潞寧礦22116工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布及防滅火技術(shù)應(yīng)用

賈春林

（山西潞安集團潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業(yè)公司22116綜采工作面位于井田二二區(qū)采區(qū)中下部，上部為二二采區(qū)22114采空區(qū)，煤柱12 m，下部為二二采區(qū)22118回采工作面，西南為2號煤層采區(qū)三條下山，東北部為礦井二二采區(qū)三條下山巷道。22116工作面開采2號煤層，煤層平均厚度3.5 m，平均傾角4.5°，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部含有不連續(xù)薄層炭質(zhì)泥巖夾矸，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r層特征表

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，22116工作面回采期間瓦斯絕對涌出量為8.45 m3/min（取相鄰工作面回采期間最大值），相對涌出量為2.74 m3/t，2號煤層揮發(fā)份指數(shù)為38.5%,火焰長度為400 mm，水份、灰份較低，煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，煤層自然發(fā)火期為80 d，現(xiàn)為防止工作面采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，特進行采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律的分析，并對采空區(qū)采取有效的防滅火措施。

2 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

根據(jù)目前規(guī)程中規(guī)定的采空區(qū)“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)為：

1）基于漏風(fēng)強度劃分：漏風(fēng)強度>0.24 m/min時為散熱帶，漏風(fēng)強度在0.24～0.1m/min時為氧化升溫帶；當(dāng)漏風(fēng)強度<0.1 m/min時為窒息帶。

2）基于氧氣濃度劃分：氧氣濃度>18%時為散熱帶，氧氣濃度在10%～18%時為窒息帶，氧氣濃度<10%時為窒息帶。

目前在進行采空區(qū)“三帶”劃分作業(yè)時，由于采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)強度很難檢測到，同時結(jié)合潞寧礦2號煤層屬于易自燃中厚煤層的特點，并參考國內(nèi)眾多相似工程背景礦井的特點[1-2]，確定以氧氣濃度作為三帶的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

為有效掌握22116工作面采空區(qū)“三帶”的分布規(guī)律，以更好的指導(dǎo)采空區(qū)防滅火方案的實施，在工作面輔運順槽和膠運順槽之間的密閉聯(lián)巷內(nèi)布置氣體采樣觀測孔，具體采樣地點位置如圖1所示。

圖1 22116工作面采空區(qū)氣體采樣點示意圖

隨著工作面回采作業(yè)的進行，持續(xù)進行采空區(qū)內(nèi)氣體的監(jiān)測作業(yè)，主要監(jiān)測的指標(biāo)有：O2、溫度、CO、CO2及CH4，具體監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 22116工作面采空區(qū)氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)表

根據(jù)22116工作面的特征及所采2號煤層的厚度（平均厚度為3.5 m），采用綜合機械化開采方法進行回采作業(yè)，采空區(qū)內(nèi)大致會有0.2～0.3 m左右的遺煤，現(xiàn)考慮到浮煤的厚度、上限漏風(fēng)強度學(xué)說，綜合確定采空區(qū)內(nèi)的氧化升溫帶僅分布在進風(fēng)巷和回風(fēng)巷兩側(cè)，在每條巷道的寬度為7 m左右，其余區(qū)域為散熱帶和窒息帶，“三帶”分布規(guī)律見表2，具體工作面采空區(qū)的自燃“三帶”分布如圖3所示。

表3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分?jǐn)?shù)據(jù)表

根據(jù)上述劃分結(jié)果可知，采空區(qū)氧化升溫帶的最大值為180 m，根據(jù)2號煤層的最短自然發(fā)火期為80 d，基于此可計算出工作面的極限推進速度為：

圖2 22116工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果示意圖

式中：v為工作面的極限推進速度；Lmax為氧化升溫帶的最大寬度；τmin為最短自然發(fā)火期；根據(jù)式（1）中計算結(jié)果可知，工作面的極限推進速度為2.25 m/d，若連續(xù)80 d工作面的回采推進速度小于2.25 m/d，此時工作面將存在著自然發(fā)火的危險性；根據(jù)工作面的特征可知，工作面的循環(huán)進度0.8 m，日進6個循環(huán)，據(jù)此計算出日推進速度為4.8 m/d，遠(yuǎn)高于規(guī)定的限值，故工作面的正常的回采推進速度下不會出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

3 防滅火方案及效果

3.1 方案設(shè)計

根據(jù)眾多理論研究和工程實踐表明[3-4]，工作面回采期間防滅火重點區(qū)域主要為工作面進風(fēng)巷、回風(fēng)巷采空區(qū)區(qū)域和工作面開切眼和停采線區(qū)域，具體這2處危險性較大的因素主要為：

1）工作面開切眼和停采線處：由于工作面屬于開采的煤層屬于中厚煤層，在工作面兩側(cè)端頭支架區(qū)域的煤炭資源基本不會被開采，進而導(dǎo)致會在工作面開切眼和停采線的區(qū)域遺留大量的煤炭，為遺煤的自燃留下了隱患，另外由于工作面開切眼的斷面相對較大，在礦山壓力作用下煤體易被壓裂破碎，進而致使采空區(qū)存在著漏風(fēng)的問題，進一步增大了采空區(qū)自燃的危險性。

2）進、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)：該區(qū)域為主要的漏風(fēng)通道，氧氣濃度較高，會大大增加采空區(qū)內(nèi)浮煤的氧化時間，進而增大采空區(qū)自燃的危險性；另外在回風(fēng)巷的上隅角區(qū)域其負(fù)壓最大，該位置采空區(qū)深部存在著較大的作用下，會有效的延長浮煤進入窒息帶的時間，故該區(qū)域也需要加強防滅火工作。

基于上述分析結(jié)合工作面的特征，現(xiàn)將工作面回采期間的防滅火工作劃分為3個階段，分別為開切眼處防滅火、正常回采期間防滅火和停采線區(qū)域防滅火，具體防滅火設(shè)計如下：

1）開切眼處防滅火：在工作面開切眼區(qū)域采用注膠防滅火，本次注膠材料采用質(zhì)量70%的膨潤土和30%的羧甲基纖維素鈉調(diào)配而成，該膠結(jié)材料具有懸浮效果好、穩(wěn)定性好的特征。在注膠作業(yè)開始前，為防止工作面回采后兩回采巷道冒落不實導(dǎo)致膠體泄露，先在工作面兩端頭沿走向方向充填厚度為3 m左右的沙袋，直至沙袋接頂，再通過注膠鉆孔進行注膠作業(yè)，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)兩道沙袋充填示意圖

工作面回采過程中，在工作面兩端頭的位置向采空區(qū)頂部各布置2個注膠鉆孔，鉆孔的終孔位置位于煤層頂部，距離工作面之間的水平距離為6 m，其中1號注膠鉆孔布置與回風(fēng)巷與運輸巷頂部的中間，2號鉆孔布置與運輸巷與回風(fēng)內(nèi)3m的位置。在進行注膠作業(yè)時，根據(jù)工程經(jīng)驗[5-6]取注膠長度為10 m，布置兩側(cè)隔離墻的厚度為5 m，注膠時間在工作面距離開切眼10 m時開始，具體注膠范圍及區(qū)域如圖4所示。

圖4 工作面注膠范圍示意圖

2）正常回采期間防滅火：在工作面每推進60～100 m，分別在工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷區(qū)域堆架3 m的砂袋墻體，實現(xiàn)對未垮落巷道的封堵，在工作面推過砂袋墻一端距離后，待工作面進風(fēng)巷端頭垮落袋與砂袋墻充分接觸后進行注膠作業(yè)；在工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)的堵漏隔離墻內(nèi)壓注復(fù)合膠體以形成隔離帶；工作面回風(fēng)巷內(nèi)的注膠作業(yè)隨著回采的進行持續(xù)進行。

3）停采線注膠：在工作面回采至接近停采線時，此時在兩順槽后方采空區(qū)內(nèi)堆積砂袋進行隔離和堵漏，并在停采線處打設(shè)鉆孔向采空區(qū)內(nèi)注入膠體材料，以在停采線區(qū)域形成膠體隔離帶。

3.2 效果分析

為驗證分析22116工作面注膠防滅火效果，在回采期間采用束管監(jiān)測系統(tǒng)進行采空區(qū)內(nèi)CO濃度監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)得出CO濃度曲線如圖5所示。

圖5 采空區(qū)CO濃度曲線圖

分析圖5可知，工作面在采用注膠防滅火后，隨著工作面回采作業(yè)的進行，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度始終處于較低的水平，CO含量在4～18×10-6之間，工作面回采推進過程中，采空區(qū)內(nèi)各項氣體含量均在合理范圍內(nèi)，未出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)22116工作面地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場采樣測試的方式進行采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律的分析，基于分析結(jié)果設(shè)計工作面防滅火方案劃分為開切眼處、正常回采期間和停采線處，實施后的監(jiān)測分析可知，注膠防滅火效果顯著，無自燃現(xiàn)象出現(xiàn)。