綜放工作面停采期間防滅火技術研究與應用

苗永奇

(潞安化工集團 潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036706)

綜合機械化放頂煤開采技術自20世紀80年代引進以來，以其巷道掘進率低、工作面單產量高的優勢得到了廣泛應用。但放頂煤工作面的開采強度大、回收率低，與其他采煤方式相比，采空區遺煤多，對自燃煤層和高瓦斯煤層存在一定的安全隱患[1-3]。潞寧煤業主采的侏2煤為自燃煤層，工作面回撤期間的防滅火問題突出，亟需建立一套完整的防滅火技術，實現支架的安全順利回撤。

1 工程概況

1.1 地質生產條件

山西潞寧煤業22116工作面所采煤層為侏2煤，平均厚度為7.0 m，煤層結構簡單，局部含有不連續薄層炭質泥巖夾矸。煤層頂板主要為中-細粒砂巖，比較堅硬，直接底板為泥巖，中厚層狀，較堅硬。侏2煤層煤質為焦煤，煤層有爆炸性，自然發火等級為Ⅱ級。

22116工作面采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采，割煤高度2.5 m。工作面傾斜長度178.6 m，工作面主要設備如表1所示。

表1 22116工作面主要設備

1.2 自燃原因分析

潞寧煤業侏2煤層在其他工作面回采和撤架期間曾經出現過煤層氧化的現象，主要原因有以下幾點：

1) 自燃周期短。侏2煤屬于Ⅱ類易燃煤層，煤層自然發火期短，一般為1～2個月，實際其他工作面撤架期間最短的發火期為25 d，在工作面回采過程中曾經發生過自燃現象。

2) 推進速度慢。遇到斷層等地質構造或到停采線附近，工作面推進速度變慢，一般為2 m/d，液壓支架對頂煤反復支撐，造成頂板破碎，部分地段形成了與采空區的通風通道。

3) 撤架周期長。22116工作面安裝放頂煤支架124架，由于支架重量大，一天回撤5～6架，全部撤完需要20 d以上，存在一定的自燃發火隱患。

2 采空區自燃“三帶”劃分

自燃煤層發火的關鍵因素是空氣中的氧氣含量，因此在實際生產中，通常使用測量氧氣體積分數的方法來確定采空區“三帶”的位置[4-6]。

在22116工作面兩巷及支架后方各設置3個測點，布置束管采集系統，采集空氣樣品進行分析，以氧氣濃度大于18%為散熱帶、小于7%為窒息帶作為判別依據，得到工作面“三帶”分布如圖1所示。

圖1 采空區自燃“三帶”劃分(m)

由圖1可以看出，散熱帶的范圍為工作面后方約40～50 m，氧化帶的平均寬度約為100 m，工作面之后160 m為窒息帶，而防滅火的區域主要是工作面后方160 m的散熱單和氧化帶，重點為以下兩個區域：

1) 停采前未放頂煤的兩巷區域。22116工作面靠近兩巷的3個過渡支架區域頂煤不放，而兩巷道由于支護的存在垮落不及時，形成漏風通道。

該區域主要集中于散熱帶和氧化帶。

2) 支架后方未放頂煤區域。為了保證回撤通道的穩定，22116工作面從距停采線10 m開始鋪網，不放頂煤。受采動影響，頂煤內裂隙發育程度高，形成漏風通道，由于煤量大，該區域煤層比采空區遺煤更易發生自燃。

該區域主要位于支架后方的氧化帶內。

3 防滅火技術

在綜合比較多種防滅火技術的基礎上，決定采用采空區封閉、兩巷注漿和采空區持續注氮的綜合防滅火措施，如圖2所示。

圖2 綜合防滅火措施示意(mm)

3.1 普瑞特防滅火技術

采用普瑞特材料對工作面采空區和兩巷進行密閉。

普瑞特是一種新型的用于封堵和防滅火的材料，該材料由兩種組分構成，主要的技術參數如表2所示。

表2 普瑞特技術參數

使用時，分別加水制成漿液后，利用三通混合到一起使用，單漿液混合后瞬時發泡，最高發泡系數可達20倍以上，制備工藝如圖3所示。與傳統的波雷因、馬麗散等材料相比，該材料在反應過程中不釋放熱量，尤其適用于自燃煤層和高瓦斯礦井的密閉和防滅火。

1—普瑞特甲料；2—普瑞特乙料；3—甲料輸送管路；4—雙液注漿泵；5—乙料輸送管路；6—三通；7—發泡裝置；8—普瑞特輸出管路

1) 采空區封閉。為保證密閉效果，在工作面傾斜方向進行全長封閉。從液壓支架兩個立柱間向采空區內打注漿孔，支架后方的鉆孔長度不得小于12 m，傾角為30°，如圖4所示。間隔布置，間距為3.0 m。

圖4 架間注漿孔布置剖面

2) 兩巷封堵。在工作面兩巷停采線以里170 m提前鋪設注漿管路，用于兩巷的密閉。在兩巷內各設置4個出漿口，間距50 m，第一個出漿口布置在停采線位置。

3.2 采空區注氮防滅火

1) 注氮量計算。按照采空區自燃“三帶”中氧化帶區域的氧氣體積分數計算注氮量，如下式所示：

式中：Q為注氮量，m3/min;C1為氧氣體積分數，取18%；C2為注氮后的氧氣濃度，取7%；Qv為漏風量，取4 m3/min；Cn為所注氮氣的濃度，取96%。

代入計算可得，所需的氮氣量為14.6 m3/min，考慮20%的富余系數，則制氮設備的產氮量不應小于1 056 m3/h，選用QTD1200/97 型固定式制氮裝置，該裝置以空氣為原料，最大注氮量可達1 200 m3/h，能夠滿足工作面防滅火要求。

2) 注氮管路布置。如圖2所示，注氮管路布置在工作面運輸巷中，從停采線以里25 m布置第一個注氮口，一共布置3個，間距為50 m。注氮管路為D114×4 mm的無縫鋼管。

3) 注氮方式。采用間歇注氮的方式，每天的注氮時間不小于16 h，如果采空區遺煤有氧化的跡象，則應連續注氮，并加大注氮量。

3.3 其他防滅火措施

1) 減風降壓。在工作面回撤期間，減少工作面的供風量，將風量由原先的3 000 m3/min降低到1 800 m3/h，由此減少采空區的漏風量，消除自然發火隱患。

2) 構筑密閉墻。在支架回撤期間，如果觀測到工作面遺煤有氧化的征兆，則應立即在兩巷施工密閉墻對工作面進行封閉。密閉墻厚度為480 mm，利用紅磚水泥砌筑兩道，間距600 mm，中間澆筑水泥漿液，頂板和兩幫各掏槽30 mm，在密閉墻上留設觀察孔和放水孔，同時預埋管道對工作面進行注氮，如圖5所示。

圖5 密閉墻剖面(mm)

3.4 效果監測

1) 人工檢測。每天早班安排專人使用便攜式儀器對工作面回采期間的CO濃度進行檢測，每隔8個支架設置1個檢測點，要求到支架后方測量數據，并做好記錄。

2) 束管監測。利用束管監測系統對回風巷中的CO濃度進行監測，整個撤架期間CO的濃度變化。當工作面回采至距離停采線30 m和20 m時，在上下兩巷中各埋設束管，固定在巷幫上，用套管保護，支架回撤期間每天取樣進行分析。結果表明，在22116工作面支架回撤期間，沒有監測到采空區遺煤的自燃發火征兆，CO濃度低于24×10-6并保持穩定，波動較小，取得了較好的防滅火效果。

4 結 語

1) 22116工作面散熱帶的范圍為工作面后方約40～50 m，氧化帶的平均寬度約為100 m，工作面之后160 m為窒息帶。

2) 停采線附近靠近兩巷的區域和工作面后方存在漏風通道，是自然發火防治的重點區域。

3) 通過采取以采空區封閉、兩巷注漿和采空區持續注氮為主的綜合防滅火措施，22116工作面在支架回撤期間未監測到發火征兆，實現了安全生產，可為類似條件下的自然發火防治提供參考。