綜放工作面停采撤架期間煤自燃防治技術研究

邢立杰，劉華，劉芬,3，王帆，權巖萍

（1.陜西郭家河煤業有限責任公司 陜西 寶雞 721500；2.西安科技大學安全科學與工程學院 陜西 西安 710054;3.江蘇能源股份有限公司陜甘分公司安全生產指揮中心 陜西 寶雞 720000；4.靖遠煤電股份有限公司紅會一礦 甘肅 白銀 730614）

0 引言

隨著我國現代綜放式開采技術和工藝的發展，綜合機械化在礦井開采中應用廣泛，采空區遺留煤量較少、工作面向前推進速度加快等逐漸發展為一種趨勢，煤炭自燃的危險性在一定程度上有所減輕[1-2]。但在綜放工作面的撤架期間，由于受到采空區遺煤、頂板管理等因素的困擾造成工作面回撤時間過長而直接導致采空區或局部地區遺煤氧化升溫，進而引發煤自燃[3]。郭家河煤礦在1803工作面停采收作過程中，出現了CO濃度超出安全范圍的現象。對于此類特殊情況，應根據現場的實際情況，通過采取局部正壓通風、封堵減漏、架間插管注凝膠、高位鉆孔灌注高分子材料等綜合性預防滅火技術和措施，提前預防采空區域內的遺煤發生自燃，確保工作面之間的支架能夠順利進行撤架工作，對相似工作面的采空區域內煤自燃早期預警與防治措施具有重大借鑒價值。

1 工作面概況

郭家河煤礦井田所處范圍位于黃隴侏羅紀煤田永隴礦區北部。1308工作面可采走向長2 280 m，傾斜長290 m，面積94.64 km2。主采3#煤，3#煤厚度0.55 m~26.83 m，平均煤厚為11.57 m，最短的自然發火周期一般為37天，為易于自燃的煤層。

2020年4月20日的日常記錄顯示，在上隅角、回風流、液壓支架架間發現CO濃度異常且呈上升趨勢。為此，安排人工每天對CO濃度較高的60#~100#、110#~145#支架架間進行重點監測，結果如圖1所示。

圖1 2020年監測的支架架間CO氣體濃度

2 CO濃度超限原因分析及治理方案

2.1 CO濃度超限原因分析

依據現場實時監測的結果可知，1308工作面在停采收作期間CO濃度超出安全范圍的主要原因如下：

（1）地質構造復雜。復雜的煤層地質條件會大大降低煤層工作面推進速度，導致煤的溫度上升，CO濃度也大幅提升。

（2）采空區遺煤較多。綜采放頂煤工作面大量頂煤遺留在采空區中，并且煤體會呈現為松散的狀態，更容易快速氧化，為煤炭的自然發火提供了條件。

（3）隅角存在漏風通道。工作面采空區冒落不密實，空隙較大，導致進入采空漏風地帶的煤柱漏風側力量相對較大，影響范圍相對較深。

2.2 治理方案確定

結合1308綜放工作面的實際情況及現有防滅火措施的特點，按照快速減少采空區漏風、隔絕采空區中的氧氣、消除采空區中的高溫等危險性區域的基本原則，確定了綜合防滅火措施。即：采用局部通風的方式，封堵采空區的上、下隅角，并借助進回風巷提前預埋好的管路來進行對采空區域的灌漿；在工作面的支架旁邊打鉆孔，向采空區域內灌注高分子膠體和三相泡沫，防止遺留煤層的氧化，消除高溫區域，并在采煤工作面的架間形成一個隔離帶；同時在高位鉆孔進行凝膠泡沫的灌注，漏風通道應進行嚴密的封堵，高溫區域應及時治理消除以防止煤自燃，對綜放工作面進行綜合治理等[4-5]。

3 防滅火技術應用

3.1 加強自燃監測預報

（1）加強對所在工作面上、下隅角、隅角束管、各個支架間的氣體安排專人進行監測，每天三班分別進行一次人工監測。

（2）對采煤工作面的架間、架頂及鉆孔內采用紅外線測溫儀來測量其工作面空間中的溫度，做好標記并繪制溫度監測曲線。

（3）使用型號為KJ-335X的安全監控系統，在線實時監控回風順槽回風流中的CO、溫度和CH4等數據。

3.2 綜合防治技術

3.2.1 實行正壓局部通風

正壓通風是綜合治理的關鍵。需要在采煤工作面的運輸巷通道處施工堆砌兩道嚴密的封堵墻，進而封堵住采煤工作面運輸巷，這樣才能有效地保證采空區在最大程度上減少漏風的情況出現。在已經構筑好的兩道密封墻中，其中有一道墻要堆砌成永久密閉型，并在墻面之上提前預留埋好注氮、注漿的管路；另一道墻則是要保證其厚度為1 m的用黃泥密封堆砌的快砌墻，要確保其嚴密不漏風。

在1308工作面的回風巷外端安裝一臺局部型的通風機（2×45 kW），一用一備，配備?800 mm的風筒以此來進行供風；在采煤工作面的平巷處要事先安裝相同規格的局部型通風機，同樣也是一備一用，保證有足夠的風量來為工作面的運輸巷提供充足的風量。在回撤過程中，調整局部通風機，確保巷道通風的穩定性，可以有效減少采空區域的CO、CH4等氣體的涌出[5]。

3.2.2 上、下隅角封堵措施

（1）減小采煤工作面的風量。在停采撤架期間，應及時降低采空區域的漏風，工作面風量應下降至1 060 m3/min左右，及時地調整工作面風的量，可根據現場對氣體測定和實際使用情況做出適當的調整，以此來防止瓦斯等有害氣體不超過安全范圍。

（2）進、回風巷隅角施工編織袋裝碎煤隔墻。工作面停采后立即在進、回風巷隅角各施工一道封堵墻，墻面噴涂艾格勞尼防火材料，同時向墻內注高分子膠體材料進行封堵，防止采空區漏風。

（3）1308工作面停采后在上、下隅角懸掛擋風簾，最大限度減少采空區漏風。

（4）工作面的支架到達停采線的位置后，在擴大架空棚期間，安排專人在后尾梁老塘側和架間縫隙處噴涂艾格勞尼，封堵煤體裂隙，減少對整個采空區的漏風。

3.3 注氮惰化

利用進風巷提前預埋注氮管路并及時地向采空區注氮，當提前預埋的注氮管路全部進入采空區10 m后，開啟1臺氮氣流量為1 200 m3/min的注氮機全天向采空區域內進行持續注入氮氣，可迅速有效地抑制遺留在采空區域內的煤進一步氧化的速度。

3.4 注高分子材料

針對郭家河煤礦1308采煤工作面停采收作期間，每五臺支架間需要向采空區域灌注一層高分子膠體材料用來封堵防止漏風。同時，對處于異常的位置，要重點加注三相泡沫和滅火劑，防止每層因氧化發生自燃。工作面支架前鉆孔位置及參數見圖2。

圖2 工作面支架前鉆孔布置及參數

3.5 高位鉆孔注漿

為防止撤架期間工作面支架頂部浮煤自燃，在撤架前提前施工高位鉆孔注漿。在工作面擴大棚的過程中，先在采煤工作面1#~50#之間每隔4架打一個專用的注漿鉆孔，50#~153#每2架架前向架后打一個注漿鉆孔，鉆孔內下DN40套管，并且每根套管的長度為2 m，使用聚氨酯材料對其開采的孔進行封堵。鉆孔參數：鉆孔深度為14.9 m~12.5 m；鉆孔傾角為10°~14°；鉆孔直徑為63 mm，架前鉆孔施工示意圖如圖3所示。

圖3 架前注漿鉆孔施工示意圖

3.6 其他防滅火措施

在實際工作中，撤走支架后，應隨時注入防滅火材料。當拆除支架時，每隔10 m的地方需要用裝碎煤的編織袋組成一堵墻，在墻體噴涂艾格勞尼材料，同時還需要進行預埋注漿管。對已經拆除支架的部位，要及時注入高分子膠體，以有效減少漏風，防止浮煤進一步被氧化。對采煤工作面的支架每架間、后尾梁上部、架后安排專業人員進行插DN15注漿管，注漿管的尾部使用1 m鋼管來進行套接，架后的尾梁將會插入長度為3 m～5 m，仰角為40°～45°的管子，架間后的立柱上方要插入仰角為70°~80°的范圍才可以（如圖4所示）。

圖4 架后頂注漿錨桿布置圖

4 應用效果

2020年4月17日至5月7日撤架期間，對工作面架間CO體積分數進行統計，其變化規律如圖5所示。

圖5 1308工作面架間CO體積分數變化曲線

由圖5可以清楚地看出，4個架間測點、進風隅角和回風隅角測點經過一系列防滅火措施，煤炭自燃情況已經得到了有效地控制。其中，60#~100#間CO數據波動較大，但整體呈現下跌趨勢，到5月3日之各測點CO數據趨勢比較穩定，降至安全范圍2.4×10-5p以下，說明煤自燃狀況已經基本得到控制。

5 結語

（1）綜放工作面停采撤架期間極易造成采空區遺煤量較多，加上撤架期間在工作面停留的時間較長、漏風較為嚴重，會導致遺煤氧化，容易使工作面CO的濃度在一定的時間內呈現上升的趨勢，影響安全回撤。

（2）工作面收作期間，必須及時、適時地對其進行通風和排水系統的調整。

（3）采空區及架后鉆孔注高分子膠體是防治自然發火的有效措施，該方法可以封堵住采空區遺留煤層的間隙，從而起到抑制煤發生自熱，迅速有效地防止煤自燃。

（4）由于采空區煤炭發生自燃所造成的發火原因相同，依據工作面現場實際情況，制定有效地預防滅火的技術措施，快速治理采空區發生自燃。