皇后煤業15105綜放工作面封閉防滅火研究

劉源遠

（山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業有限公司）

采煤理論的日趨成熟，針對特厚煤層開采的綜放技術應運而生，帶來了巨大的經濟效益。但放頂煤開采空間大，前后過渡段大量煤炭遺留到落山內，并且還存在頂板不塌、頂煤丟煤嚴重等現象，給綜放面防滅火治理工作帶來了不小的挑戰［1］。山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業有限公司（簡稱皇后煤業）初采期間出現過一氧化碳嚴重超標，采取了全方位、科學化措施啟封工作面，但采空區遺煤自燃問題一直存在。為了提高采空區安全性，以皇后煤業15105 綜放工作面末采和封閉期間防滅火為例，對工作面停采前的預防與準備、停采撤架期間和封閉后這3階段分別實施不同的安全技術措施，保障綜放面停采、回撤面、永久封閉期間的安全管理。

1 工作面概況

皇后煤業位于山西省陽泉市盂縣路家村鎮劉家村，距離盂縣縣城16.8 km，皇后煤業15105 綜放工作面所處水平為810 m，位于15#煤層南西部，工作面標高為790～820 m。煤層最大厚度為8.41 m，最小為6.3 m，平均煤厚7.51 m。總體位于單斜構造上，北高南低，傾角在3°～5°。經鑒定，15#煤吸氧量為0.72 cm3/g，自燃等級為Ⅱ級，為自燃煤層，最短自燃發火期為84 d。

本工作面初采后由于種種原因導致停產，停產后雖然采取了一些措施來避免采空區煤炭自燃，但停產時間超過4 個月，遠遠大于最短發火期，一氧化碳最高達到19 000 ppm，出現指數型增長，最后導致工作面全面封閉。礦山采取注入氮和二氧化碳等惰性氣體聯合降低各項指標，并聯合多家科研單位研討，采取氣體置換、地面塌陷填充堵漏、氣壓觀測、精準快速排放積水等措施。但多頭作業恢復生產過程中，采空區內可燃性指標氣體一直存在，并且也比以往工作面高很多，且封閉和撤除時間較長，存在再次自燃的可能性。

15105 綜放工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。該工作面采長為150 m，共布置有進風順槽、回風順槽、低位抽放巷和高抽巷4 條巷道，其中進風和回風順槽沿煤層底板布置，低位抽放巷沿煤層頂板布置，高抽巷沿12#煤層頂板布置。15105工作面回收完畢后，在15105進、回風順槽停采線附近構筑密閉設施，永久封閉此工作面。永久密閉位置如圖1所示。

2 煤炭自燃條件及采空區三帶劃分

煤炭自燃是一個復雜的過程，受到多種因素的影響。對于煤炭自燃的機理，各國學者進行了多年的探索和研究，提出了不少學說，包括黃鐵礦作用學說、細菌作用學說、酚基作用學說以及煤氧復合作用學說［2］。在上述學說中，煤氧復合學說得到了國內外大多數學者的認可。依據煤氧復合學說及煤自燃發火過程分析和實際生產經驗，認為煤自燃必須具備以下條件：①開采的煤炭本身具有低溫易氧化性能，即煤炭具有自燃傾向性，且以破碎狀態存在；②有連續的供氧條件；③有積聚氧化熱的環境，即煤炭氧化所生成熱量速度大于散熱速度；④上述3個條件同時存在，且時間大于煤炭最短自燃發火區；⑤上述4 個條件缺一不可，前3 個條件是煤炭自燃的必要條件，最后1個條件是充分條件。

按照上述煤的自燃假說，采空區一般劃分為3個區域，即散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。

（1）散熱帶。此區域內雖然有浮煤堆積，但是風速較大，能及時帶走煤氧化產生的熱量，無法滿足熱量積蓄條件。

（2）氧化帶。該區域相較于低溫不自燃帶風速較小，既能維持煤的氧化過程不斷發展，又能使生成的熱量持續積蓄，煤的溫度不斷升高，可能促使煤發生自燃。

（3）窒息帶。與前2 個帶相比，此區域內風速最小，風流中的氧濃度過低，不能維持煤的氧化，對于已經發生的自燃，也會因為缺氧而窒息。

本礦井工作面回采至末期，由于回采末期鋪網、撤設備、加強支護等原因，導致工作面推進速度放慢，容易出現煤自燃和標志性氣體涌出等情況，主要表現在上隅角以內大量一氧化碳超標，并且隨著采空區風流涌出到回風順槽和工作面，引起一氧化碳報警超限；或者容易出現落山內煤炭發熱氧化自燃的情況。主要原因有幾方面：①回采進入最后階段，首先必須調整通風和抽放系統，調整后會引起一氧化碳等氣體集聚，同時負壓流場發生變化，也會出現上隅角反風等現象；②末采期間會使用大量木梁、木柱進行鋪網和加強支護，最終埋入落山內，給煤炭自燃和木材自燃提供了條件；③本礦井目前開采煤層為15#煤，煤巖成分中絲煤結構松散，著火溫度低（190～270 ℃），具有較強的吸氧性能，這些遺煤的存在大大增加了15#煤層氧化升溫的危險性。

3 綜合防滅火措施研究

3.1 自燃的特點、發生機理和環境情況

（1）停采前工作面推進至末期，需要提前在20 m左右開始鋪網、支架頂部喂木梁和加強支護，推進速度變慢。頂煤不放導致頂部大量煤炭遺留在采空區，上下隅角由于應力分布失調，遺煤難以垮落，風流以大弧度進入采空區，引起采空區漏風量增大。

（2）撤架回收期間，設備回收和拉架道施工過程中，工作面支架停止前移，采空側煤體和上下隅角落山長時間暴露在富氧空間中，給煤炭自燃創造了條件。這期間低位抽巷滅失，工作面風量降低，使防滅火工作難度增大。

（3）封閉工作面時，由于封閉工程量大、工期間斷，往往會造成工程質量無法保證，密閉和四周煤體由于應力變化，會引起礦井全風壓系統和采空區聯通，氧氣進入已采封閉區域，同時封閉區域煤體無法完全回收，也給遺煤自燃留下隱患。

3.2 停采前防滅火措施

（1）采煤工作面回采結束后，幾個工作面密閉墻頂部留有大量頂煤，采用傳統的雙墻充填式密閉墻進行永久封閉后，由于密閉墻體及墻體周邊原始煤體受停采線集中應力影響，墻體與原始煤體接縫及原始煤體本身易出現導通裂隙，受地表氣溫及大氣壓力影響，采空區與外界巷道空間出現氣體“微循環”現象和虹吸效應，給采空區防滅火帶來嚴重的威脅。針對此情況，對工作面停采線位置進行了優化，停采后使密閉位置處于巖石頂板段，確保了密閉后墻體的密封效果，保證了采空區的防滅火安全管理。

（2）工作面開始末采鋪網階段，每天對上下隅角和采空側暴露的浮煤噴灑或灌注史達夫防滅火材料，同時盡量減少木料和易燃物品遺留在采空區。

（3）工作面推進至鋪網階段，及時降低高抽巷抽放量，工作面鋪網結束停止推進時，立即停止高抽巷和低位抽放巷抽放系統，減少了采空區的供氧，降低采空側浮煤的氧化反應。

（4）在工作面上下隅角利用堆設土袋（或砂袋），建立防火隔離墻（墻體厚度為1 m），必須接頂嚴密，減少采空區漏風。

（5）加強工作面頂板管理工作，提高支架的初撐力和支架支護質量，防止頂煤松動冒落遺留在采空區，確保工作面收面質量，以利于加快工作面回撤速度。

（6）建立完備的工作巡回制度，并嚴格落實。重點監測瓦斯濃度、CO濃度以及溫度變化情況，一旦發現氣體濃度或溫度上升等異常情況，立即向通風調度室匯報［4］。

3.3 停采撤架期間防滅火措施

（1）工作面停采后，立即根據實際情況調整工作面通風系統，保證風量處在合理區間范圍。日常加強工作面風量測定，至少每2 d 測定一次風量，并對老空區、架間、架后、回風流采集氣樣，同時對工作面泄水孔進行排查，防止向采空區漏風。

（2）工作面停止推進后，對上、下隅角利用堆設土袋（或沙袋），建立防火隔離墻（墻體厚度為1 m），同時運用快速封閉材料對架后采空側進行全工作面封閉。最大限度減少了采空側浮煤的暴露時間，同時大大降低了采空區漏風。

（3）支架回收期間，隨支架的撤除對裸露的頂、底板及煤幫噴灑新型防滅火材料（史達夫）。如發現失效或漏風處，及時噴灑新型防滅火材料進行封堵。同時停止15105綜放工作面抽放系統，減少采空區漏風，防止自燃發火。

（4）支架回收后，在砌筑永久密閉前，對采空區進行黃泥灌漿，隔斷空氣，阻止煤炭氧化，并吸熱降溫，同時黃泥漿還能增加浮煤的充填密度，減少漏風供氧［5］。

（5）利用束管監測系統對工作面瓦斯、CO 濃度、溫度進行監測。CO 測點布置如圖2 所示。同時利用比長式和便攜式檢測儀對CO 濃度進行實測，并填寫記錄表。安排專人取氣樣用色譜儀進行分析，并做好記錄工作，一旦發現異常情況必須及時匯報。連續3 d 束管檢測數據有變化，立即取氣樣送檢測公司進行氣體分析。

3.4 工作面封閉后防滅火措施

（1）在順槽密閉施工后，向封閉區注氮氣進行防滅火處理［6］。封閉初期，每天必須對封閉區進行連續注入氮氣，通過束管、取樣化驗分析等手段確認。封閉區氧氣濃度＜5%時，可間隔注氮氣。封閉期間，每周人工取樣一次，經化驗分析封閉區氧氣濃度＞10%時，立即啟動注氮系統向封閉區域注入氮氣。

（2）加強氣體監測工作。工作面封閉后1 個月內，每3 d 采集一次氣樣；工作面封閉1 個月后，氣體無異常，改為每周采集一次氣樣。

4 發生火災事故的應急處理措施

（1）火災初期，應積極組織人力、物力控制火勢，直接滅火失效時，應采取隔離滅火控制火區。

（2）將排放水管路、壓風管路改為消防管路。

（3）迅速查明災情，并組織人員及時佩帶好自救器撤出災區和受威脅地區，積極組織救護隊搶救遇難人員［7］。如果在撤退過程中遇到爆炸沖擊波與火焰襲來時，應背向沖擊波俯臥在底板或水溝內。遇到無法撤退、通路冒頂堵塞或瓦斯涌出量大、有害氣體濃度大而又無法自救時，應迅速躲進避難硐室或臨時構筑避難所等待營救。

（4）查明火災地點、范圍和發火原因，并采取防止風流紊亂、火煙侵襲、蔓延等措施，防止火災向有人員的巷道蔓延，同時切斷火區電源。

5 結語

以皇后煤業15105 綜放工作面為例，系統分析了工作面停采撤面期間防滅火措施。并根據不同階段工作面的施工特點，制定了相應的防滅火方案。防治方案中的核心點：①采空側應用新型防滅火材料全覆蓋堵漏；②停采線位置的設計，避免了密閉處頂煤松動變形帶來后期漏風自燃的隱患。闡述了發生火災事故的應急處理措施，對類似生產條件的礦井工作面停采撤面期間防滅火工作具有一定的指導意義。