綜采工作面采空區(qū)遺煤自燃防治技術(shù)研究

李永強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)泰山隆安煤礦，山西 保德 036600）

采空區(qū)遺煤自燃防治是回采工作面開采過程中的一項(xiàng)重要工作。泰山隆安煤礦11下301綜采工作面因易發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃，導(dǎo)致溫度偏高，CO濃度超限，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)，亟需研究遺煤自燃原因并采取有效防治措施。

1 工程概況

11下301綜采工作面為11號(hào)煤三采區(qū)首采工作面，上覆11上煤層遺留在采空區(qū)，且上覆為原金義煤礦和原晉豫煤礦舊小窯采空區(qū)。11下號(hào)、11上號(hào)自燃傾向性等級(jí)均為Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層。11下301工作面所采掘的11下號(hào)煤為石炭系太原組二組中部，上距11上號(hào)煤層1.57～4.73 m，平均2.41 m，煤層厚度0.81～6.91 m，平均1.95 m，煤巖層總體近南北走向，呈向西傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為2°～8°，平均4°左右。

工作面回采期間主要采取注氮和噴灑阻化劑、兩巷隅角處垛帶隔離等防治措施，但回采期間仍常發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃導(dǎo)致CO超標(biāo)現(xiàn)象，亟需研究遺煤自燃原因及有效防治措施。工作面煤層及頂?shù)装鍘r性特征見表1。

表1 煤層及頂?shù)装鍘r性物理力學(xué)參數(shù)表

2 煤層特征

2.1 煤層自燃傾向性

根據(jù)礦方委托相關(guān)資質(zhì)單位對(duì)11上、11下號(hào)煤層進(jìn)行的煤層自燃傾向性及煤塵爆炸性鑒定報(bào)告可知，礦井主采的11上、11下煤層屬自燃煤層，自燃傾向性為Ⅱ類自燃，發(fā)火期為2～3個(gè)月。

2.2 煤塵爆炸危險(xiǎn)性

根據(jù)11下煤層自燃傾向性及煤塵爆炸性鑒定報(bào)告，11下煤層火焰長(zhǎng)度大于400 mm，抑制煤塵爆炸最低巖粉量為80%，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。11下煤層自燃傾向性、爆炸危險(xiǎn)性檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 11下煤自燃性、爆炸性檢測(cè)結(jié)果

2.3 煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體

根據(jù)11下煤層低溫氧化檢測(cè)結(jié)果，煤層加速氧化的拐點(diǎn)溫度為約198 ℃，煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體為CO，臨界值6.1×10-5，且出現(xiàn)C2H4、C2H2等氣體時(shí)，則說明采空區(qū)遺煤已經(jīng)自燃，甚至出現(xiàn)明火。

3 采空區(qū)發(fā)火原因分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

（1）測(cè)點(diǎn)安設(shè)及監(jiān)測(cè)方案

為準(zhǔn)確分析工作面回采后采空區(qū)內(nèi)溫度及標(biāo)志性氣體變化情況，以此推斷采空區(qū)大致發(fā)火范圍距工作面的距離，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方式為：在工作面兩巷分別布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在上、下隅角，其余兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)向外每50 m布置一個(gè)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安設(shè)一個(gè)溫度傳感器及氣體采集器，安設(shè)位置為兩巷非回采側(cè)距巷底2 m的巷幫，并使用剛性材料保護(hù)，溫度傳感器使用監(jiān)測(cè)線連接，氣體采集器使用單芯束管連接，線、管沿途均穿過鋼管并鋪設(shè)于巷道底角處，向外延伸至人工取樣位置處。工作面回采過每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，開始每天對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行記錄，并使用氣囊通過單芯束管進(jìn)行采集并送實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。當(dāng)氧氣濃度低于4%（不具氧化燃燒性）后即可停止采集觀測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖（m）

（2）監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過對(duì)11下301工作面布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)并定期進(jìn)行溫度記錄及氣體采集、檢測(cè)后，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體濃度變化情況繪制曲線圖。部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)可能因氣管損壞數(shù)據(jù)異常，需篩選出變化正常的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)篩選后4號(hào)測(cè)點(diǎn)較為符合要求，圖2為4號(hào)測(cè)點(diǎn)各氣體變化曲線圖。

圖2 4號(hào)測(cè)點(diǎn)氣體濃度變化曲線圖

根據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度及氣體濃度檢測(cè)結(jié)果得知，多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均監(jiān)測(cè)出距工作面45 m以內(nèi)的采空區(qū)內(nèi)各標(biāo)志性氣體隨工作面回采有輕微增高趨勢(shì)，但溫度基本穩(wěn)定在35 ℃以下，表明工作面回采后，采空區(qū)45 m范圍內(nèi)遺留煤體開始氧化，但未發(fā)生自燃現(xiàn)象。距采空區(qū)45～70 m段，因采空區(qū)老頂來壓，CH4濃度增高，但溫度及其他標(biāo)志性氣體變化不大。距采空區(qū)70～85 m段，CH4濃度出現(xiàn)大幅降低，同時(shí)溫度及其他標(biāo)志性氣體濃度均呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，表明該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)遺煤處于氧化自燃狀態(tài)。由此分析可知，距回采工作面70～85 m范圍內(nèi)的采空區(qū)為煤層氧化自燃的高發(fā)區(qū)，回采期間應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該區(qū)域的遺煤自然發(fā)火防治管理。

3.2 采空區(qū)遺煤自然發(fā)火原因分析

（1）煤具有自然發(fā)火傾向性，在采空區(qū)具有一定量的遺煤及空氣條件下，易發(fā)生煤層自燃。

（2）工作面埋深650 m，埋深較深，加上工作面屬大采高工作面，回采期間頂板壓力較大，采空區(qū)頂板垮落帶高度較高，產(chǎn)生較大范圍的漏風(fēng)裂隙。

（3）工作面回采進(jìn)度快，遺煤處理不夠細(xì)致，導(dǎo)致采空區(qū)遺留煤體較多。

（4）距回采工作面70～85 m范圍內(nèi)的采空區(qū)為煤層氧化自燃的高發(fā)區(qū)，在該區(qū)域執(zhí)行防滅火措施難度較高，常因防滅火措施不到位導(dǎo)致煤層自然發(fā)火嚴(yán)重。

4 綜合防治措施及其效果

4.1 綜合防治措施

（1）安設(shè)采空區(qū)溫度傳感器及氣體采集器，每天采集采空區(qū)內(nèi)溫度及氣體濃度變化情況。

（2）加強(qiáng)回采期間采空區(qū)噴灑阻燃劑及工作面上、下隅角處垛帶封閉管理。

（3）回采期間加強(qiáng)原煤回收管理，提高原煤回采率，盡量減少采空區(qū)遺留煤量。

（4）回采期間每隔10 m從進(jìn)風(fēng)巷側(cè)沿工作面預(yù)埋一根注氮管路，管路向工作面延伸長(zhǎng)度不低于30 m，每隔10 m在注氮管兩側(cè)開一個(gè)漏氮孔。回采期間監(jiān)測(cè)到溫度或CO濃度升高的區(qū)域及時(shí)進(jìn)行注氮滅火，并根據(jù)注氮期間采空區(qū)溫度、CO及氧氣濃度變化情況控制注氮強(qiáng)度，同時(shí)要注意監(jiān)視注氮期間工作面氧氣濃度，防止氮?dú)庖绯鰧?dǎo)致工作面氧氣濃度降低現(xiàn)象。

4.2 應(yīng)用效果分析

在11下301工作面采取防治采空區(qū)遺煤自燃的綜合防治措施后，監(jiān)測(cè)距離工作面100 m范圍內(nèi)的采空區(qū)未發(fā)生溫度明顯升高，氣體采集測(cè)試結(jié)果均顯示煤層自燃標(biāo)志性氣體無明顯增加，工作面及回風(fēng)流CO濃度均在1×10-5以下，采取的綜合防治措施效果顯著，采空區(qū)遺煤自燃情況得到有效控制。

5 結(jié)論

分析了11號(hào)煤層自然發(fā)火原因，安設(shè)采空區(qū)溫度傳感器及氣體采集器來監(jiān)測(cè)采空區(qū)煤層自然發(fā)火情況，采取采空區(qū)噴灑阻燃劑及提高原煤回采率、工作面上下隅角處垛帶封閉可減少采空區(qū)漏風(fēng)、采空區(qū)注氮等措施，可有效防治采空區(qū)遺煤自燃。