特厚煤層采煤工作面臨時封閉防滅火技術研究

劉星樂，上官良良 ，李志勇 ，翟智哲 ，李 惠

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦 ，山東 兗州 272102）

0 引 言

興隆莊煤礦10306 工作面位于十采區(qū)中部，切眼以井田邊界保護煤柱為界與東灘礦的14311 設計工作面相鄰，東部與10305 工作面（已回采）相鄰，西南部為八采區(qū)探煤巷。工作面地質構造簡單，煤層總體為一單斜構造，煤層傾角2～18°,平均9°發(fā)育有次一級的波狀起伏，煤層厚度為7.8～10.5m，平均厚度9.37m，工作面所采3 煤自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬于自燃煤層，自然發(fā)火期3～6 個月，最短發(fā)火期44 天。

工作面為“U”型全風壓通風，軌順進風，運順回風 ， 工 作 面 需 風 量 1150m3/min， 實 際 配 風1150～1300m3/min。面長 252m，共有 146 組支架，推進長度1480m，工作面采用綜采放頂煤工藝。工作面回采期間揭露多個斷層，其中，10306F1 19°∠75°H=2.5m 斷層貫穿整個工作面，劉家樓二號斷層265°∠75°H=5.4m 貫穿軌順中部及切眼中部，對采掘生產影響較大。工作面回采期間推過十采四橫中間巷及聯(lián)絡巷、10306 三聯(lián)、10307 三聯(lián)等聯(lián)絡巷。

工作面于2016 年8 月26 日停采，此時礦井安撤任務比較集中，根據(jù)礦接續(xù)情況，重點進行其他安撤工作，礦決定臨時封閉10306 工作面。因工作面停采后擱置時間較長，臨時封閉前，出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，治理完成后，工作面于2016 年10 月11 日臨時封閉。工作面正式停采至臨時封閉共計47 天，自燃發(fā)火防治難度較大，該工作面創(chuàng)新性地實施了綜合防滅火手段，有效緩解煤的自然發(fā)火趨勢，確保了工作面安全順利封閉，措施效果顯著。

1 工作面停采前的防滅火措施

1）末采期間，工作面每推進20m 在進回風隅角施工隔離垛，進風隅角共施工隔離垛6 個，回風隅角共施工3 個。

2） 距停采線50m、30m 處在進風隅角預埋注漿管路，隨工作面回采向外延伸，距停采線45m 時，在回風隅角處預埋一路注漿管路，隨工作面回采向外延伸。

3）距停采線20m、10m 時，分別在兩隅角施工夾心隔離垛，中間壓注LFM充填材料，將夾心隔離垛空間充滿，并在外側噴涂堵漏材料，見圖1。

圖1 10306 面隅角充填隔離

4）利用回風隅角預留的束管，每天抽取回風隅角氣體進行化驗分析。每3 天對10306 工作面進行一次全面的測風，重點檢查回風流、回風隅角氣體情況。

2 工作面停采條件及采取的措施

工作面6- 8 月份推進度分別為82.5m、93.5m、52m（截至停采），回收率分別為93.6%、90.13%、85.62%。截止8 月26 日，工作面完成回采，停采線位于軌順149#、運順147# 位置，停采線附近揭露10305F6 斷層，落差3.2 m。工作面末采期間為俯采推進，至停采線運順比軌順高25m，且停采線處頂板整體較為破碎，工作面形成多處網(wǎng)兜且有離層現(xiàn)象。同時，受斷層及停采前敷設金屬網(wǎng)加固頂板未放頂煤影響，末采階段采空區(qū)遺煤較多，防滅火形勢極為嚴峻。

1）工作面停采后，立即在兩隅角施工一道隔離垛封閉隅角。向軌順夾心隔離垛、運順隔離垛外噴注SFT 堵漏材料，對工作面10- 120# 支架前破碎煤體及網(wǎng)兜噴灑堵漏材料，封堵漏風通道，減少向本面采空區(qū)漏風供氧。對工作面回采過程中推過的10307 三聯(lián)、10306 三聯(lián)等聯(lián)絡巷密閉加固，減少后部漏風。

2） 調整通風系統(tǒng)，縮減工作面供風量，由1150m3/min 減少到 680m3/min 左右。

3）工作面停采后，對架間、架后破碎煤體施工防火鉆孔，架前孔深8～10m,角度40°，架中孔深6～8m，角度30°，架后孔深2～4m，角度35°，見圖2。

圖2 10306 面架間防火鉆孔

對所有鉆孔壓注MEA 防火劑，反復壓注約2 遍，重點對工作面架間破碎帶和離層區(qū)域92- 145# 支架間壓注凝膠。

4）分別在工作面上、下頭安裝局部通風機備用。

5）停采后，每天對撤除工作面全面測風，重點對隅角、架間防火鉆孔內氣體（溫度）檢測，取樣并化驗分析，利用預埋束管和傳感器（溫度、CO）對工作面進行監(jiān)控，結合氣體（溫度）檢測結果，對異常區(qū)域重點壓注MEA 防火劑。每班至少兩次檢查工作面回風流、架間和隅角的瓦斯和CO 濃度及溫度情況，束管監(jiān)測系統(tǒng)每天保持至少連續(xù)抽氣6 小時以上。

3 工作面發(fā)展狀況

10306 工作面自停采后，在9 月份，各項防治自然發(fā)火措施落實到位，束管監(jiān)測系統(tǒng)取樣分析數(shù)據(jù)正常，未發(fā)現(xiàn)指標氣體。工作面回風流、回風隅角及重點支架鉆孔內CO 及溫度通過取樣化驗分析數(shù)據(jù)形成如3 所示。

圖 3 10306 面溫度、CO 濃度

10 月3 日上午，通過回風隅角內預埋束管發(fā)現(xiàn)氣體異常，抽取氣體分析結果發(fā)現(xiàn)C2H4，濃度7ppm，此時回風流中無CO，當日下午，回風流中開始出現(xiàn)CO，最高濃度為35ppm，監(jiān)測束管氣體中C2H4范圍在 4～29ppm，見圖 4。

圖4 10306 面回風流CO 濃度

10 月4 日凌晨，工作面回風流中CO 濃度在10～132ppm 之間波動，當日回風流中CO 最大濃度為460ppm，高峰數(shù)值主要集中在14:00- 20:00，回風隅角內束管檢測C2H4濃度全天呈上升趨勢，最大50 ppm，判定工作面出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，見圖5.

圖5 10306 面回風流CO 濃度

4 自燃隱患治理過程

1）自10 月3 日發(fā)現(xiàn)工作面氣體異常后，采取了向回風隅角充填LFM材料堵漏、向采空區(qū)壓注粉煤灰漿的措施。10 月4- 5 日，回風流中CO 和監(jiān)測束管氣體中 C2H4平均濃度均大幅度上升，CO 最高737ppm、C2H4最高75ppm，經研究制定隱患治理方案：①立即開啟運順局部通風機，降低回風隅角、回風順槽CO 濃度，便于開展施工鉆孔、注凝膠、注惰性氣體等防滅火工作；②對回風隅角持續(xù)壓注液態(tài)二氧化碳，減緩煤層自燃發(fā)火趨勢，控制回風流CO 濃度。③迅速對工作面架間及兩端頭鉆孔普注凝膠，對工作面架間后部裸露煤體噴涂堵漏材料，減少漏風供氧，惰化破碎煤體。④工作面增設防火觀測點，加強氣體取樣化驗分析力度，對氣體、溫度較高區(qū)域重點壓注凝膠。

2）10 月 6 日，回風流中 CO 濃度 12:00- 13:00 期間短暫驟升高，全天其余時間呈小幅度下降趨勢，平均在200～400ppm，監(jiān)測束管氣體中C2H4濃度全天下降，由71ppm 降至49ppm，工作面架間開始出現(xiàn)CO,氣體蔓延至60# 支架附近，在200ppmm 上下浮動；

3）10 月7 日，回風流中CO 濃度最高715ppm，平均在100～300 ppm，監(jiān)測束管氣體中C2H4濃度降至31ppm，工作面架間CO 最多蔓延至80# 支架附近，在200ppmm 上下浮動，當天中班后段，漸漸下降；

4）10 月8 日，回風流中CO 濃度最高815ppm，平均在50～200 ppm，監(jiān)測束管氣體中C2H2濃度一直在下降，至11:00 后未再發(fā)現(xiàn)C2H4，工作面早班，工作面 10# 架間 CO 基本穩(wěn)定在 20 ppm 以下，10# 支架以上未再發(fā)現(xiàn)CO。工作面CO 濃度處于低濃度狀態(tài)的時間相對較長，開始撤除設備。

5）自 10 月 9 日起，不再壓注液態(tài) CO2，主要對架間高濃度鉆孔、斷層帶、進風端頭壓注凝膠，利用運順回風流中CO 濃度相對較低時段，繼續(xù)撤除設備，為避免隅角隔離垛被壓跨造成CO 大量外溢，對回風隅角隔離垛復噴賽福特堵漏風，并在兩順槽做封閉準備工作。

10 月9 日至11 日，回風流中CO 濃度急劇下降，除受大氣壓影響出現(xiàn)短暫驟升高，其他時間穩(wěn)定在0～24ppm，監(jiān)測束管氣體中 C2H4在 10 月 9 日 - 10 日未出現(xiàn)。10 月11 日，工作面完成臨時封閉工作，兩巷開啟局部通風機，見圖6、圖7。

圖6 10306 面回風隅角、回風流氣體

圖7 10306 面回風隅角氣體烯烷比

5 應急處置措施

制定了工作面撤除期間的應急預案，并在10306工作面回風路線的各岔口進風側設置警戒，嚴禁人員進入回風流內，受影響區(qū)域內安設CO 傳感器，工作人員佩戴便攜式CO 檢測儀，一旦出現(xiàn)氣體異常，按避災路線撤離。工作面兩巷準備木板、快速噴涂材料等物品，一旦無法控制自燃趨勢時，可隨時封閉工作面，減少事故影響范圍和損失程度。

6 自燃隱患分析

6.1 系統(tǒng)因素

10306 工作面停采撤除期間，10307 綜放面正回采，兩工作位置關系如圖8，10307 切眼沿10306 采空區(qū)布置，留設5m 煤柱，10307 回采后，受采動壓力影響，預留煤柱基本破損倒塌，兩工作面采空區(qū)連通，因采用綜采放頂煤工藝，10307 工作面兩端頭向采空區(qū)漏風，即使施工隔離垛封堵，也會形成漏風供氧通道，導致采空區(qū)遺煤自燃，見圖8。

圖8 工作面位置關系

6.2 技術因素

1）工作面防滅火措施落實不到位。一是對兩端頭的封堵效果差。停采后現(xiàn)場條件差，兩隅角封堵滯后，且未對兩端頭周邊支架后部裸露煤體封堵，封堵范圍小。二是對10306 工作面支架后部破碎煤體的防滅火處理不到位，支架后部丟煤區(qū)部分鉆孔深度不夠，角度不合理，在壓注過程中，漏液比較嚴重，個別鉆孔防火劑壓注量不足。三是對可能出現(xiàn)自燃隱患的頂板破碎區(qū)、離層帶及地質構造附近區(qū)域未重點處理。

2）礦井防滅火技術手段單一。工作面停采后，僅對停采線壓注普通防火劑和粉煤灰漿，停采時間接近煤層最短發(fā)火期時，未應用壓注凝膠、惰性氣體等其它綜合防滅火措施，自然發(fā)火風險管控不到位。

6.3 管理因素

未考慮到厚煤層停采工作面長期擱置可能造成的隱患，應及時臨時封閉工作面。

7 結 論

采用綜放工藝的特厚煤層采煤工作面，其停采撤除期間防滅火工作是非常復雜的系統(tǒng)工程和技術難題，工作面停采后，煤層長期暴漏在空氣中，很容易具備自燃的條件，防治煤層自然發(fā)火措施具有時效性，必須及時落實到位，而在接近工作面煤層最短自然發(fā)火期時，尤其要重視，加強監(jiān)測監(jiān)控，及時分析檢測數(shù)據(jù)，一旦出現(xiàn)指標性氣體，迅速采取綜合防滅火措施，抑制氧化速度，控制發(fā)展趨勢，落實治理措施。

興隆莊礦10306 工作面停采后長期擱置，出現(xiàn)自然發(fā)火隱患，在采取綜合防滅火措施后成功治理隱患，按礦整體工作部署臨時封閉工作面，隱患治理過程驗證了特厚煤層采煤工作面自然發(fā)火的復雜性，完善了礦井的防滅火技術體系，為防治厚煤層綜放工作面煤層自然發(fā)火積累寶貴經驗。