大采高綜放工作面停采撤架期間防滅火技術(shù)

孔慶軍，路慶彬，吳建賓，王 強(qiáng)，拓龍龍,3

(1.兗州煤業(yè)貴州能化有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550022；2.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；3.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

大采高綜放工作面停采撤架期間受不放頂煤，以及采空區(qū)遺煤多且煤體破碎、漏風(fēng)通道多等因素困擾[1-3]，因此，在此期間極易發(fā)生采空區(qū)和局部區(qū)域煤自燃，更嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)礦井火災(zāi)，影響礦井安全生產(chǎn)[4-6]。我國(guó)各大煤炭主要產(chǎn)區(qū)均存在工作面回撤期間煤自然發(fā)火問(wèn)題[7-9]。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用注水、黃泥注漿、噴灑阻化劑、注惰性氣體等技術(shù)，對(duì)工作面停采撤架期間煤自燃進(jìn)行有效防治[10-12]。根據(jù)大采高綜放工作面的回采特點(diǎn)，在工作面末采期間采用隔離封堵、預(yù)埋滅火管路和氣體監(jiān)測(cè)等針對(duì)性措施，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行預(yù)防性防滅火治理，能更有效地降低煤自燃危險(xiǎn)性[13-14]。

結(jié)合石拉烏素煤礦221上06A大采高綜放工作面開(kāi)采工藝特點(diǎn)，在末采階段采取針對(duì)性的措施，并在停采撤架期間容易發(fā)生煤自燃的區(qū)域，進(jìn)行注膠封堵、調(diào)控工作面配風(fēng)和氣體監(jiān)測(cè)措施，預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃，確保了工作面支架安全回撤。

1 工作面概況

石拉烏素煤礦221上06A工作面為井田南翼首采工作面，位于221采區(qū)西南部。其東側(cè)為221上08綜放工作面(未采)，北距大巷保護(hù)煤柱240 m，西為設(shè)計(jì)221上04綜放工作面(未采)。工作面長(zhǎng)1 103.9 m、寬290.5 m，工作面主采煤層為2-2煤層，煤層厚度9.3～10.4 m，平均厚度9.56 m，煤層夾矸由南向北逐漸變厚(0.5～2.5 m)，2-2中煤層厚3.89 m，2-2上煤層厚5.35 m。221上06A工作面采用“U”型通風(fēng)，輔助運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、膠帶運(yùn)輸巷回風(fēng)，正常生產(chǎn)期間工作面配風(fēng)量為2 300 m3/min。工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系示意圖

221上06A工作面運(yùn)輸巷長(zhǎng)1 123.9 m，工作面長(zhǎng) 290.5 m，截至2019年10月8日，工作面輔助運(yùn)輸巷剩余44.7 m，膠帶運(yùn)輸巷剩余46.7 m至停采線(xiàn)，回采期間采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)為18%，回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)為6%，工作面于2019年10月25日回采結(jié)束。

2 煤自燃防治重點(diǎn)分析

221上06A工作面主采的2-2煤層為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為44 d。大采高工作面煤層較厚，采用綜放技術(shù)致使采空區(qū)存在大量遺煤，同時(shí)大采高開(kāi)采導(dǎo)致該工作面承受很強(qiáng)的地壓作用，從而使煤層在開(kāi)采過(guò)程中受采動(dòng)壓力的作用而破碎，形成大量的漏風(fēng)通道。

在221上06A工作面開(kāi)采過(guò)程中，由于工作面輔助運(yùn)輸巷、膠帶運(yùn)輸巷整體沒(méi)有放煤，頂板垮落不充分，因此，兩運(yùn)輸巷端頭位置具備較好的漏風(fēng)條件，且采空區(qū)堆積碎煤較多;在工作面架后采空區(qū)域，工作面末采15.5 m時(shí)開(kāi)始支架上網(wǎng)，上網(wǎng)后后部刮板輸送機(jī)不再放煤，架后丟煤厚度為2.1～3.7 m;回撤通道三岔口位置頂煤厚度達(dá)到2.8 m，受動(dòng)壓影響煤體較為破碎。這些都為煤自燃提供了有利條件。

3 防滅火技術(shù)方法

3.1 末采期間防滅火

為防止工作面回采撤架期間出現(xiàn)采空區(qū)煤自燃，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤自燃的超前預(yù)防和控制[15-16]，針對(duì)大采高綜放工作面的回采特點(diǎn)，從氣體檢測(cè)、施工隔離墻封堵漏風(fēng)、預(yù)埋防滅火管路、施工防滅火注膠管路等方面入手，對(duì)末采期間可能發(fā)生煤自燃的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行超前預(yù)防，提高末期開(kāi)采的安全性并減輕停采撤架期間的防滅火工作壓力[17-18]。

3.1.1 氣體檢測(cè)

在221上06A工作面兩運(yùn)輸巷距設(shè)計(jì)終采線(xiàn) 50 m 時(shí)分別預(yù)埋2路束管(束管布置如圖2所示)，對(duì)采空區(qū)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)束管取樣分析采空區(qū)氣體濃度來(lái)判斷檢測(cè)地點(diǎn)遺煤自燃狀況。同時(shí)，瓦斯檢查員每班對(duì)工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷等地點(diǎn)氣體的濃度檢測(cè)2次，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)。在工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷安設(shè)一氧化碳傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體濃度變化情況。

圖2 束管和隔離墻布置示意圖

3.1.2 施工隔離墻封堵漏風(fēng)

減少采空區(qū)漏風(fēng)是控制煤自燃的有效手段，因此在采空區(qū)兩巷施工隔離墻進(jìn)行封堵，可以有效降低采空區(qū)氧濃度和漏風(fēng)量，抑制采空區(qū)遺留煤炭自燃的發(fā)展[19-20]。

當(dāng)工作面距終采線(xiàn)小于100 m時(shí)，在兩運(yùn)輸巷端頭每隔30 m分別施工1道1 m厚煤袋隔離墻，當(dāng)工作面距終采線(xiàn)15.5 m開(kāi)始上網(wǎng)時(shí)，在兩運(yùn)輸巷端頭分別施工1道1 m厚煤袋隔離墻，減少向采空區(qū)漏風(fēng)。當(dāng)工作面不再拉架后在膠帶運(yùn)輸巷端頭施工1道煤袋隔離墻，在輔助運(yùn)輸巷施工2道1 m厚煤袋隔離墻，在兩隔離墻上分別噴涂高分子膨脹材料賽福特，2道隔離墻間距1 m，在隔離墻間預(yù)埋3路DN50 mm注膠鋼管，通過(guò)注膠鋼管向隔離墻間壓注凝膠，當(dāng)兩隔離墻間充滿(mǎn)凝膠后，可封堵漏風(fēng)通道，減少了漏向采空區(qū)的風(fēng)量。各隔離墻布置位置見(jiàn)圖2。

3.1.3 預(yù)埋防滅火管路

從工作面距終采線(xiàn)50 m位置開(kāi)始，將輔助運(yùn)輸巷?108 mm注氮管路自隅角位置斷開(kāi)并開(kāi)始向采空區(qū)預(yù)埋，同時(shí)將出口抬高至底板以上1.5 m處，防止進(jìn)水。將膠帶運(yùn)輸巷?108 mm注漿管路自隅角位置斷開(kāi)并開(kāi)始向采空區(qū)預(yù)埋，同樣將出口抬高至底板以上1.5 m處，防止進(jìn)水。

3.1.4 加工防滅火注膠管

根據(jù)終采線(xiàn)剖面預(yù)測(cè)，對(duì)終采線(xiàn)架間及架后防滅火鉆孔深度及角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，并組織人員進(jìn)行加工。花管采用長(zhǎng)2 m、直徑25 mm的鋼管加工，一頭套絲，另一頭切成尖頭并砸扁，管中間均勻布置直徑10 mm的孔眼。直管采用長(zhǎng)1 m和2 m、直徑25 mm的鋼管加工，直管兩端頭套絲。

3.2 停采回撤期間防滅火

停采后開(kāi)始對(duì)工作面采取針對(duì)性的防滅火措施，針對(duì)工作面架后采空區(qū)遺煤多且煤體破碎的特點(diǎn)，采取注膠封堵的方法惰化采空區(qū)，同時(shí)通過(guò)噴灑阻化劑降低煤自燃活性，并采取調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)降低采空區(qū)的漏風(fēng)量。此外，采取噴灑阻化劑、工作面架間注膠等方法，對(duì)停采撤架期間采空區(qū)煤自燃進(jìn)行主動(dòng)預(yù)防，積極控制。

3.2.1 停采后及時(shí)降低工作面配風(fēng)量

工作面停采后對(duì)工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)輔助運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷風(fēng)門(mén)將工作面風(fēng)量控制在 1 290 m3/min左右，減少了兩端頭壓差，從而降低了向采空區(qū)的漏風(fēng)量，有效抑制了工作面自然發(fā)火。在輔助運(yùn)輸巷聯(lián)絡(luò)巷和221上08聯(lián)絡(luò)巷分別安裝了 2臺(tái) 37 kW局部通風(fēng)機(jī)，采用雙風(fēng)機(jī)雙電源配置，保證能隨時(shí)投入使用。隨著工作面支架回撤，在膠帶運(yùn)輸巷終采線(xiàn)位置、回撤通道終采線(xiàn)位置分別施工全斷面木垛，工作面內(nèi)每撤除一個(gè)支架后施工一個(gè)木垛，預(yù)留通風(fēng)通道，工作面撤除過(guò)程中采用全負(fù)壓通風(fēng)方式，保障了工作面風(fēng)量，為工作面回撤創(chuàng)造了有利條件，確保了回撤速度。在工作面回撤初期、末期和封閉期間的通風(fēng)系統(tǒng)如圖3所示。

(a)回撤初期

(b)回撤末期和封閉期間圖3 回撤期間工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

3.2.2 噴灑阻化劑

工作面停采后向架間、架后、兩端頭煤體噴灑阻化劑，預(yù)防煤自然發(fā)火。

3.2.3 工作面兩端頭注膠封堵

工作面停采后在進(jìn)風(fēng)隅角向端頭煤體扇形布置6個(gè)防滅火鉆孔，鉆孔深度10～15 m，孔套管預(yù)留至隔離墻外側(cè)，膠帶運(yùn)輸巷端頭6個(gè)防滅火鉆孔布置在巷尾支架與1#支架、1#與2#支架之間，在兩端頭及輔助運(yùn)輸巷隔離墻間累計(jì)壓注凝膠67 m3。

3.2.4 工作面架間注膠封堵

1)支架調(diào)整：工作面停采前，調(diào)整支架間距不小于100～150 mm，便于施工架間鉆孔。

2)工作面停采第1個(gè)班，組織掘進(jìn)隊(duì)伍安裝停采面壓風(fēng)供水管路，壓風(fēng)管采用?108 mm鋼管，供水管路采用?51 mm膠管，壓風(fēng)供水管路與兩運(yùn)輸巷壓風(fēng)供水管路合茬，形成壓風(fēng)、供水系統(tǒng)，壓風(fēng)管路沿工作面前立柱下部敷設(shè)。實(shí)現(xiàn)兩部錨桿鉆機(jī)同時(shí)施工防滅火鉆孔。

3)架間鉆孔布置：工作面共有143個(gè)支架，按每架施工2個(gè)鉆孔，共設(shè)計(jì)284個(gè)鉆孔，實(shí)際施工架間鉆孔263個(gè)，其中有21個(gè)支架因架間間隙較小，無(wú)法施工鉆孔。鉆孔布置參數(shù)如下：

①鉆孔1′:開(kāi)孔點(diǎn)在支架頂梁與前立柱交接位置，終孔點(diǎn)為支架頂梁與掩后梁交接位置上方，開(kāi)孔角度為51°～60°，孔深3～8 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，最里端為長(zhǎng)2 m花管，封孔長(zhǎng)度3～8 m。

②鉆孔1:開(kāi)孔點(diǎn)在支架頂梁與掩后梁交接位置，終孔點(diǎn)為支架尾梁上方位置，開(kāi)孔角度為45°，孔深3～6 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，最里端為長(zhǎng) 2 m 花管，封孔長(zhǎng)度3～6 m。

鉆孔1′和鉆孔1布置參數(shù)如圖4所示。

圖4 鉆孔1′和鉆孔1布置參數(shù)

③鉆孔2:開(kāi)孔點(diǎn)在尾梁位置，終孔點(diǎn)為支架尾梁向采空區(qū)位置，開(kāi)孔角度為36°，孔深3 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，最里端為長(zhǎng) 2 m 花管，封孔長(zhǎng)度3 m。鉆孔2布置參數(shù)如圖5所示。

圖5 鉆孔2布置參數(shù)

鉆孔1、鉆孔1′和鉆孔2在膠帶運(yùn)輸巷和輔助運(yùn)輸巷中防滅火鉆孔布置示意圖如圖6所示。

(a)膠帶運(yùn)輸巷

(b)輔助運(yùn)輸巷圖6 防滅火鉆孔布置示意圖

④防滅火鉆孔采用MQT-130型錨桿鉆機(jī)配合?42 mm鉆頭及麻花鉆桿進(jìn)行施工，初期采用麻皮進(jìn)行封孔，鉆孔周邊漏膠嚴(yán)重，效果不理想。后期在注膠鋼管與鉆孔之間留設(shè)亞太膠管，采用2ZBQ24/10型煤礦用氣動(dòng)注漿泵通過(guò)預(yù)埋亞太膠管向鋼管與鉆孔之間的縫隙壓注水泥漿進(jìn)行封孔，杜絕了鉆孔周邊出現(xiàn)漏膠現(xiàn)象。

3.2.5 壓注膠體防火

1)注膠防火

①在兩運(yùn)輸巷端頭及隔離墻間壓注凝膠，兩端頭防滅火鉆孔及輔助運(yùn)輸巷隔離墻間累計(jì)壓注凝膠67.0 m3。

②工作面支架架間充填“MEA-1”，鉆孔1、鉆孔2單鉆孔設(shè)計(jì)注膠量為3.0 m3，實(shí)際注膠量在0.5～3.0 m3不等，架間累計(jì)注膠528.4 m3。

2)注膠工藝

①兩端頭壓注凝膠采用2ZBQ150/6型煤礦氣動(dòng)注漿泵現(xiàn)場(chǎng)注膠工藝，采用的是以水玻璃為基料，小蘇打?yàn)榇倌齽┑臒o(wú)機(jī)硅凝膠，其中基料在凝膠中質(zhì)量占比為8%～10%，促凝劑質(zhì)量占比為3%～5%。

②架間注膠采用2ZBQ150/6型煤礦氣動(dòng)注漿泵現(xiàn)場(chǎng)注膠工藝，對(duì)終采工作面架后采空區(qū)壓注“MEA-1”膠體，現(xiàn)場(chǎng)配制MEA膠體，溶液質(zhì)量配比m(MEA-1)∶m(水)=1∶100～120。

輔助運(yùn)輸巷注膠場(chǎng)地設(shè)置在進(jìn)風(fēng)隅角位置，膠帶運(yùn)輸巷注膠場(chǎng)地設(shè)置在221上08聯(lián)絡(luò)巷，221上08聯(lián)絡(luò)巷注膠泵至回風(fēng)隅角敷設(shè)2路DN25 mm注膠軟管，工作面內(nèi)敷設(shè)2路?19 mm的注膠管，在工作面內(nèi)注膠管接分流器，分流器與支架間鉆孔連接，每次注4個(gè)孔。

③鉆孔注膠完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了補(bǔ)注。

3.2.6 氣體監(jiān)測(cè)

工作面停采后在回風(fēng)隅角、工作面及回風(fēng)巷布置甲烷傳感器和一氧化碳傳感器進(jìn)行正常實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在工作面支架間和架后分別施工1個(gè)檢測(cè)孔，累計(jì)施工檢測(cè)孔28個(gè)，檢測(cè)孔孔深4～5 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，鋼管內(nèi)敷設(shè)1路束管，鋼管開(kāi)口用水泥封堵，確保嚴(yán)密不漏風(fēng)，并將束管引至架前位置方便取樣。安排專(zhuān)人每天中班對(duì)工作面架間預(yù)埋束管、兩運(yùn)輸巷采空區(qū)預(yù)埋束管及回風(fēng)隅角氣體進(jìn)行檢測(cè)并取樣分析，回撤后期及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)。瓦斯檢查員除每班正常對(duì)工作面、回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷、作業(yè)地點(diǎn)等進(jìn)行氣體溫度檢測(cè)外，還要對(duì)每個(gè)架間、架后的氣體濃度及溫度進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)掌握氣體濃度及溫度變化情況?；爻烦跗跍y(cè)風(fēng)員每?jī)商熘辽賹?duì)工作面風(fēng)量測(cè)定 1次，回撤后期測(cè)風(fēng)員每天至少對(duì)工作面風(fēng)量測(cè)定 1次，確保工作面風(fēng)量滿(mǎn)足要求。

3.2.7 注氮惰化采空區(qū)

停采回撤期間，通過(guò)輔助運(yùn)輸巷預(yù)埋注氮管路向采空區(qū)壓注氮?dú)猓⒌靠刂圃?00 m3/h左右，泄水巷注氮量在200 m3/h左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)結(jié)果，工作面未發(fā)現(xiàn)低氧區(qū)。工作面自10月28日兩端頭隔離墻施工完畢后開(kāi)始注氮，截至12月5日中班工作面封閉完成，累計(jì)注氮49.4 萬(wàn)m3。

4 應(yīng)用效果

2019年11月4日至12月2日撤架期間，對(duì)工作面架間CO和O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到CO和O2體積分?jǐn)?shù)隨撤架時(shí)間的變化規(guī)律，其變化曲線(xiàn)如圖7所示。

(a)回撤期間CO體積分?jǐn)?shù)變化

(b)回撤期間O2體積分?jǐn)?shù)變化圖7 停采撤架期間各測(cè)點(diǎn)CO和O2體積分?jǐn)?shù)變化

由圖7(a)可以看出，6個(gè)架間測(cè)點(diǎn)、進(jìn)風(fēng)隅角和回風(fēng)隅角測(cè)點(diǎn)處CO體積分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。隨著工作面撤架過(guò)程中封堵注膠量的逐漸增加，降低了向采空區(qū)的漏風(fēng)量，在工作面后部采空區(qū)壓縮了煤自燃的空間，從而降低了煤自燃危險(xiǎn)性。

在工作面末采期間通過(guò)預(yù)埋氣體監(jiān)測(cè)管路，為工作面回撤期間進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)，并通過(guò)在回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷安設(shè)一氧化碳傳感器監(jiān)測(cè)回風(fēng)流中的CO濃度，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)報(bào)警。同時(shí)，施工隔離墻封堵對(duì)采空區(qū)的漏風(fēng)、預(yù)埋防滅火管路及加工防滅火注膠管均對(duì)工作面回撤期間所采取的防滅火措施進(jìn)行了提前布置，為回撤期間防滅火措施的高效可靠運(yùn)行提供了前期保障。

由圖7(b)可以看出，在工作面架間測(cè)點(diǎn)位置O2體積分?jǐn)?shù)在回撤期間基本保持在20%左右，而工作面架間各測(cè)點(diǎn)在回撤期間CO體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并在有些測(cè)點(diǎn)位置CO下降至0。這表明雖然O2體積分?jǐn)?shù)滿(mǎn)足煤自燃條件，但通過(guò)防滅火措施有效控制了采空區(qū)煤自燃現(xiàn)象，確保了工作面的安全回撤。

5 結(jié)論

1)221上06A大采高綜放工作面受采動(dòng)壓力影響造成煤體破碎，形成大量的漏風(fēng)通道，并且因大采高造成采空區(qū)丟煤、碎煤較多，末采階段后部運(yùn)輸機(jī)不再放煤，架后丟煤厚度為2.1～3.7 m，煤自燃危險(xiǎn)性高，需采用針對(duì)性的措施進(jìn)行防控。

2)為防止停采撤架期間出現(xiàn)煤自燃，在工作面末采期間采取氣體監(jiān)測(cè)、施工隔離墻、預(yù)埋防滅火管路等措施，對(duì)停采撤架期間可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素進(jìn)行針對(duì)性預(yù)防及控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)煤自燃的超前防控。

3)針對(duì)大采高綜放工作面造成的漏風(fēng)問(wèn)題，采取減少工作面配風(fēng)量，在兩運(yùn)輸端頭和工作面架間進(jìn)行注膠封堵等措施，減少了采空區(qū)的漏風(fēng)通道，同時(shí)注氮惰化采空區(qū)，取得了良好的防治效果。