厚煤層工作面采空區自燃“三帶”分析與防治技術

楊 陽

(晉能控股集團 晉城煤炭事業部晉圣公司，山西 晉城 048006)

煤自燃火災是制約煤礦安全生產的主要災害之一，其中采空區自燃火災占比大。煤礦火災的60%為采空區自然發火，中厚以下煤層采空區自燃次數占采空區發火總數的16%，厚煤層和特厚煤層的采空區自燃火災次數占采空區發火總數的84%[1].為此，對厚煤層工作面采空區自燃“三帶”分析并提出合理的防治技術尤為重要[2-3].智國軍等[4]研究指出根據煤巖體孔隙率劃分的自然堆積區、載荷影響區和壓實穩定區，分別與采空區自燃“三帶”散熱帶、氧化帶及窒息帶呈一定程度對應關系；陳慶豐[5]針對撤架期間采空區松散煤體的自燃特性，提出采空區保壓控氧、注氮注漿聯合減氧降溫、高低位鉆孔注漿靶向治理發熱條帶等綜合防滅火技術措施。本文以某礦3801工作面為工程背景，采用現場測定方法對采空區自燃“三帶”進行了分析，并給出了采空區自燃防治方法，以期為該礦工作面安全生產提供借鑒與指導。

1 工程概況

某煤礦主采3#煤層3801工作面，工作面標高為+954.6～+972.3 m，走向長度 815.23 m，傾向長度 237.72 m，煤層平均傾角5°，平均厚度5.3 m，采用大采高綜合機械化采煤工藝，工作面北為38采區回風巷，南為井田邊界，西為物探成果采空區和小窯破壞區，東為35采區回風巷。煤層頂底板情況見表1.

表1 煤層頂底板情況表

3801工作面隨著回采作業的進行，頂板垮落情況良好，不存在大規模懸頂情況，采空區后方較嚴實，有利于減小采空區的漏風，通風方式為“U”型通風，工作面配風量 1 853 m3/min.

2 3801工作面采空區自燃“三帶”確定方法

2.1 現場測定方法

采空區自燃“三帶”主要包括散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。隨著工作面回采作業的進行，“三帶”范圍隨之發生變化。為此，判斷采空區遺煤自燃發生的可能性，需對其采空區內部氧氣濃度進行測定，通過現場氣體抽測，將采集到的氣體利用氣相色譜儀進行分析。

2.2 測點布置方式

測點布置見圖1，采空區內氣體主要沿走向變化，沿傾斜方向略有變化。在采空區進、回風側埋設取樣管路布置測點1、2，取樣管路采用束管，束管的外部采用d50 mm鋼管作為保護管，避免頂板來壓或端頭支架來壓對束管造成破壞。

圖1 束管及抽氣點位置圖

束管的前端布置見圖2.對管口前端進行密封處理，在保護鋼管壁上鉆鑿多個取氣小孔，隨后將束管放入鋼管中，并對套管中間拐角位置進行隔離密閉。隨著工作面的推進，束管慢慢進入到采空區內，以此測定采空區中氧氣的含量隨回采工作面推進的變化情況，最終確定采空區“三帶”范圍。

圖2 束管前端布置圖

為保障回采作業面安全，制定如下測定程序：

1)在保證束管及相應密閉條件完好的情況下，每天進行一次現場氣體采集，并進行及時有效地分析。

2)在現場進行氣體采集之前，需對束管內的空氣進行排氣處理，避免對取氣樣本造成影響。

3)現場取樣過程中，要做好工作面相關參數的記錄工作，例如工作面推進距離、采空區垮落情況等。

2.3 采空區自然“三帶”確定

試驗工作面條件為：1)上下隅角吊掛擋風簾、導風簾。2)上下出口斷面合理，工作面風流暢通。3)工作面上下口采空區隨采隨垮，沒有形成懸空。用束管連續測定運輸巷和回風巷采空區氧氣變化情況，埋入的測點隨采空區的推移而呈動態變化情況，分別見圖3,4.

圖3 進風側測定結果圖

圖4 回風側測定結果圖

根據圖3,4可知，隨著工作面推進距離的增加，對于進風側，采空區內的含氧量表現為線性降低趨勢，其中在采空區以里25 m與125 m位置測得的氧氣濃度分別為18.02%與9.65%；對于回風側，氧氣濃度隨工作面推進距離增加的變化趨勢與進風側相近，在采空區以里10 m與60 m位置測得的氧氣濃度分別為17.85%與9.78%.由此確定采空區自燃“三帶”:由支架切頂線到采空區25 m范圍為散熱帶;由采空區內25～125 m為氧化升溫帶；采空區125 m范圍以外為窒息帶。

3 工作面安全推進速度確定

根據采空區氧化升溫帶范圍，工作面最小安全推進速度vmin計算方法如下：

(1)

式中，dmax為采空區氧化帶范圍，m；t為煤層平均自然發火期，d.

該礦3#煤層平均自然發火期為42 d，采空區氧化帶為105 m，帶入式(1)可得，工作面最小安全推進速度為2.5 m/d.

當工作面推進速度大于2.5 m/d時，工作面采空區不會出現自燃發火風險，為保障工作面安全，確定該礦3801工作面平均推進速度應不小于3 m/d.

4 采空區自燃防治方法

4.1 注氮防治

由于該礦賦存多個煤層，主采3#煤層上覆煤層采空區一旦發現CO含量異常時，利用已有疏放水鉆孔作為注氮孔，向上覆煤層采空區注氮，將氧濃度控制在7%以下。3801工作面采空區發現CO含量異常時，將制氮設備放置于3801工作面輔運巷中，在進風側向采空區鋪設第1條注氮管路，管路直徑145 mm，當管口端部進入氧化升溫帶后開始向采空區內注氮；當工作面超過氧化升溫帶寬度后，鋪設第2條注氮管路并注氮，同時切斷第1條注氮管路(進入窒息帶)，以此類推進行循環作業。注氮時，需注意注氮管口端部應高出巷道底板約250 mm，為避免管口遭受矸石砸損或者堵口，采取木垛保護措施，注氮端口打花眼，并用鐵絲網包裹。通過現場注氮效果檢測，氧濃度約為6.4%，取得了良好的效果。

4.2 堵漏防治

在3801工作面推進過程中，隨著上覆巖層的垮落，地表已經出現明顯的裂隙，需及時跟蹤調查，對已出現的地表裂縫及時填堵并夯實，并定期觀測地表已填堵裂縫變化情況，如果再次出現裂隙，要及時補充充填夯實，防治裂隙形成與發展，減少采空區漏風量；重點排查井下層間漏風情況，發現氧氣含量異常地帶及時封堵，避免工作面間通過采空區形成串聯漏風通道。主要封堵方法：用絲袋裝滿封堵材料，在工作面上下端頭部位砌筑絲袋密閉，隨著工作面的推進，絲袋密閉隨之轉移，對于采空區進、回兩側要嚴密封堵，其中絲袋密閉底部厚度應不小于1.5 m，同時對巷道兩幫及頂板及時噴漿，最大限度地減少漏風。受采動壓力影響，還應重點檢查煤柱及密閉墻裂隙發展情況，對于明顯的裂隙區域應采用高分子材料充填封堵，消除漏風隱患。

5 結 論

1)通過現場測定分析，根據工作面推進氧氣含量的變化，確定采空區三帶：由支架切頂線到采空區25 m范圍為散熱帶；由采空區內25～125 m為氧化升溫帶；向采空區125 m范圍以外為窒息帶。

2)對于上覆煤層采空區與回采工作面采空區，提出了注氮防治煤自燃措施，給出了現場注氮管路布設方法，通過現場注氮效果檢測，氧濃度約為6.4%，取得了良好的防治效果。

3)針對3801工作面開采現狀，通過重點排查井上下不同部位存在的漏風情況，提出了重點區域堵漏防治煤自燃措施，消除了漏風隱患，以實現工作面安全高效回采。