易燃大傾角厚煤層綜放面停采撤架期間綜合防滅火技術(shù)＊

金永飛 李海濤 王 棟 縱 峰

（1.西安科技大學(xué)教育部工程研究中心，陜西省西安市，710054；2.西安科技大學(xué)西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省西安市，710054；3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；4.陜西煤化集團(tuán)崔木煤礦，陜西省寶雞市，721599）

大傾角厚煤層自燃具有火源隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)，煤層自燃過(guò)程發(fā)展期較長(zhǎng)，一旦發(fā)現(xiàn)高溫或明火，周圍煤巖層已處于較高的溫度，儲(chǔ)存熱量大，高溫范圍大，立體分布，產(chǎn)生貧氧氧化放熱的特點(diǎn)，導(dǎo)致封閉滅火的周期長(zhǎng)，且易復(fù)燃。從人為能夠控制的角度考慮，煤層自燃火災(zāi)的防治主要需從降氧（封閉、減漏風(fēng)、惰化）和降溫兩個(gè)方面著手。對(duì)于已形成的自燃高溫和隱患區(qū)域，必須采取以降溫為主的防滅火技術(shù)手段，否則極易復(fù)燃。

1 回撤面CO 超限過(guò)程

1.1 回撤面概況

崔木煤礦21302工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，工作面斜長(zhǎng)200m，采高4m，放頂煤高度8m。工作面采用U 型通風(fēng)，正常生產(chǎn)期工作面風(fēng)量為2400m3／min。2014年2月24日，該工作面停采，工作面頂部掛網(wǎng)且不放頂煤，開始施工撤架通道；2月25日工作面開始回撤，在撤架期間由于回風(fēng)流中多次出現(xiàn)CO 超限情況，采取通風(fēng)風(fēng)量調(diào)整后暫停撤架。

1.2 回撤期間防滅火技術(shù)措施

參照21301 工作面 “三帶”測(cè)試結(jié)果，確定21302工作面自燃帶范圍為16～81 m。工作面在距停采線30m 左右開始掛網(wǎng)、做大棚，推進(jìn)速度較慢。21302工作面收尾期間主要采取束管分析、鉆孔定位、黃泥灌漿、氮?dú)庵脫Q、端頭堵漏的綜合防滅火措施。

（1）束管監(jiān)測(cè)。工作面距停采線回風(fēng)巷50m、20m，進(jìn)風(fēng)機(jī)巷50m、30m 處，分別在21302進(jìn)風(fēng)機(jī)巷、回風(fēng)巷采空區(qū)內(nèi)預(yù)埋束管采樣頭，高度為1.5m，對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行束管氣樣分析。

（2）氮?dú)庵脫Q。距停采線20m、40m 處，在21302進(jìn)風(fēng)機(jī)巷預(yù)埋一趟注氮管路，工作面向采空區(qū)連續(xù)注氮，氮?dú)鉂舛炔坏陀?7%。

（3）黃泥灌漿。在工作面推采至距停采線15m、60m 處在進(jìn)風(fēng)機(jī)巷預(yù)埋灌漿管路進(jìn)行采空區(qū)灌漿，水土比為4∶1。

（4）端頭封堵。工作面停采前在推進(jìn)緩慢期間，每班必須在上隅角和下隅角垛袋封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

（5）降低風(fēng)壓?；夭善陂g21302工作面配風(fēng)量在1500m3／min 左右，停采后，在保證風(fēng)排瓦斯不超限的情況下，將工作面供風(fēng)降為800 m3／min左右，以降低進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的壓差，減小采空區(qū)漏風(fēng)。

1.3 CO 氣體濃度超限過(guò)程

21302工 作 面 于2014 年2 月24 日 到 達(dá) 停 采線，由于礦壓較大，頂煤散落極多，工作面上覆巖層破壞現(xiàn)象嚴(yán)重，支架未能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)回撤。2014年4月3日發(fā)現(xiàn)第100＃支架冒熱氣、掛汗，在上隅角、回風(fēng)流、液壓支架架間發(fā)現(xiàn)CO 氣體濃度異常且呈上升趨勢(shì)。為給制定技術(shù)措施提供依據(jù)，安排人工每天對(duì)CO 氣體濃度較高的90＃～116＃支架架間進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖1 所示。由圖1可見，自2014年3月26日發(fā)現(xiàn)CO 升高至2014年4月4日共經(jīng)歷10d，10d中100?！?04＃支架間CO 氣體濃度上升趨勢(shì)最為明顯，最高處由0.000006%上升至0.000137%，回風(fēng)流中CO 氣體濃度略有上升。

圖1 回風(fēng)流、支架架間CO 氣體濃度

2014年4月3日，21302工作面回風(fēng)巷撤架期間，工作面90＃支架、99＃～100＃支架、116＃支架架間最高溫度42℃，并伴有水霧出現(xiàn)，人工檢測(cè)CO濃度最大0.00006%，在90?！?16＃支架間打眼插管，注高壓水進(jìn)行處理，并加大進(jìn)風(fēng)機(jī)巷和回風(fēng)巷灌漿量。

2 CO 超限原因分析

（1）具備遺煤條件。崔木礦放頂煤開采，采4m放8m，正常生產(chǎn)期間工作面中部遺煤少，但兩道頂煤可達(dá)8 m 厚，收面期間整個(gè)工作面頂煤不回收，松散煤體的大量堆積為自燃創(chuàng)造了條件。

（2）具備供氧條件。該工作面正常生產(chǎn)期間工作面風(fēng)量達(dá)2400 m3／min，回撤期間進(jìn)行了調(diào)風(fēng)，風(fēng)向反轉(zhuǎn)，風(fēng)量調(diào)節(jié)為1600m3／min。采空區(qū)大范圍內(nèi)氧濃度仍較高，具備自燃的供氧條件。

（3）煤層具備自燃的時(shí)間。崔木礦開采的3＃煤層自然發(fā)火期在1個(gè)多月。該礦從2月底停采至4月初，工作面支架后及架間殘煤沒有及時(shí)清除，因此，大量采空區(qū)遺煤具備自燃的發(fā)展時(shí)間。

（4）采空區(qū)頂板淋水對(duì)自燃有抑制作用。正常生產(chǎn)期間，采空區(qū)頂板淋水嚴(yán)重，對(duì)煤層自燃起到抑制作用。到達(dá)停采線時(shí)，頂板淋水減少，對(duì)煤層自燃的抑制作用減少。同時(shí)，該工作面回風(fēng)隅角出氣溫度較高，煤壁掛汗，隅角后上部CO 濃度較高，最高接近0.0002%，并且檢測(cè)到乙烯。

可以判斷21302工作面采空區(qū)局部區(qū)域溫度已經(jīng)有所升高，有煤層自燃的傾向，必須采取必要的防滅火技術(shù)措施。

3 綜合防滅火技術(shù)治理及效果分析

3.1 加強(qiáng)煤自然發(fā)火監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

（1）停采期間，工作面上隅角、回風(fēng)流及18＃～78＃支架、90?！?16＃支架架間瓦斯?jié)舛?、CO濃度、空氣溫度，每小班人工檢查3次；上隅角氣體每天采用束管、氣體色譜分析一次，并繪制氣體變化曲線圖。

（2）加強(qiáng)上隅角、回風(fēng)流的一氧化碳、溫度、瓦斯傳感器的調(diào)校工作，確保傳感器實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

（3）利用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量工作面支架后、支架頂及鉆孔中的溫度，并繪制溫度監(jiān)測(cè)曲線。

（4）利用KJ90安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)21302工作面回風(fēng)流及上隅角的CO、溫度和CH4進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，撤架期間保證安全監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.2 綜合防滅火技術(shù)治理過(guò)程

工作面停采撤架期間，除繼續(xù)采取以上檢測(cè)、堵漏等措施外，防滅火重點(diǎn)工作轉(zhuǎn)移到工作面上、下隅角及支架向后3～6m、距底板向上8～10m位置，主要采取以下方案。

3.2.1 雙通道回撤支架

在發(fā)現(xiàn)局部支架上部出現(xiàn)CO 濃度上升、冒青煙情況后，為了不影響整體回撤速度，在78＃與79＃支架之間建2m 厚密封墻，將支架分別從工作面兩巷道依次撤出，如圖2所示，截至4月4日，回撤面兩端已經(jīng)撤出17架支架。

3.2.2 工作面火區(qū)封閉

2014年4 月6 日，架間束管檢測(cè)檢查發(fā)現(xiàn)，97＃～98＃支架、99?！?05＃支架、116＃支架架間煤壁溫度最高58℃，并伴有大量的水霧出現(xiàn)，人工檢測(cè)CO 濃度最大0.0001%，對(duì)溫度高的支架架間氣樣分析后發(fā)現(xiàn)99?！?00＃支架處乙烯濃度為0.000023%、乙炔濃度為0.000003%，其他架間發(fā)現(xiàn)CO 濃度最大0.000186%，表明架間遺煤已發(fā)生自燃。為了保證礦井其他工作面安全生產(chǎn)，2014年4月7日，對(duì)21302進(jìn)風(fēng)機(jī)巷和回風(fēng)巷各設(shè)一道密閉墻，墻上預(yù)留注氮、注漿管路，并用黃泥將封閉墻周圍及墻體抹勻，確保嚴(yán)密不漏風(fēng)，封閉墻示意圖如圖3所示。

圖2 21302回撤面雙通道回撤示意圖

圖3 21302進(jìn)風(fēng)機(jī)巷、回風(fēng)巷封閉墻示意圖

3.2.3 注漿和注高分子膠體

（1）支架前打鉆注高分子膠體。針對(duì)21302工作面的實(shí)際情況，在撤架期間，從工作面上隅角往下每隔2臺(tái)支架之間灌注高分子膠體，并在支架后部未冒落巷道處用碎煤堆垛墻體，封堵漏風(fēng)通道。用錨桿鉆機(jī)自工作面回風(fēng)側(cè)向采空區(qū)打鉆，鉆孔內(nèi)下套管，并沿鉆孔向采空區(qū)注高分子膠體。鉆孔終點(diǎn)位于工作面尾梁后2～4 m，煤層頂板以上1～2m，鉆孔間距為3 m 左右，工作面回風(fēng)側(cè)需打約5個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔注膠量為50～80m3，工作面停采期間架前注膠情況見圖4所示。

圖4 工作面停采期間架前注膠示意圖

（2）鄰近工作面運(yùn)輸巷高位鉆孔注漿。在21301工作面運(yùn)輸巷設(shè)置鉆場(chǎng)，同時(shí)向21302工作面采空區(qū)膠體隔離充填帶打鉆，鉆孔終孔位置為距離工作面停采線10～30m，鉆孔間距3 m，共施工鉆孔7個(gè)，孔高度為煤層頂板處至其上1 m 范圍。每個(gè)孔注膠50～80m3，如圖5所示。

3.2.4 高溫區(qū)域架間注水降溫措施

工作面停采撤架期間，在21302工作面進(jìn)風(fēng)機(jī)巷及回風(fēng)巷施工鉆場(chǎng)，向下隅角及工作面支架后施工防滅火注漿鉆孔，終孔點(diǎn)控制在下隅角及25＃支架、50＃支架、75＃支架向后3～6m、距支架頂板向上2 m 位置，共計(jì)施工10 個(gè)注漿鉆孔；啟封302高抽巷封閉墻，在高抽巷內(nèi)施工防滅火注漿鉆孔，終孔點(diǎn)控制在上隅角及75＃支架、95＃支架向后3～6m、距支架頂板向上2m 位置，共計(jì)6個(gè)注漿鉆孔，如圖6所示。

圖5 鄰近工作面運(yùn)輸巷道注膠平面示意圖

圖6 工作面停采線架后注水平面示意圖

3.3 治理效果

通過(guò)實(shí)施上述防滅火措施，21302回撤面封閉火區(qū)內(nèi)工作面支架間溫度異常點(diǎn)的煤自燃情況得到了有效控制，工作面支架間CO 濃度恢復(fù)到了正常范圍，回風(fēng)流及支架間CO 濃度低于0.000024%并保持穩(wěn)定。2014年4月28日對(duì)火區(qū)進(jìn)行啟封并將剩余支架成功有效撤出工作面。

4 結(jié)論

（1）大傾角厚煤層開采過(guò)程中，由于采空區(qū)停采線遺煤量較多，煤氧化熱量易于積聚，具有較大的自然發(fā)火危險(xiǎn)；回撤期間，由于停留時(shí)間較長(zhǎng)，漏風(fēng)嚴(yán)重，導(dǎo)致深部煤層二次氧化，容易造成工作面CO 氣體濃度升高，影響回撤工作。

（2）煤自燃隱患治理比較復(fù)雜，不能單一地強(qiáng)調(diào)對(duì)高溫隱患的根除，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)異常區(qū)域進(jìn)行有效地控制，以保障煤礦的正常生產(chǎn)；停采后，應(yīng)盡快回撤，并對(duì)工作面CO 氣體濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采取相應(yīng)措施進(jìn)行提前預(yù)防，如架后鉆孔注膠、上分層兩巷灌漿等。

（3）大傾角厚煤層綜放面停采撤架期間，應(yīng)時(shí)刻對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)對(duì)支架后部及支架之間遺煤及時(shí)處理，防止自然發(fā)火；應(yīng)迅速采取相應(yīng)措施延長(zhǎng)自然發(fā)火期，減緩煤自熱氧化作用，防止由于支架后局部碎煤氧化導(dǎo)致氧化進(jìn)一步加深而影響撤架工作；撤完支架后應(yīng)迅速有效封閉火區(qū)。

（4）通過(guò)采空區(qū)灌漿并及時(shí)對(duì)上下巷道進(jìn)行封堵，能有效抑制煤與氧氣的接觸，并能填堵采空區(qū)遺煤的縫隙，從而抑制煤的自熱，有效控制采空區(qū)火災(zāi)的發(fā)生。在重點(diǎn)時(shí)期，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行鉆孔和膠體壓住，嚴(yán)防遺煤自燃。

（5）21302開采工作面因停采線局部碎煤氧化升溫導(dǎo)致工作面架間CO 氣體濃度升高，采取整體火區(qū)封閉、支架后鉆孔注防滅火材料、高溫支架間煤層注水及兩巷灌漿等措施，效果明顯，抑制了遺煤自然升溫過(guò)程，保證該工作面安全回撤。

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