大傾角工作面回撤期間防滅火技術研究與應用

王健健，牛軍強，石 凱

(陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司，陜西 西安 710000)

甘肅省中部某礦煤層傾角在38～ 49°之間，該礦自2002年10月大傾角綜放試驗以來，取得了長足發展，單產由原來3.8萬t/月逐步達到10萬t/月，年產量由原來50萬t/a達到300萬t/a左右，使該礦小群井型的礦井逐步進行合并改造為集團的大型礦。進一步提高產能、提高工效，特別是近年來該礦為大傾角綜放安全技術積累了豐富的科學技術經驗和管理經驗，為西北煤田煤層傾角在38～ 49°之間進行大傾角綜放技術開辟了一條道路[1]。綜放工作面在回采結束撤架期間，停采時間長，煤體破碎范圍大，采空區遺煤多，加之工作面機械設備拆卸運輸、頂板垮落，使得撤架期間通風不穩定，漏風復雜，大幅增加了撤架工作面的煤炭自燃危險性[2-3]。在易自然發火礦井綜放面撤架期間,由于支架體積大、噸位大、設備多、拆除周期較長,加之采空區遺煤多、漏風大 ,因此極易造成采空區遺煤自然發火[4-7]。因此,研究綜放面撤架期間自然發火原因、特點以及合理有效的防滅火技術，對于保證設備安全拆除、人員安全以及綜放開采技術推廣均有十分重要的意義[8-9]。筆者針對該礦大傾角綜放工作面撤架期間的綜合防滅火方法進行了實踐技術研究，取得了較好的應用效果。

1 概 況

該井田含煤4層，主采煤層為二號煤層與四號煤層，呈光澤、多帶狀結構，有一定的黃鐵礦填于煤層之間，以半暗煤為主，半亮煤次之，有亮煤條帶，多為低灰、低硫、低磷、發熱量較高的優質動力用煤。開采煤層傾角38～49°，平均43.5°，煤層厚度在8.5～18 m之間，為典型的大傾角厚煤層。現開采的大傾角綜放工作面屬四號煤層，單斜構造，煤層為黑色，瀝青光澤，條帶狀結構，以半暗煤為主半亮煤次之。煤層普氏系數約為1.0，煤層裂隙發育程度2類，工作面巷道按走向長壁一次采全高布置。

2 自然發火原因分析

綜放工作面回撤期間由于受諸多因素影響，使得自然發火的幾率大大增加[10]。該礦某大傾角工作面停采前推進速度緩慢，自掛雙網開始，距停采線還有約10 m時，回風流有CO超限，且濃度持續升高趨勢，最高值達到268×10-6，回風隅角達到1 086×10-6，圓弧段架后也有CO且達到20×10-6～60×10-6，采空區遺煤已經氧化自燃到相當嚴重的程度，防火形勢不容樂觀。

根據大傾角綜放工作面地質條件以及巷道布置等因素，分析造成自燃原因有以下幾點。

2.1 煤層自然發火期短

依據以前開采經驗及自然發火鑒定，該礦為Ⅰ類自然發火礦井，四號煤層自然發火期 3～5 個月，最短發火期為28 d，煤的爆炸指數為 36.33%，加之受周邊小煤礦越界開采破壞，大傾角綜放工作面的防滅火技術尤為關鍵。大傾角綜放工作面回撤分三個階段：準備期、回撤期和封閉期，該工作面回撤所用時間長達70 d，在此期間工作面采空區“三帶”不再前移，采空區氧化帶內的遺留浮煤具有通風供氧儲熱周期長的特點，極易發生自然火災。

2.2 特殊的巷道布置

大傾角綜放工作面的兩個巷道和切眼呈“U”型后退式布置，回風巷沿煤層的底板布置。為確保底板三角區的煤炭回收，破1/3巖進行施工，運輸巷距煤層頂板5～6 m沿煤層頂板走向布置，切眼布置在運輸巷末端，偽斜夾角95°，施工圓弧段見煤層底板，沿煤層底板布置與回風巷貫通，形成大傾角綜放工作面巷道布置。綜放工作面風流從運輸巷進入工作面時由于“喇叭口”效應，容易造成采空區漏風入口附近擴散段的浮煤發生自燃和自然發火，由于措施的局限性，下段支架頂部浮煤更易自燃[11]。大傾角綜放工作面圓弧段放頂煤時，架后遺煤多，且不易清理，為架后浮煤的氧化自燃創造了先天性條件。

2.3 地質構造復雜

大傾角工作面煤層傾角大，平均為43.5°；煤層厚度厚，煤厚在8.5～18 m之間；開采深度深，煤層賦存深度達到600 m。回采過程中，由于受周邊小窯肆意超層越界破壞性開采和為防止礦壓顯現，本工作面與上分層工作面之間所留煤柱過窄等因素的影響，以致工作面回采過程中，上隅角及采空區放煤通道曾多次出現CO有害氣體濃度超限現象。加之大傾角綜采放頂煤工作面回采率低，特別是回撤通道附近，1號過渡架至12號基本架間的圓弧段留有大量的頂煤，頂煤呈破碎狀態，形成空隙，在支架后部又不容易被壓實，采空區風流流過破碎煤體，為自然發火提供充足的氧氣，增大了煤與氧結合的機會，易造成煤體氧化。且隨著礦井開采深度的增加，沖擊地壓顯現嚴重、煤體松散度增加以及圍巖溫度的不斷升高，導致煤層自然發火期變短。這些因素都使自燃危險性加劇，增加了自然發火的危險性。

2.4 回撤周期長

工作面做回撤通道，回撤、封閉所需時間長，煤體破碎范圍大、采空區遺煤多、工作面及兩道壓力大，工作面從做回撤通道至封閉至少需要2個月，架后采空區氧化帶內的煤體以及支架頂部破碎煤體揭露時間超過4個月，浮煤緩慢氧化，積聚的熱量又不能及時被風流帶走，煤體溫度逐漸升高，很容易發生自燃，是最大的發火隱患點。

2.5 撤架期間風流不穩定

撤架期間風流不穩定，漏風復雜，工作面下端頭架支護段放頂煤不充分和工作面兩道不能放頂煤，全部舍棄在采空區內，工作面兩道頂板和左、右幫有錨索和錨桿支護，垮落不完全，形成較大的漏風條帶通道，直接與采空區深部相連，浮煤多、垮落塊度大，更不容易壓實，漏風更為暢通，漏風經過采空區時空氣便進入這些空隙，使煤的表面與空氣中的氧進行緩慢氧化，生成熱量，使得煤體進入窒息帶的時間較長，在工作面回撤過程中，當自燃條件具備時，就會發生自燃。

綜上，既要確保在盡可能短的時間內撤出所有機械設備，并完成采空區的封閉，又要保證在工作面回撤期間不能出現自然發火事故，這就增加了工作面停采回撤期間防火工作的技術難度，這是本項目研究的意義所在。

3 綜合防滅火措施的應用

針對大傾角綜放面發火點位置難以確定的特點和煤層自燃原因的分析，阻止煤與氧結合是不可能的，只能是減少煤與氧結合的機會，延緩煤層的發火周期。

3.1 減少采空區漏風的措施

3.1.1 上下隅角砌墻堵漏

在工作面上下隅角切頂線處每隔6 m打1道擋風墻，規格為寬2 m，長5 m，用快砌料(或MEA封堵劑)加碎煤砌筑，減少上下隅角漏風。材料配比為煤∶砌料(FSA)∶水=20 kg∶3 kg∶15 kg(擋風墻的構筑如圖1所示)。

圖1 大傾角綜放面上下隅角構筑擋風墻及預埋灌漿、注氮管路示意

3.1.2 在工作面架頂鋪設風筒布

工作面在回撤掛雙網時，沿工作面傾斜方向自機道下幫至20號基本架頂段鋪設風筒布，風筒布鋪設長度不得少于30 m，寬度與所掛雙網寬度相同，鋪設的風筒布前后必須連接，且搭接不少于10 cm,使風筒布充分包裹架頂煤體直至切頂線壓實，形成工作面與采空區的隔離帶，增強堵漏效果，減少采空區漏風。

3.1.3 選擇合理的配風量和通風方式

選擇撤架期間的合理通風方法要考慮的因素有:工作空間的一定范圍內煤體破碎，遺煤的壓實程度低，漏風通道多，漏風難以控制[12]。工作面收尾回撤期間，由于設備的拆卸、運輸，使得風流通道風阻變化大，容易造成通風不穩定，擴大漏風范圍,另外，防火需要配風量盡量低，同時要利于抑制采空區氣體的涌出[13]。為盡量減少采空區漏風的強度,在滿足稀釋采煤工作面瓦斯和機電設備散熱量的前提下,停采后將工作面的供風量由原來的596 m3/min左右, 減少為300 m3/min左右。并且隨著支架的撤出,停采面風量將會逐步減少,全風壓風量減少到200 m3/min左右，以確保工作面回撤期間風量、風流、壓力的相對平衡穩定。

3.2 采空區注氮防滅火措施

在工作面未封閉的情況下對采空區進行注氮，需要注意控制好采空區注氮點的漏風通道，防止注入氮氣大量被工作面風流排走。氮氣防滅火技術是防治煤層內因火災的有效技術措施之一。該礦始終將氮氣防滅火技術作為主要防滅火手段。該礦地面工業廣場建有固定制氮廠，注氮設備采用DQ600N2M3/h、KGZD1000型制氮機，選用D108 mm鋼管作為輸氮管路，在工作面沿運輸平巷向采空區埋設兩趟D50 mm鋼管作為注氮管，其中一趟注氮管路再出氮口滯后切頂線25 m處，另一趟注氮口滯后切頂線20 m處，實行24 h不間斷注氮，確保N2濃度不低于98%.現場采用加大埋管長度、做好兩端頭放頂工作、控制工作面風流壓力等方法，在現場取得了較好的效果，有效抑制了采空區的煤層自燃，給工作面的回撤創造了有利的條件。

3.3 采空區灌漿防滅火措施

3.3.1 預埋管路灌漿

工作面回風巷向采空區預埋兩趟灌漿管路，其中一趟灌漿管路出漿口滯后切頂線不小于10 m，一趟灌漿管路出漿口滯后切頂線不小于15 m。工作面停采時進行注漿防滅火工作，在地面制漿站灌漿期間，在泥漿中添加CaCL2阻化劑，其配比不小于15%.

3.3.2 工作面網管式灑漿

采后,工作面支架頂部及前、后部煤層由于受壓力影響比較易破碎, 且與空氣的接觸面積比較大,接觸時間也較長, 因此存在自然發火隱患。為防止這一情況的發生,根據工作面停采線平剖面圖，在工作面完善一趟注、灑漿管路系統，每隔10 m設置1組分漿器，每組分漿器不少于3個出漿口，在每2個支架的間隙按前、中、后方式施工高低不同的3個防火孔，鉆孔深度分別為3～6 m，利用這些鉆孔實施間斷性循環注、灑漿來充分濕潤包裹架后浮煤，防止浮煤自燃(架間鉆孔布置如圖2所示)。

圖2 大傾角綜放面停采后架間及架后采空區防滅火鉆孔示意

3.3.3 高位鉆孔注漿

根據架前頂煤的破碎狀況,在回撤通道內分段(1號過渡架～25號基本架段)從支架前、架間向架頂及采空區方向補打了一部分鉆孔, 傾角為15～40°,鉆孔深度為10～30 m；同時，在工作面兩道煤幫線以外10 m處，分別向架后采空區施工了3個呈扇形布置的高位鉆孔，鉆孔傾角為20～45°，鉆孔深度為20～50 m(回撤通道鉆孔布置如圖3 所示)。

圖3 大傾角綜放面撤架期間防滅火施工鉆孔示意

3.4 建立預測預報系統

加強工作面有害氣體、溫度的觀測和監測，利用監測監控系統,重點對工作面回風流及回風隅角中自燃指標氣體CO的變化情況進行全天候連續不間斷監測,一旦風流中CO超限并呈上升趨勢，就立即對探頭進風側區域進行普查。同時，利用KSS-200束管監測系統對回撤面進行定期取樣化驗分析, 安設兩條束管， 一個設在回風巷距離工作面上出口10 m處，一個插在6分鋼管內,安設在工作面上口第二個支架后深 3.5 m處，進行火災預測預報和分析。

3.5 封閉后的自燃防治措施

工作面撤架工作完成后，運輸巷、回風巷停采線10 m范圍內及運輸巷溜煤眼頂、幫完好的地點，盡快按照設計要求從里往外順序構筑密閉，在最短時間內將工作面同時封閉，充填黃土，注漿接頂。永久密閉嚴格按照永久密閉施工質量標準進行，所有永久密閉的材料均為料石， 所有的永久密閉在施工過程中，必須見硬頂、硬幫、硬底，與煤巖體接實，并掏槽，工作面外圍密閉均需留設三管一柱。以某大傾角綜放面為例，封閉工程示意如圖4所示。

圖4 大傾角綜放面封閉工程示意

4 關于瓦斯與煤自燃共生，采用新技術、新方法等方面的建議

1) 礦井瓦斯災害、煤自燃災害具有各自相對獨立的防控體系，由于兩種災害各自的特征不同，雖然防控基本思路具有共同點，但兩種災害的防控理論和技術卻存在著顯著差異，甚至瓦斯治理過程中的“抽排”與煤自燃防治的“堵漏”存在對立矛盾性[14]。大傾角綜放工作面回采期間，回風隅角時有瓦斯積聚現象，如在撤架期間防治瓦斯積聚措施，必須要有利于防滅火工作的進展，二者要兼顧兼得。

2) 實施工作面網管式灑漿和高位鉆孔注漿措施時，應推廣應用防滅火新技術、方法，如充填三相泡沫膠體凝膠、高分子防滅火劑材料等，更好地防治采空區浮煤氧化蓄熱。

3) 加強組織協調，盡最大可能提高大傾角綜放工作面設備回撤速度，盡量縮短設備拆除時間。

5 結 語

通過上述大傾角綜放面回撤期間各項綜合防滅火技術的應用，分析得出：

1) 大傾角綜放工作面撤架極易造成采空區遺煤的自燃, 研究此期間自然發火原因、特點以及合理有效的防滅火技術意義重大。

2) 高度重視綜放面末采回撤階段防滅火工作，有效落實末采及回撤階段防滅火措施，是預防自然發火、延緩煤炭自燃速度的關鍵。

3) 對于綜放工作面而言，合理組織協調回撤工作，加快回撤速度，才是防止煤炭自燃的根本[15]。

4) 通過綜合措施的實施，有效地防止了大傾角綜放面回撤期間采空區自然發火，實現了大傾角綜放面的順利回撤，杜絕了瓦斯、火災事故的發生，此項技術在該礦的成功應用取得了較好的經濟效益和社會效益，值得其他礦井推廣應用。