復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造綜放工作面停采撤架期間防火技術(shù)

金永飛，程 明，姜希印，陶維國(guó)，許延輝，程小蛟，郭 軍

（1．西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2．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 西安710054；3．兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧272000）

煤火災(zāi)害是礦井五大災(zāi)害之一，不僅會(huì)造成大量資源損失，而且還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體（CO2和CH4）[1-3]、有毒有害氣體（CO、SO2、H2S、N2O、NOx 等）和微量元素（As、F、Se、Hg 等）[4]，對(duì)井下工作人員身體健康造成嚴(yán)重威脅。煤自燃過程主要是一個(gè)煤氧復(fù)合放熱、環(huán)境散熱的過程，在放熱和散熱這對(duì)矛盾中運(yùn)動(dòng)發(fā)展[5-6]。礦井生產(chǎn)過程中，煤層最易自燃的地點(diǎn)有2 處：一個(gè)是巷道周圍松散煤體；二是采空區(qū)松散煤體。綜放面采空區(qū)自然發(fā)火多出現(xiàn)在綜放面開切眼、停采線及兩巷遺煤區(qū)。近年來(lái)，關(guān)于工作面停采回撤期間遺煤自然發(fā)火防控技術(shù)，許多學(xué)者已做了相關(guān)研究。文虎等[7]基于色連二礦12205 工作面頂板上部存在浮煤的特殊情況，提出了“減少采空區(qū)漏風(fēng)、降低采空區(qū)氧濃度”的防火原則，制定了頂板鋪設(shè)風(fēng)筒布、建黃土隔離墻、注高分子膠體材料、注氮等防火技術(shù)措施。鄧軍等[8]針對(duì)羊場(chǎng)灣Y212 工作面撤架期間采空區(qū)浮煤自燃特點(diǎn)與工作面實(shí)際開采條件，提出在工作面前方重新施工巷道，采用高位孔灌注膠體材料、封閉注氮相結(jié)合的降溫、降氧的防滅火方案，使工作面順利回撤；趙雷等[9]針對(duì)大傾角負(fù)煤柱綜放面采空區(qū)發(fā)火問題，制定了集“堵漏、降溫、惰化”于一體綜合性的防滅火措施，取得了較好效果；鄭忠亞等[10]針對(duì)下溝煤礦易自燃煤層下分層孤島綜放面尾采撤架防滅火技術(shù)研究，采取以膠體防滅火技術(shù)為主，其他防滅火技術(shù)為輔的綜合防滅火技術(shù)措施，保障工作面支架順利回撤。上述防火技術(shù)均以“降氧、降溫”為主旨展開，但不同環(huán)境條件采取技術(shù)措施不同。

濟(jì)寧二號(hào)井10301 綜放工作面在停采線附近揭露斷層，地質(zhì)條件復(fù)雜。而目前關(guān)于復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造（如停采線附近揭露斷層）工作面停采撤架期間防滅火技術(shù)鮮有人研究。所以，針對(duì)10301 工作面的復(fù)雜地質(zhì)情況，提出了“深部控氧，淺部控溫，減氧抑溫”的防火總思路，制定綜合防滅火技術(shù)措施，效果顯著，順利完成工作面的撤架任務(wù)。

1 工作面概況

10301 綜放工作面位于十采區(qū)南部，為十采區(qū)首采工作面。工作面傾向長(zhǎng)為231 m，走向長(zhǎng)為1 060.45～1 137.43 m，煤層傾角3°～17°，工作面絕對(duì)標(biāo)高為-670.8～-816.3 m，瓦斯絕對(duì)涌出量為2.4 m3/min。煤層為氣煤煤種，屬于Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為47 d。工作面采用“U”型通風(fēng)，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、軌道巷回風(fēng)，末采期間配風(fēng)量為1 100 m3/min。接近停采線時(shí)，工作面兩巷道陸續(xù)揭露斷層F100103、9F59、F100102。工作面軌道巷距十一采區(qū)采空區(qū)最窄煤柱為39.74 m，可能存在漏風(fēng)。工作面煤層產(chǎn)狀變化大，煤層傾角3°～15°，局部可達(dá)17°。

2 工作面停采撤架期間煤自燃原因分析

1）松散煤體。10301 綜放工作面的兩道和停采線附近都會(huì)留有大量遺煤。在停采線附近，頂煤平均厚度約7 m，而在末采階段，平均損失煤厚約0.03～7 m，損失煤量2.73 萬(wàn)t。此外，工作面推進(jìn)過程中遇F49斷層，上盤、下盤及地質(zhì)損失共丟煤16.8萬(wàn)t；9F59斷層下盤丟頂煤（H=9.5～13 m），頂煤區(qū)域面積3 093 m2，平均損失煤厚約9.5 m，損失煤量4萬(wàn)t。采空區(qū)遺煤情況既為自然發(fā)火提供物質(zhì)條件，又創(chuàng)造了良好的蓄熱環(huán)境。

2）漏風(fēng)供氧。工作面末采及停采線附近均有斷層構(gòu)造，在斷層構(gòu)造附近的煤層，煤的物性發(fā)生了一些明顯變化，煤較為松軟破碎，易垮落，易氧化，形成漏風(fēng)帶，大大增加了斷層附近煤層的發(fā)火危險(xiǎn)。對(duì)工作面通風(fēng)系統(tǒng)及周圍片區(qū)內(nèi)密閉墻內(nèi)外壓差分析，共判定此處采空區(qū)漏風(fēng)通道共2 條（圖1）。圖1（a）中，漏風(fēng)路線為：10301 軌道巷→10301 工作面采空區(qū)→10301 運(yùn)輸巷；圖1（b）中，漏風(fēng)路線為：11310運(yùn)輸巷→11310 面采空區(qū)→11310 軌道、運(yùn)輸巷超前段→10301 工作面采空區(qū)→10301 運(yùn)輸巷。

圖1 漏風(fēng)通道

3）氧化時(shí)間。10301 工作面煤層為氣煤煤種，屬于Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為47 d，發(fā)火期較短，屬于自燃煤層。末采階段，綜放推進(jìn)速度相對(duì)較慢，采空區(qū)氧化帶寬度大。其中，7—9 月間，月推進(jìn)速度為1.06、0.94、0.795 m/d，推進(jìn)速度緩慢；此外，由于10301 工作面煤層較厚，綜放面采空區(qū)空間較大，采空區(qū)自燃“三帶”（散熱帶、氧化帶、窒息帶）中散熱帶、氧化帶的分布范圍較廣，尤其是氧化帶寬度較一般工作面增加不少（如運(yùn)輸巷側(cè)94#點(diǎn)束管、軌道巷的102#點(diǎn)束管，氧氣濃度一直較高，出現(xiàn)一氧化碳較早，沒有進(jìn)入窒息帶），煤氧作用時(shí)間長(zhǎng)?；爻菲陂g，10301 綜放工作面共134 套支架，拆卸困難，撤架時(shí)間較長(zhǎng)。停采至封閉時(shí)間達(dá)到69 d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤的自然發(fā)火期。因此，為保證10301 綜放工作面末采及回撤順利完成，從煤自燃條件和末采回撤煤自燃原因分析著手，基于降氧抑溫原則，制定了針對(duì)性的綜合防火技術(shù)。

3 工作面停采撤架期間防滅火技術(shù)

3.1 堵漏控氧防火

工作面向采空區(qū)中的漏風(fēng)通道有2 個(gè)，分別是通過工作面支架間隙和進(jìn)風(fēng)端頭向采空區(qū)中漏風(fēng)。封堵采空區(qū)的漏風(fēng)通道，減少空氣供給是堵漏防火工作的基準(zhǔn)。

1）架后鋪設(shè)風(fēng)筒布。停采前架后用風(fēng)筒布包裹，減少采空區(qū)漏風(fēng)氧化?；夭晒ぷ髅婢嗤２删€20 m 時(shí)，在工作面掛網(wǎng)時(shí)全部鋪費(fèi)舊風(fēng)筒布，在支架前移停止時(shí)，架后風(fēng)布要落地1~2 m。架后風(fēng)筒鋪設(shè)如圖2。

圖2 頂板鋪設(shè)風(fēng)筒布堵漏風(fēng)

2）調(diào)整工作面風(fēng)量。工作面采用“U”型通風(fēng)，工作面配風(fēng)量前期為1 500 m3/min 左右，后期為1 200 m3/min 左右，停采后為500 m3/min 左右；生產(chǎn)期間運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，軌道巷回風(fēng)，10 月20 日抽巷道支架時(shí)調(diào)整系統(tǒng)，撤除后期改為局部通風(fēng)配合全風(fēng)壓通風(fēng)方式。具體調(diào)整如下：①末采階段通風(fēng)系統(tǒng)：工作面通風(fēng)路線為運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、軌道巷回風(fēng)，配風(fēng)量不小于1 100 m3/min，每周測(cè)風(fēng)1 次；②停采回撤前通風(fēng)系統(tǒng)：在10301 軌道巷聯(lián)絡(luò)巷、10301 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷分別安設(shè)好1 臺(tái)2×5.5 kW 局部通風(fēng)機(jī)敷設(shè)φ600 mm 風(fēng)筒至停采位置，并備留足夠風(fēng)筒以便風(fēng)量不足時(shí)將風(fēng)筒延接至回撤位置，過風(fēng)門墻體時(shí)必須使用鐵風(fēng)筒，而且鐵風(fēng)筒周邊必須密封嚴(yán)實(shí)，工作面回撤前，10301 面調(diào)整掩護(hù)支架前，利用10301 軌道巷機(jī)頭新建調(diào)節(jié)墻及10301 運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷新建風(fēng)門調(diào)整工作面為軌道巷進(jìn)風(fēng)運(yùn)輸巷回風(fēng)，通過運(yùn)輸巷機(jī)頭風(fēng)門控制10301 工作面風(fēng)量，將工作面的風(fēng)量控制在450～550 m3/min；③工作面回撤期間通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整：回撤前加工舊工字鋼斜撐預(yù)留回風(fēng)通道（圖3），當(dāng)工作面風(fēng)量因回撤小于300 m3/min 時(shí)，首先調(diào)整10301 運(yùn)輸巷機(jī)頭調(diào)節(jié)風(fēng)墻，確保風(fēng)量滿足要求，在回撤過程中如發(fā)現(xiàn)風(fēng)量低于300 m3/min，通過調(diào)整運(yùn)輸巷機(jī)頭風(fēng)門及通過增加軌道巷聯(lián)絡(luò)巷通風(fēng)斷面不能滿足要求時(shí)，將10301 軌道巷風(fēng)筒敷設(shè)至工作面內(nèi)回撤支架位置，同時(shí)開啟兩巷道風(fēng)機(jī)供風(fēng)，工作面封閉完成后，及時(shí)回收兩巷道風(fēng)機(jī)。

圖3 回撤期間風(fēng)量調(diào)整示意圖

3）注水玻璃膠體材料。工作面停采前15 m，每推進(jìn)5 m 在工作面上施工1 道碎煤墻，封堵采空區(qū)未跨落的巷道。向未垮落區(qū)壓注水玻璃膠體材料，對(duì)采空區(qū)遺煤裂隙進(jìn)行封堵，形成隔離帶，控制采空區(qū)漏風(fēng)。鉆孔施工，深淺結(jié)合，工作面架后、架間使用FIV—S/L 型手持式氣動(dòng)鉆機(jī)或幫部錨桿鉆機(jī)施工φ42 mm 鉆孔，鉆孔內(nèi)下φ25 mm 全程套管。10301 工作面回撤期間每組支架架間都要施工，累計(jì)施工此類鉆孔273 個(gè)。此外，工作面架間使用ZQJC-1000/11S 氣動(dòng)柱式鉆機(jī)、φ50 mm 套管及φ50 mm 一次性防火鉆頭，施工φ50 mm 防滅火長(zhǎng)距離鉆孔（一般深度為15～20 m）。10301 工作面回撤期間累計(jì)施工此類鉆孔22 個(gè)。端頭、支架后方注膠示意圖如圖4。

3.2 惰化降氧防火

1）注N2工藝。在進(jìn)風(fēng)端頭埋處預(yù)埋φ108 mm管路，地面制氮機(jī)制氮后通過井下專用注惰氣管路輸送至壓注地點(diǎn)，氮?dú)饬勘３衷?00 m3/h，對(duì)采空區(qū)持續(xù)注氮惰化采空區(qū)。

2）注CO2工藝。①將液態(tài)二氧化碳在地面灌注至型號(hào)為CPW-20 的液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)氣罐內(nèi)，將儲(chǔ)氣罐運(yùn)輸至壓注地點(diǎn)后利用管路向工作面內(nèi)采空區(qū)內(nèi)壓注，通過此工藝，共向工作面采空區(qū)內(nèi)壓注二氧化碳8 罐車，合計(jì)18 t 液態(tài)二氧化碳；②在地面將液態(tài)二氧化碳槽車?yán)谜舭l(fā)器氣化后輸送至儲(chǔ)氣罐內(nèi)，然后通過井下注惰氣管路將氣化后的二氧化碳輸送至壓注地點(diǎn)，通過此工藝，共向工作面采空區(qū)內(nèi)壓注液態(tài)二氧化碳410 t，既實(shí)現(xiàn)了降溫效果，又達(dá)到減氧的目的。

圖4 端頭、支架后方注膠示意圖

3.3 監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

1）人工檢測(cè)。通過CO 便攜儀、CO 檢定管、瓦檢儀、四合一和紅外測(cè)溫儀等工具對(duì)下端頭支架后部、25#、45#、65#、85#、100#、110#、120#支架后部、回風(fēng)隅角（支架后部）等位置每天派專人分3 班進(jìn)行氣體檢測(cè)。

2）束管檢測(cè)。通過人工方式對(duì)回風(fēng)隅角（支架后部）、回風(fēng)流、進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)隔30 m 的3 個(gè)埋點(diǎn)、回風(fēng)巷采空區(qū)隔30 m 的3 個(gè)埋點(diǎn)等位置進(jìn)行氣樣采集，進(jìn)行色譜分析，繪制氣體變化曲線圖，分析氣體變化采取相應(yīng)措施。

3）安全監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)10301 綜放工作面進(jìn)風(fēng)巷，120#架，回風(fēng)隅角，回風(fēng)出口，距工作面10 m，回風(fēng)流等位置的CO、CH4、O2等氣體及溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每天查看各指標(biāo)變化趨勢(shì)，對(duì)采空區(qū)煤自燃情況進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

4 應(yīng)用效果

4.1 撤架防火過程

末采階段（2017-07-15—2017-09-21），綜放工作面供風(fēng)量大于1 100 m3/min，工作面回風(fēng)流中CO濃度處于（5~10）×10-6之間。2017 年9 月25 日，工作面開始撤除設(shè)備。在09-25—10-17 期間，工作面軌道巷主要撤除134#架、133#架、前部運(yùn)輸機(jī)及后部運(yùn)輸機(jī)，回風(fēng)流中CO 濃度處于（5~11）×10-6之間，工作面氣體情況正常。在10-18—10-23 期間，軌道巷撤除切內(nèi)鋪滑板、調(diào)掩護(hù)架等設(shè)備。在此節(jié)點(diǎn)上，對(duì)工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，風(fēng)流方向?yàn)椋很壍老镞M(jìn)風(fēng)，運(yùn)輸巷回風(fēng)?；仫L(fēng)流中CO 濃度出現(xiàn)異常，氣體濃度處于（5~129）×10-6之間，66#~67#架后出現(xiàn)高溫點(diǎn)，采取相應(yīng)措施，于22 日中班處理完畢。2017 年10 月23 日，工作面回風(fēng)流首次出現(xiàn)C2H6，采空區(qū)遺煤溫度已達(dá)到80℃以上。2017 年11 月5日左右，工作面回風(fēng)流中出現(xiàn)C2H4，采空區(qū)遺煤溫度已達(dá)到90℃以上。10-24—10-28 期間撤除支架，平均每天撤架3.7 組。10-28—10-30 期間，斷層面（高點(diǎn)）出現(xiàn)CO，其中29 日中班在97#~98#架間打出高溫點(diǎn)，出現(xiàn)焦油味。工作人員及時(shí)采取措施，在10301 運(yùn)輸巷砸墻2 道各0.5 m3，并在工作面97#~101#架附近施工鉆孔10 個(gè)，并對(duì)上述鉆孔壓注膠體，其中小蘇打105 袋、水玻璃210 桶（0.22 m3/桶）。10 月29 日夜班，工作面注膠5 個(gè)孔，小蘇打78 袋、水玻璃78 桶。

4.2 防火效果分析

10 月30 日早班，通過95#~96#、97#~98#架間監(jiān)測(cè)孔CO 數(shù)據(jù)（圖5、圖6）可知，10-29—10-30 采取的局部預(yù)防措施效果顯著，后續(xù)對(duì)97#~98#附近持續(xù)注膠，CO 濃度呈減小趨勢(shì)，降低到24×10-6以下。

圖5 進(jìn)風(fēng)預(yù)埋束管CO 濃度變化

回撤期間，從10 月23 日工作面回風(fēng)流CO 濃度呈指數(shù)遞增，工作面CO 濃度變化如圖7。產(chǎn)生上述情況的主要原因?yàn)椋孩?0 月20 日風(fēng)流方向調(diào)整，且風(fēng)流從750 m3/min 降到340 m3/min，支架回撤時(shí)頂板垮落，風(fēng)流通過時(shí)帶出大量CO，如圖7（a）；②采空區(qū)遺煤溫度達(dá)到臨界溫度以上，氧化反應(yīng)加劇，CO 產(chǎn)生量急劇上升，撤架期間，工作面回風(fēng)巷嚴(yán)禁行人。根據(jù)上述預(yù)防思路，對(duì)工作面采取相應(yīng)措施，11 月24 日，工作面所有支架撤出，11 月28 日，封閉工作面，回撤歷時(shí)69 d。

圖6 回風(fēng)預(yù)埋束管CO 濃度變化

圖7 工作面CO 濃度變化

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過對(duì)10301 工作面復(fù)雜地質(zhì)條件分析，圍繞“深部控氧、淺部控溫、減氧抑溫”的中心思想，采取可靠的具有針對(duì)性的綜合防滅火技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)工作面撤架工作的順利完成。

2）10301 工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，較一般工作面，自燃危險(xiǎn)性更大。在預(yù)防及治理措施上，圍繞“整體/局部”的思想，對(duì)工作面重大自然發(fā)火隱患區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)防治，其他區(qū)域采取一般預(yù)防措施，保證工作面工作順利進(jìn)行。

3）10301 工作面停采回撤期間主要從堵漏控氧、惰化降氧、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)3 個(gè)方面采取針對(duì)性的防火措施，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施效果顯著，保障了本工作面支架順利回撤。