潞寧礦22116工作面采空區自燃“三帶”分布及防滅火技術應用

賈春林

（山西潞安集團潞寧煤業公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業公司22116綜采工作面位于井田二二區采區中下部，上部為二二采區22114采空區，煤柱12 m，下部為二二采區22118回采工作面，西南為2號煤層采區三條下山，東北部為礦井二二采區三條下山巷道。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°，煤層結構簡單，局部含有不連續薄層炭質泥巖夾矸，工作面煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板巖層特征表

根據礦井地質資料可知，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號煤層揮發份指數為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，煤層自然發火期為80 d，現為防止工作面采空區出現自燃現象，特進行采空區自燃“三帶”分布規律的分析，并對采空區采取有效的防滅火措施。

2 采空區自燃“三帶”分布規律

根據目前規程中規定的采空區“三帶”劃分標準為：

1）基于漏風強度劃分：漏風強度>0.24 m/min時為散熱帶，漏風強度在0.24～0.1m/min時為氧化升溫帶；當漏風強度<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“三帶”劃分作業時，由于采空區內的漏風強度很難檢測到，同時結合潞寧礦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準。

為有效掌握22116工作面采空區“三帶”的分布規律，以更好的指導采空區防滅火方案的實施，在工作面輔運順槽和膠運順槽之間的密閉聯巷內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工作面采空區氣體采樣點示意圖

隨著工作面回采作業的進行，持續進行采空區內氣體的監測作業，主要監測的指標有：O2、溫度、CO、CO2及CH4，具體監測結果見表2。

表2 22116工作面采空區氣體監測數據表

根據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，采空區內大致會有0.2～0.3 m左右的遺煤，現考慮到浮煤的厚度、上限漏風強度學說，綜合確定采空區內的氧化升溫帶僅分布在進風巷和回風巷兩側，在每條巷道的寬度為7 m左右，其余區域為散熱帶和窒息帶，“三帶”分布規律見表2，具體工作面采空區的自燃“三帶”分布如圖3所示。

表3 采空區自燃“三帶”劃分數據表

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

圖2 22116工作面采空區自燃“三帶”劃分結果示意圖

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為最短自然發火期；根據式（1）中計算結果可知，工作面的極限推進速度為2.25 m/d，若連續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火的危險性；根據工作面的特征可知，工作面的循環進度0.8 m，日進6個循環，據此計算出日推進速度為4.8 m/d，遠高于規定的限值，故工作面的正常的回采推進速度下不會出現自燃現象。

3 防滅火方案及效果

3.1 方案設計

根據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域主要為工作面進風巷、回風巷采空區區域和工作面開切眼和停采線區域，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，在工作面兩側端頭支架區域的煤炭資源基本不會被開采，進而導致會在工作面開切眼和停采線的區域遺留大量的煤炭，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，進而致使采空區存在著漏風的問題，進一步增大了采空區自燃的危險性。

2）進、回風側采空區：該區域為主要的漏風通道，氧氣濃度較高，會大大增加采空區內浮煤的氧化時間，進而增大采空區自燃的危險性；另外在回風巷的上隅角區域其負壓最大，該位置采空區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，故該區域也需要加強防滅火工作。

基于上述分析結合工作面的特征，現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域防滅火，具體防滅火設計如下：

1）開切眼處防滅火：在工作面開切眼區域采用注膠防滅火，本次注膠材料采用質量70%的膨潤土和30%的羧甲基纖維素鈉調配而成，該膠結材料具有懸浮效果好、穩定性好的特征。在注膠作業開始前，為防止工作面回采后兩回采巷道冒落不實導致膠體泄露，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，如圖3所示。

圖3 采空區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巷與運輸巷頂部的中間，2號鉆孔布置與運輸巷與回風內3m的位置。在進行注膠作業時，根據工程經驗[5-6]取注膠長度為10 m，布置兩側隔離墻的厚度為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，分別在工作面進風巷和回風巷區域堆架3 m的砂袋墻體，實現對未垮落巷道的封堵，在工作面推過砂袋墻一端距離后，待工作面進風巷端頭垮落袋與砂袋墻充分接觸后進行注膠作業；在工作面進風巷和回風巷采空區側的堵漏隔離墻內壓注復合膠體以形成隔離帶；工作面回風巷內的注膠作業隨著回采的進行持續進行。

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內堆積砂袋進行隔離和堵漏，并在停采線處打設鉆孔向采空區內注入膠體材料，以在停采線區域形成膠體隔離帶。

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測系統進行采空區內CO濃度監測，根據監測數據得出CO濃度曲線如圖5所示。

圖5 采空區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的進行，采空區內的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，采空區內各項氣體含量均在合理范圍內，未出現自燃現象。

4 結論

根據22116工作面地質條件，通過現場采樣測試的方式進行采空區自燃“三帶”分布規律的分析，基于分析結果設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，實施后的監測分析可知，注膠防滅火效果顯著，無自燃現象出現。