南莊煤礦孤島工作面防滅火技術存在的問題及解決措施

馮 星

（南莊煤炭集團南莊分公司，山西 陽泉 045000）

1 工作面概況

南煤集團南莊煤礦15#煤層厚度和結構穩定，平均厚度5.8 m，走向NNE，傾向NNW，傾角5°～6°。煤層直接頂為黑色泥巖，厚度6 m，節理發育，抗壓強度22.52 MPa；老頂為深灰色砂巖，厚度為4.5 m，抗壓強度35.48 MPa；底板為砂巖、砂泥巖，厚度4.6 m，顏色為灰白色，抗壓強度為17.92 MPa。

煤層工作面按順序回采會導致工作面相互干擾，影響生產的正常接續，因此采用了“跳采方式”。8826 和8822 工作面先進行回采，剩余8824 工作面兩側分別為8822 和8826 工作面采空區，8824 工作面是一個典型的“孤島”工作面，該工作面上部對應的為12#煤4606、4607 工作面采空區，采用走向長壁后退式、低位放頂煤綜合機械化采煤方法，采空區采用全部垮落法管理頂板，工作面采高為2.8 m。

2 孤島工作面防滅火存在問題

南莊煤礦8824 工作面在自然發火防治方面存在自然發火期不具體、指標性氣體不明確、漏風復雜多變、采空區自燃三帶數據缺失四大問題。與常規工作面相比，8824 工作面作為孤島工作面，受周圍地壓應力集中的影響，煤柱極易破碎產生裂隙，導致采空區以及相鄰采空區的防滅火工作難度加大，而8824 工作面存在的四大問題更是嚴重威脅礦井的安全生產。

3 總體解決思路

為解決南莊礦15#煤8824 孤島工作面防滅火存在的問題，采用煤自燃特征參數測試、指標氣體檢測、SF6示蹤氣體檢測、自燃“三帶”實測等方式進行分析研究[1-6]，問題解決思路如圖1 所示。具體的實施過程如下：（1）在8824 綜采工作面取樣，采取氧化特征分析和熱重分析，研究8824“孤島”工作面的煤自燃特征；在8824 綜采工作面取樣，采用實驗室熱重分析等試驗方法，測定15#煤層自燃特性參數，分析其最短自然發火期；（2）在實驗室采用程序升溫試驗方法，測試15#煤層煤樣隨溫度升高過程中的氣體釋放特征，分析得出煤自然發火標志性氣體；（3）采用SF6示蹤氣體分析方法，對8824“孤島”工作面對鄰近工作面和巷道的漏風進行現場實測，分析得出工作面漏風形式和影響因素；（4）采用預埋束管和測溫探頭的方法，對8824 工作面煤自燃“三帶”進行實際“觀測”，分析采空區自燃危險區域。

圖1 問題解決思路示意圖

4 孤島工作面防滅火問題的解決

4.1 煤自燃特征參數的測定

在15#煤層8824 工作面內距皮帶巷50 m 位置取煤樣，通過煤樣絕熱氧化反應裝置，升到一定溫度后保持爐溫，采用氣相色譜儀對生成氣體的組分進行測定，并解算最短自然發火期，得出：（1）根據南莊礦井15#煤層煤樣氧化升溫試驗確定CO初現溫度為20 ℃，C2H4初現溫度為110 ℃，煤的交叉點溫度約為150 ℃；（2）根據煤樣升溫氧化試驗結果，采用最短自然發火期模型解算，得出15#煤層8824 工作面的最短自然發火期為66 d。

4.2 煤自燃發火標志性氣體的確定

在8824 工作面現場取煤樣并在實驗室進行分析[7-8]，通過測試煤樣升溫過程中CO、CH4、C2H4、C2H6與C3H8等氣體的析出量，研究分析煤自燃過程中生成氣體的組分和變化規律，確定煤樣的耗氧特性以及自然發火的特征溫度，優選得出自然發火的標志性氣體。

通過優選南莊礦井15#煤層自然發火的標志氣體，最終確定CO、C2H4作為15#煤層的主要指標性氣體，輔助指標氣體包括C2H6、C3H8和C2H4/C2H6，如表1。其中CO 氣體初現的煤溫為20 ℃，說明南莊礦井15#煤層在低溫時已發生氧化反應；C2H4、C2H6與C3H8初始濃度小且易受風流影響，在井下一旦檢測到，說明此時煤已進入加速氧化階段，該階段煤溫一般大于100 ℃。

表1 南莊礦井15#煤層自然發火標志氣體優選結果

4.3 漏風形式和影響因素的監測

采用SF6示蹤氣體分析方法，對8824“孤島”工作面的漏風情況進行現場實測，分析工作面漏風形式和影響因素。根據8824 工作面與采空區之間的溝通情況[9]，選擇在進風側高能位點的裂縫處作為SF6釋放地點，取樣地點當然就選在低能位點的密閉或順槽煤壁及工作面回風隅角。2021 年10 月選擇在8822 運輸巷密閉與8826 運輸巷密閉釋放SF6，測量地點選擇在8824 運輸巷與8822 運輸巷之間的煤壁、8824 回風巷與8826 運輸巷之間的煤壁。

監測結果：（1）8824 孤島工作面與鄰近工作面之間的漏風方向為鄰近工作面向8824 孤島工作面漏風，漏風量大小容易受到礦井通風、晝夜壓差、季節氣候等因素的影響；（2）對于8824 孤島工作面漏風形式，包括工作面上下隅角漏風和鄰近工作面之間漏風，且以工作面上下隅角漏風為主，供風量越大，漏風量越大。

4.4 工作面采空區自燃“三帶”觀測

8824 工作面共布置束管氣體檢測點6 個，間距30 m 分兩排在采空區兩道布置；運輸巷（進風巷）共布置測點3 個，布置間距300 m，沿運輸巷外幫均勻布置；回風巷沿外幫布置3 個測點，測點間距200 m。12 個測點的束管氣體檢測儀均采用Φ10 cm 硬質合金管進行保護。

觀測完成后，應用COMSOL 數值模擬軟件進行解析計算，并依據南莊礦井15#煤層自燃臨界氧濃度（8.0%～18.0%）指標測試結果，得出該孤島工作面采空區自燃“三帶”分布情況如表2 所示。由表2 可知，回風側氧化升溫帶寬度較大，最大寬度為176 m；進風側較窄，為132 m。

表2 8824 工作面采空區自燃“三帶”分布表

5 效果分析

（1）確定了南莊礦井15#煤層CO 初現溫度為20 ℃，C2H4初現溫度為110 ℃，煤的交叉點溫度約為150 ℃，8824 工作面最短自然發火期為66 d。

（2）明確了南莊礦井15#煤層以CO、C2H4作為指標性氣體，輔以C2H6、C3H8和C2H4/C2H6來判斷煤炭自燃情況。

（3）確定了8824 工作面采空區“三帶”分布規律，回風側氧化升溫帶寬度較大，最大寬度為176 m；進風側寬度較窄，為132 m。

（4）查明了8824 孤島工作面漏風形式和影響因素，表明工作面漏風情況并不是一成不變的，漏風量大小容易受到礦井通風、晝夜壓差、季節氣候、工作面供風量等因素影響。日常生產過程中須密切注意漏風狀態，加強密閉墻內外壓差變化及指標氣體檢測，出現異常及時采取措施。另外，南莊煤礦在綜合分析了煤自燃特征和“孤島”工作面漏風復雜問題的基礎上，成功試驗應用了普瑞特Ⅱ防滅火技術，普瑞特Ⅱ型防滅火材料具有粘度高、材料凝結速度快、密閉效果好、封閉持久等優勢。

（5）根據最短自然發火期為66 d 和自燃氧化升溫帶最大寬度176 m，南莊礦井8824 孤島工作面的最小安全推進速度為2.67 m/d。15#煤層工作面正常生產期間平均推進速度為4 m/d，從采空區自燃“三帶”理論方面來說是安全的，但工作面風量、產量是變化的，且其瓦斯含量較高，尤其是末采回撤階段，應適當減小推進速度，若出現特殊狀況導致的停采現象，采空區須采取普瑞特Ⅱ防滅火技術措施。

6 結論

南莊煤礦通過熱重分析試驗測得最短自然發火期為66 d，通過升溫試驗確定CO、C2H4作為15#煤層的主要指標性氣體，采用SF6示蹤氣體法查明了該孤島工作面的漏風形式和影響因素，通過預埋束管和測溫探頭方式對工作面采空區自燃“三帶”進行觀測。解決孤島工作面防滅火技術存在問題的同時，得出工作面的最小安全推進速度為2.67 m/d，并試驗應用了普瑞特Ⅱ防滅火技術，保障了8824“孤島”工作面的安全高效回采。