塔山礦8305 工作面無煤柱開采綜合防滅火技術

田忠良

（晉能控股煤業集團雁崖煤業公司，山西 大同 037001）

0 引 言

長期以來，煤炭是支撐我國現代化建設發展的重要基礎產業及最大能源支撐，隨著國家經濟的快速發展，短時期我國能源結構仍將以煤炭為主，我國煤炭資源以地下井工開采為主，在相鄰工作面之間一般采用留設保護煤柱的方式維護回采巷道，這就造成了嚴重的資源浪費，且開拓成本較高，不符合能源戰略要求，為此國內外專家學者提出了無煤柱開采技術[1-2]。工作面無煤柱開采的核心是切頂卸壓自成巷技術，該技術人為對工作面采區側頂板進行定向預裂爆破，待工作面回采后，在覆巖應力作用下采空區側頂巖層沿預裂切縫自動切落形成巷幫，保證巷道完整性，保留的巷道用作下工作面的回采巷道使用，從而實現無煤柱開采[3]。同時，顯著有別于傳統回采工藝形成的采空區，無煤柱開采形成的采空區與巷道無任何隔離，屬于開放式巷道，采空區漏風嚴重，易造成的采空區遺煤自燃，是制約切頂卸壓無煤柱開采技術推廣應用的關鍵因素之一[4-5]。本文以塔山礦2 號層8305 工作面為工程背景，無煤柱工作面采空區防滅火難點，據此開發適用于塔山礦2 號層8305 工作面的無煤柱工作面綜合防滅火技術，為工作面安全開采提供保障。

1 工程概況

塔山礦2 號層8305 工作面位于三盤區東翼。西北、東北部鄰近盤區邊界，東南與8306 工作面相鄰，西南從三盤區輔運大巷開口。工作面蓋山厚度在462～518 m，8305 工作面對應上覆為雁崖礦、四老溝礦4、9、11 號、11-2、14-2 采空區，層間距256～260 m，2 號煤層結構簡單，煤層厚度1.60～4.18 m，平均3.3 m，煤層中含1～3 層夾矸，夾矸厚度在0.10～1.18 m 之間變化，煤層老頂為厚度1.00～12.50 m 的含礫粗砂巖，硅質膠、厚層狀，直接頂為厚度0.60～14.50 m 的細砂巖，近均一結構、裂隙發育，直接底為厚度4.90～11.80 m 的高嶺質巖，塊狀、堅硬，相關資料顯示。塔山2 號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，最短自然發火期為89 d。根據礦采掘接替安排，8305 工作面5305 巷道采用切頂留巷的方式保留下來用作鄰近工作面回采巷道使用。

2 無煤柱工作面采空區防滅火難點分析

無煤柱工作面采空區防滅火面臨著新的難點，主要表現在2 個方面，具體如下：

1）采空區防滅火管理難度大。切頂卸壓無煤柱開采面臨的最大問題就是采空區的管理，由于留巷側幫是采空區冒落帶，采空區完全暴露在巷道內，形成一種完全開放的狀態，漏風相對嚴重，采空區內的有害氣體在負壓作用下易泄漏到巷道內，有害氣體的管理難度大，同時，采空區漏風嚴重導致氣體惰化緩慢甚至停止，遺煤在高氧條件下很容易氧化，增加了采空區防滅火的管理難度[6]。

2）采空區臨空側封堵技術匱乏。目前2 號層8305 工作面切頂側采空區完全呈開放式狀態，尚未采取有關封堵采空區的技術，現有采空區防滅火技術，多以噴射混凝土封閉采空區，勞動強度大、經濟成本高，采空區未能封閉，將造成采空區漏風嚴重、有害氣體泄漏，加劇煤層自然發火程度。

圖1 8305 工作面采空區臨空側

3 無煤柱工作面綜合防滅火技術

8305 工作面回采期間選用采空區注氮、堵漏噴漿與噴灑阻化劑配合束管監測監控系統24h 不間斷監測，人工預測預報相結合的綜合防滅火措施。

3.1 初采期間防滅火方案

工作面初采時期，頂板沒有完全垮落，移架后，現開采煤層上覆煤炭被丟入采空區，采空區極易自燃，此時注氮氣時起不到相應的作用，采取以噴灑阻化劑防滅火為主、加快工作面推進速度減短采空區浮煤氧化暴露時間為輔的防滅火措施，具體為：

1）工作面回采前，在2305 巷、5305 巷各安裝防滅火液壓泵站1 套，對工作面頭、尾兩端頭采空區及工作面支架后采空區浮煤進行氣霧阻化，采空區氣霧阻化布置見圖2，防滅火工藝見圖3 所示。

圖2 采空區氣霧阻化布置示意圖

圖3 采空區噴灑阻化劑防滅火工藝圖

2）保證工作面連續開采,直至停采撤退封閉,生產過程中保證正常推進速度。

3）在工作面正常回采過程中，皮帶順槽頂板必須提前退錨，保證采空區頂板及時冒落。在2305 巷支架切頂線對應位置，結合工作面頭端頭實際情況，沿支架方向垂直于巷幫連續施工端頭封堵，施工步距不大于5 m，封堵厚度不小于1 m，確保封堵效果。

3.2 正常回采期間防滅火方案

工作面初次來壓、頂板完全垮落后，正常回采期間，加強工作面及回風流中氣體的檢測和取樣分析。

3.2.1 制氮、注氮系統

利用防滅火液壓泵站對采空區進行氣霧阻化，同時采空區埋管邁步注氮連續不斷對采空區注氮，若工作面及回風流N2濃度超過80 %或O2濃度低于18.5%時，采取間歇式注氮，具體制氮系統如下：

1）制氮設備、安裝地點及路線。在地面制氮機房內安裝4 套制氮機，每臺制氮機產氮量為3 000 m3/h，純度≥97 %，氮氣出口壓力≥0.8 MPa。注氮路線為：三盤區地面制氮車間→進風立井→進風聯巷-2→回風聯巷-1→三盤區回風巷→2305 繞道→2305 巷→采空區。

2）注氮工藝。采用邁步式埋管注氮工藝：在2305 巷從巷口至采空區埋設2 趟φ108 mm 鋼絲纏繞管，第1 趟在切巷位置，第2 趟與第1 趟步距為30 m，當第1 趟注氮管口埋入采空區30 m 時，開始進行注氮防滅火工作，當第2 趟進入30 m 時，斷開第1 趟注氮管路，開始利用第2 趟注氮管路注氮，如此循環，直到工作面回采完畢。

3）注氮防滅火惰化指標。注氮防火惰化、滅火惰化以及抑制瓦斯爆炸，即注氮后采空區內氧氣濃度不得大于7 %、火區內氧氣濃度不大于3 %、采空區氧氣濃度指標小于12%。

4）將防滅火注氮流量設計為1 080 m3/h。

3.2.2 減少8305 工作面采空區漏風措施

1）工作面頭端頭施工土袋墻。在工作面正常回采過程中，皮帶順槽頂板必須提前退錨，保證采空區頂板及時冒落，在2305 巷支架切頂線對應位置，結合工作面頭端頭實際情況，沿支架方向垂直于煤壁連續施工端頭封堵，施工步距不大于5 m，封堵厚度不小于1 m，要求封堵嚴密，減小采空區漏風，降低浮煤氧化速度。

3）工作面尾端頭采空區封堵防漏風。8305 工作面推進過后，在采空區尾部端頭支架后使用舊風袋配合金屬網、U29 型鋼構筑端頭封堵，減少采空區漏風，降低采空區遺煤與氧氣接觸面積，要求風袋吊掛在金屬網外側并滯后支架10～20 m，有利于采空區瓦斯能及時隨風流排出。如頂板懸板面積較大不垮落，必須采取措施進行處理，確保頂板能及時垮落。

4）沿留空巷幫噴漿防漏風。8305 工作面推進過后，采空區頂板垮落并壓實后，進行5305 巷道臨近采空區一側的頂幫實施噴漿，噴漿厚度不小于100 mm，頂板噴漿寬度不小于1 m，噴漿位置滯后工作面距離不得大于50 m，減少采空區漏風，降低遺煤與氧氣接觸面積。

3.2.3 加強采空區氣體預測預報工作

1）監測系統24 h 不間斷監測工作。在5305 巷回風系統調節距回風口10～15 m 安裝溫度傳感器、CO 傳感器各1 臺，報警濃度分別為≥26℃、≥24×10-6；工作面初采線起沿空留巷內采空區側每隔150 m 安裝1 臺一氧化碳傳感器，報警濃度為≥24×10-6。如出現CO 報警或溫度異常現象，及時落實原因并匯報相關單位及領導，以便采取措施。

2）人工預測預報措施。在5305 尾順槽采空區上層煤線每隔40 m 埋設1 根2 m 長2 寸PE 管路，在管路中敷設束管，每周利用束管人工采集采空區內氣體2 次取樣化驗分析；在8305 頭順槽采空區每隔50 m 敷設束管，束管安裝保護套，每周利用束管人工采集采空區內氣體2 次取樣化驗分析，見圖4、圖5。 每周人工對8305 工作面回風流氣體2 次取樣化驗分析。安排專職瓦檢工巡回測定8305 中、尾、工作面和回風流氣體溫度和成分，每班不少于3 次。

圖4 采空區束管監測系統

圖5 束管監測測站布置圖

4 防滅火安全技術措施

為確保塔山礦8305 工作面的安全回采，使提出的采空區注氮、堵漏噴漿與噴灑阻化劑配合束管監測監控系統24 h 不間斷監測，人工預測預報相結合的綜合防滅火措施在日常工作中發揮重要的作用，制定如下安全技術措施：

1）塔山礦8305 工作面制氮裝置的操作、維修、運行及檢修，必須按說明書的要求嚴格進行，設計制定各工種崗位責任制和各項規章制度，檢修提前作計劃，組織故障搶修隊伍。

2）保證注氮量和氮氣純度，確保注入塔山礦8305 工作面采空區內的氮氣純度不小于97 %，做好注氮時間、單位時間注氮量、累計注氮量的記錄和統計工作，形成報表向相關領導匯報。

3）井下輸氮管路、閥門、三通等附屬設施由專業隊伍負責管理與維護，確保不發生漏氣。

4）注氮量和注氮壓力每天記錄一次，輸氮管路的嚴密性每天檢查一次，主輸氮管路每3 天檢查一次，相關檢查結果形成報告向相關領導匯報。

5）設置專業崗位對工作面及采空區氣體成分、溫度每天檢查一次，每3 天取樣化驗分析一次，并做好記錄和統計工作，形成報表向相關領導匯報。

6）塔山礦8305 工作面安裝1 臺O2傳感器，以監測工作面氧氣濃度，注氮過程中，保證工作場所的氧氣濃度不低于18.5 %，保證工作場所足夠的安全通風量。

7）塔山礦8305 工作面內嚴格按照相關規定設置監測傳感器，加強對O2、N2和CO 等氣體的監測，若8305 工作面出現自然發火征兆，立即停止生產，并采取安全措施消除發火征兆。

8）第一次（或停止注氮后再次注氮）向8305 工作面采空區注氮時，在排出注氮管內的空氣后進行注氮工作。

9）建立汽霧阻化防火設備的操作規程、工種崗位責任制等規章制度，設置汽霧阻化防火臺帳，并及時填寫記錄形成報表。

10）建立灌漿系統，并處于熱備用狀態，巷道內備足灌漿管路，及時實施采空區灌漿工作。

11）加強對8305 工作面采空區的自然發火預測預報，確保取樣化驗數據有效、準確。

5 治理效果

8305 工作面回采期間采用采空區注氮、堵漏噴漿與噴灑阻化劑配合束管監測監控系統24 h 不間斷監測，人工預測預報相結合的綜合防滅火措施，通過對采空區氣體取樣分析，采空區內未監測到CO，綜合防滅火措施應用后，采空區O2體積分數顯著降低，由18.7 %下降至9.1 %，之后O2體積分數保持穩定，排查發現是由于采空區局部漏風導致的O2體積分數無法下降，后期通過優化阻化劑噴灑及注氮工藝，加強采空區堵漏噴漿管理，采空區內O2體積分數繼續顯著下降，后期O2體積分數保持在1.5%以下，綜上所述，無煤柱開采綜合防滅火技術保障了8305 無煤柱工作面的安全開采。

6 結 論

塔山礦8305 工作面采用無煤柱切頂留巷開采技術，面臨采空區遺煤自燃的威脅，為此，通過分析無煤柱工作面采空區防滅火難點，主要包括采空區防滅火管理難度大、采空區臨空側封堵技術匱乏等難點，基于此，在塔山礦8305 工作面回采期間設計采用采空區注氮、堵漏噴漿與噴灑阻化劑配合束管監測監控系統24 h 不間斷監測，人工預測預報相結合的綜合防滅火技術措施，現場優化工藝后，采空區內O2體積分數保持在1.5%以下，表明無煤柱開采綜合防滅火技術有效保障了8305 無煤柱工作面的安全開采。