平煤二礦的實際情況，進行間歇性注氮。根據庚20 煤層自然發火特點，在下述條件下注氮：一是當工作面上隅角一氧化碳含量遞增達到24 ppm時，或者含量波動，但最高達到30 ppm 時，要立即注氮防火；二是未達到合理防火推進度時，即工作面旬推進度＜15 m，必須及時注氮；三是工作面45 ℃≤采空區溫度＜70 ℃，或40 ℃≤上隅角溫度＜45 ℃時，必須及時注氮；四是在撤架時，當進入采空區氧化帶與窒息帶交界處的煤炭達到發火期，必須及時注氮防火；五是巷道高溫煤炭進入到采空區時，必須立即注氮[2-3]。

根據實際情況，庚20 煤23190 工作面回采過程中采煤工作面風量為1900～2000 m3/min，在進風側距離工作面40 m、45 m、50 m 處分別設置注氮口進行模擬。氮氣出口緊貼底板和煤壁，注氮量采用該面注氮流量15 m3/min。當風量為2000 m3/min、注氮口為40 m 和45 m 時注氮效果較好，注氮口為50 m 時注氮效果較差。考慮到注氮口為40 m 時可以較好地使回風側的氧化帶寬度變窄，且回風側氧化區域溫度較高和回風側有高位鉆孔抽放，選用注氮口為進風側距離工作面40 m。

4 遇到斷層前庚組煤層自燃防火技術

4.1 遇斷層前19 煤中部預注阻化液抑制煤自燃

4.1.1 預注阻化液區域選擇

由于庚19 煤距離庚20 有一定的距離，觀測數據顯示，庚19 煤氧化帶寬度小于庚20 氧化帶寬度。為了防止過斷層時采空區發生自燃，庚19 煤預注液區域按照庚20 氧化帶寬度進行預注，即過斷層前，庚19煤按照圖1 所示的預注阻化液范圍進行預注。

圖1 遇到斷層前19 煤預注阻化液區域

4.1.2 鉆孔布置及技術參數

庚19 煤在傾向上被劃分成三個區域：A 區為利用回風側的高位抽放鉆孔進行提前預注阻化液，有4 個鉆孔，鉆孔參數同前；在遇到斷層前，在進風側打高位抽放鉆孔對C 區進行預注阻化液，其鉆孔參數與A 區對稱；對于B 區，共有12 個鉆孔，其中1#～6#鉆孔從回風側打鉆，7#～12#鉆孔從進風側打鉆。根據需要預注阻化液的區域大小選取鉆孔的組數，其詳細參數如圖2 所示，其影響半徑為5 m。為了避免鉆孔偏差相互影響，每次打鉆起點都向遠離工作面方向運移1 m。從中可以看出，鉆孔最深85.5 m，工作面較大，根據現場預注效果，可以調整鉆孔組數，從而減少工作量。

4.1.3 注液工藝及時間

為了在進回風側同時進行預注阻化液，需要在進風和回風巷分別制作一套注液系統，且加工一個多通，每個鉆孔上安裝閥門，根據需要選擇部分或全部鉆孔進行注液。在提前預注阻化液時，如果發現鉆孔或周圍有阻化液滲出，先暫停注液，等恢復正常后繼續注阻化液。

當鉆孔終孔到達采空區后，由于浮煤冒落后變得松散，使得注液量增加，且多余的阻化液會從采空區流向工作面，從而難以起到作用，因此，發現有阻化液流出采空區時應該立刻停止對應鉆孔的注液。

圖2 19 煤中部鉆孔參數布置示意圖

4.2 遇斷層前庚20 短孔預注阻化液抑制煤自燃

當工作面過斷層時，一方面工作面推進速度變得很慢，另一方面斷層區域丟入采空區的浮煤較多，利用噴灑阻化液工藝對斷層區域的浮煤進行惰化效果較差。為了對較厚浮煤進行惰化，采用短孔注入技術對庚20 工作面斷層區域的煤體進行預注阻化液。短孔預注阻化液技術原理：在煤體開采前，利用煤層高壓注水工藝將阻化液注入煤體，一定時間后，阻化液逐步浸入煤的層理、節理、裂隙和孔隙中。當煤體被開采后，破碎的煤體與外界空氣的接觸面上會存在一層阻化液膜，可以起到阻止煤與氧接觸，達到防止氧化自燃的作用[4]。該方法與向空區內的浮煤噴灑或灌注阻化物相比較，阻化效率高，阻化時間長，能夠更好地防治采空區浮煤自燃。

4.2.1 鉆孔布置及施工

工作面注液孔的總數設計為42個，鉆孔高1.5 m，孔徑42 mm，孔深大約6 m，孔間距4 m。為了節省時間和成本，根據斷層影響范圍進行打孔預注阻化液，工作面兩個端頭0～10 m 范圍內不打孔注液，以減少工作面兩端煤壁片幫的可能性。

4.2.2 注液時間及系統

封孔采用橡膠快速封孔器封孔，如圖3 所示。工作面鉆孔共分3 組，每14 個鉆孔為一組，1～14#鉆孔為第一組，15～28#鉆孔為第二組，29～42#鉆孔為第三組，采用BRW-200/31.5 乳化液泵注液。在檢修班一部煤電鉆機1 個組打注液孔，保證每個注液孔凈注液時間不低于35 min。

圖3 封孔器

4.3 遇斷層前阻化液霧化抑制采空區浮煤自燃

當霧化的阻化液進入采空區后，一方面可以降低采空區內部的氧氣濃度；另一方面阻化液附著在浮煤上后，可以在浮煤上形成一個阻化液膜，阻止浮煤氧化升溫；最后，當阻化液中的水分汽化時，可以吸收大量的熱，從而降低采空區內部的溫度。

4.3.1 工作面霧化噴頭安裝

霧化噴頭安裝如圖4 所示。在進風隅角設置3個噴頭，位于堵漏墻和支架后側。阻化液被霧化后隨風流進入空氣，從而在采空區凝結惰化采空區浮煤。

圖4 霧化噴頭安裝示意圖

4.3.2 工作面日噴霧量

V=（1-a）KdLhS/R （1）

式中：V 為日噴霧量，m3；R 為霧化率，取80%；K 為每噸浮煤用液量，取0.02 m3/t；d 為實體煤的密度，t/m3；L 為工作面長度，200 m；h 為采高，工作面采高為2.5 m；S 為日進尺，m；a 為工作面回采率，%。

5 效果分析

庚20-23190 綜采工作面過斷層期間，采面上隅角CO 濃度維持在75～120 ppm 間，回風流CO 濃度維持在11～18 ppm 間。采空區自燃隱患區域已得到有效的控制，防止了采空區自燃，確保了庚20 煤層工作面過斷層期間的安全生產。