沿空留巷工作面采空區綜合防滅火技術研究

米永信

（山西焦煤汾西礦業集團正新煤焦有限責任公司和善煤礦， 山西 沁源 046500）

煤層自燃會給井下作業安全帶來嚴重威脅，根據有關統計結果，現階段國內正常生產的礦井中約有56%回采的煤層具有自燃發火問題[1-2]。為了防止開采的煤炭自燃，眾多的研究學者對防滅火技術展開研究，主要技術類型包括有采空區注水、均壓通風、噴灑阻化劑、注凝膠、注氮以及三相泡沫等措施[3-6]。礦井開采過程中通過采取上述防滅火技術措施有效降低了煤層自燃影響。隨著沿空留巷技術應用推廣，礦井采掘接替緊張局面得到一定程度緩解，但是回采工作面采空區漏風率以及漏風強度有所增加，在一定程度上加劇了采空區遺煤自燃發火危險性[6]。為此，文中以山西某礦1506 綜采工作面為工程實例，對沿空留巷工作面采空區綜合防滅火技術研究，以期在一定程度上提高礦井安全生產保障能力。

1 工程概況

山西某礦井田面積約為36 km2，礦井核定生產能力為1.8 Mt/a，主要開采煤層有2 號、3 號、5 號、7號、11 號等，采用斜井、平硐開拓方式，現階段生產主要集中在+800 m、+600 m 水平。礦井采用混合式通風方式。井田開采區域內水文地質條件較為復雜，生產期間正常涌水量介于356～423 m3/h 間。

1506 綜采工作面開采5 號煤層，采用切頂卸壓沿空留巷方式保留有回風巷，采面走向、傾向平均長度分別為1 658 m、186 m，采用Y 型通風方式，通風量正常為1 780 m3/min。回采的5 號煤層厚度平均3.5 m，頂底板巖性以砂質泥巖、粉砂巖為主，煤層自燃發火周期介于96～180 d。采面開采范圍內地質條件較為復雜，其中DF21 斷層（H=2.1～3.9 m，52°<67°）對1506 綜采工作面正常回采有較大影響。

2 沿空留巷工作面采空區遺煤自燃發火風險分析

采空區內遺煤自燃需要滿足遺煤具有自燃發火傾向性；煤體呈現破碎堆積態；有持續的氧化環境（供氧條件）。1506 綜采工作面回采的5 號煤層自燃發火傾向性為II 類、自燃發火期最短為96 d；采面采用切頂卸壓留巷方式，通風方式為Y 型，采空區內漏風范圍較大、漏風強度較高，從而采空區內遺煤提供持續的氧化環境；采面在回采過程中受到地質構造、煤炭回采等因素影響，采空區內遺留有大量的煤炭。通過上述因素分析可知，1506 綜采工作面采空區內遺煤存在一定的自燃發火風險，需要針對性采取防滅火技術措施，以便為采面回采創造相對安全環境。

3 綜合防滅火技術

3.1 采空區遺煤自燃發火危險性預測

在1506 綜采工作面鄰近的1502 采空區布置防火觀測點，采取定期取樣、人工檢查方式對采空區內氣體成分進行測定；在1506 工作面液壓支架架擋位置、回風上隅角位置、留巷側位置等均布置防火觀測點，其中在留巷側位置布置的防火觀測點間隔為60 m，對各個觀測點進行定期取樣分析、人工檢查。當發現采空區內有自燃發火標志性氣體時，應立即采取措施對采空區遺煤自燃發火進行治理。

3.2 采空區漏風封堵技術

在采面回采前即對留巷側煤柱進行注漿加固，每隔10 m 布置一個注漿鉆孔，注漿漿液選擇封堵效果好的高分子化學漿液。在1506 進風側密閉墻以及巷道頂底板、巷幫等進行噴漿堵漏，從而減少巷道漏風量。隨著1506 綜采工作面不斷推進，采面底抽巷與采空區間形成貫通的漏風裂隙，會增加采空區漏風，為此，封閉采面下部用以瓦斯抽采的底抽巷，以便隔絕漏風通道。

合理優化采面供風量，在1506 綜采工作面正常回采期間，在留巷段位置布置側風點對不同風量下采空區漏風范圍、漏風強度等進行現場實測，結果發現工作面供風量控制在1 500 m3/min，其中機巷、風巷風量分別控制在1 100 m3/min、400 m3/min 時通風不僅可滿足采面生產需要，而且采空區漏風較小。為此，將采面供風量由1 780 m3/min 降低至1 500 m3/min。

3.3 采空區灌漿技術

通過地面東風井灌漿站對1506 綜采工作面采空區進行集中灌漿。在1506 工作面風巷內布置一趟集中灌漿管路，并在留巷側使用Φ50 mm 灌漿管在采空區內每隔30 m 布置一個灌漿孔用以對采空區循環灌漿，具體采面灌漿系統布置見圖1 所示。

圖1 采面灌漿系統布置圖

在1506 綜采工作面初采期間由于采空區內遺煤量較多，通過循環灌漿方式進行遺煤防滅火，初采期間灌漿量累積達到2.10×104m3；采面回采至DF21 斷層位置時，受斷層影響采面推進速度緩慢、采空區內遺煤量顯著增加且遺煤破碎，為此，在此期間增加黃泥漿灌注量，期間共計灌注黃泥漿約2.18×104m3。

3.4 采空區灌注化學阻燃材料

根據井下巷道布置層位關系并減少灌注化學阻燃材料給采面煤炭回采影響，提出在東翼3 號煤層瓦斯抽采巷內施工鉆孔，通過鉆孔向1506 綜采工作面采空區灌注化學阻燃材料。布置的鉆孔沿著采面傾向布置，鉆孔間距為300 m、共計布置4 組、每組包含4 個灌注鉆孔。通過灌注鉆孔向采空區內灌注史達夫化學阻燃材料，從而在采空區內形成隔離條件。在1506 綜采工作面回采期間共計注入史達夫化學阻燃材料約62 t。

3.5 其他防滅火技術

在1506 綜采工作面回采期間向煤壁以及頂底板遺煤等位置噴灑阻化劑；采面適當增加推進速度等方式盡快將采空區內遺煤進入到窒息帶。在留巷段內對部分漏風較大區域適用高水充填材料構成密封墻體，減少采空區內漏風量。

4 現場應用效果分析

在采面留巷段位置布置測點對采空區內自燃發火氣體成分進行測定，其中在采面回采初期布置1 號測點，在過DF21 斷層期間布置2 號測點，具體各測點監測到的采空區內CO 濃度（質量分數）情況見圖2 所示。

圖2 采空區內CO 濃度監測結果

從監測結果看出，采面在初采期間、過DF21 斷層采空區CO 濃度（質量分數）均控制在15×10-6以內，取得較好采空區遺煤防滅火效果。

5 結論

1）1506 綜采工作面采用切頂卸壓留巷技術將采面風巷保留下來為鄰近的1508 工作面生產服務，同時采面由傳統的U 型通風方式轉換成Y 型。受開采的5 號煤層具有自燃發火傾向性、采空區漏風量較大以及采空區內遺煤量較多等因素影響，工作面采空區遺煤存在一定自燃發火風險，給采面回采安全帶來一定威脅。

2）提出采用監測手段對采空區內自燃發火標志性氣體進行監測，并提出降低采空區漏風、灌漿以及灌注化學材料為主的綜合防滅火措施，并輔助采用噴灑阻化劑、減少采空區遺煤以及適當增加采面推進速度等防滅火措施。現場應用后，采面回采初期以及過DF21 斷層期間采空區內CO 濃度（質量分數）均控制在15×10-6以內，采面正常回采期間采空區內基本監測不到CO，現場使用的綜合防滅火技術取得較好應用效果。