近距離緩傾斜煤層群開采工作面自燃防治技術(shù)

陳慶豐

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國大部分煤田均為多層距離比較近的可采煤層[1]，而近距離煤層群在開采過程中，上覆煤層采空區(qū)垮落到本煤層采空區(qū)，形成大范圍復合采空區(qū)。緩傾斜厚煤層由于賦存條件較好，適合布置較大工作面，因此投入設(shè)備多，支架噸位大，加之綜采放頂煤工藝，決定工作面采空區(qū)存在較多遺煤[2-3]；受采動礦壓的影響下，大量裂隙通道會在本煤層與周邊四鄰的煤層采空區(qū)之間形成，導致開采工作面采空區(qū)與上覆復合采空區(qū)及地表裂隙之間存在復雜的漏風[4-5]。

屯寶煤礦開采M4-5、M9-10、M14、M15 等煤層，各煤層間距較近，每個煤層布置2 個綜放工作面，自上而下開采煤層。其中M14 煤層與M15 煤層平均間距僅為5 m，各煤層均為自燃煤層，M14 煤層最短發(fā)火期僅為34 d，M15 煤層最短自然發(fā)火期為36 d。工作面受重復采動影響，地表采動裂隙發(fā)育，漏風通道通暢，礦井漏風規(guī)律不明，井下漏風嚴重[6-7]。由于工作面布置支架多，在撤架時期，受限于巷道尺寸及回撤工藝制約，支架拆解工序繁瑣，導致工作面回撤周期往往持續(xù)2～3 個月甚至更長，采空區(qū)松散煤體供氧蓄熱條件充足[8-9]，導致從M9-10 煤層工作面開始，在回撤期間基本上都出現(xiàn)自燃征兆，嚴重威脅工作面撤架安全，而回撤期間防治遺煤自燃手段單一，采取開放注氮或者埋管灌漿等措施難以防治高位破碎煤體自燃[10]，為此針對近距離緩傾斜煤層自燃防治技術(shù)進行研究，保障工作面安全回撤。

1 工作面回撤工藝與自燃原因分析

1.1 各煤層工作面回撤經(jīng)過

各煤層工作面位置示意圖如圖1。

圖1 各煤層工作面位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the position of each coal seam working face

1）M9-10 煤 層 工 作 面。M9-10 煤 層 布 置 的I01091002 和I01091003 2 個綜放工作面，I01091002工作面于2013 年8 月15 日開始回撤工作，10 月2日該工作面回撤到50#支架時因為工作面CO 氣體體積分數(shù)超限被迫停止撤架工作，歷時3 個多月回撤完畢。I01091003 綜采工作面于2014 年6 月19 日開始礦務工程施工，歷時5 個多月回撤完畢，期間工作面CO 氣體體積分數(shù)波動頻繁。

2）M14 煤層工作面。M14 煤層布置I011401 和I011402 2 個綜放工作面。2015 年11 月3 日開始回撤工作，I011401 工作面于礦務工程期間16#支架處有霧氣，工作面CO 含量升高被迫封閉進行處理。工作面整個回撤總用時107 d。I011402 工作面回撤用時99 d。

3）M15 煤層工作面。M15 煤層布置I011501 和I011502 2 個綜放工作面。I011501 工作面于2018 年3 月24 日開始撤架，夜班2#～7#支架CO 氣體異常升高，并伴有青煙冒出，同時工作面回風流CO 體積分數(shù)升高。工作面回撤用時100 d 永久封閉。I011502工作面因為布置較小，歷時41 d 安全回撤完畢。

1.2 自燃原因分析

通過對I01091002、I01091003、I011401 和I011501等工作面在撤架期間出現(xiàn)自燃征兆進行分析，發(fā)現(xiàn)這些工作面撤架周期都在3 個月以上，遠遠超過煤層最短自然發(fā)火期；且工作面采空區(qū)對應地表裂隙發(fā)育，地表回填不及時，導致工作面與上層采空區(qū)，采空區(qū)與采空區(qū)，采空區(qū)區(qū)地表裂隙之間相互連通，采空區(qū)漏風嚴重。采空區(qū)架后及頂部破碎煤體供氧蓄熱條件充足，一旦超過最短自然發(fā)火期，就會出現(xiàn)自燃征兆。自燃風險區(qū)域主要有以下幾個：

1）架頂破碎煤體是自燃火災的高發(fā)區(qū)。受上部煤層及本煤層開采影響，支架頂部煤體破碎較為嚴重，而工作面礦務工程階段不放頂煤，在工作面漏風、地表漏風等作用下，支架上部及0～6 m（架后不放煤區(qū)域）散熱帶區(qū)域的上部破碎煤體內(nèi)也有氧化帶分布，支架及0～6 m 散熱帶區(qū)域上部氧化帶約距離支架頂部5 m 以上。

2）采空區(qū)氧化帶是最易自燃的區(qū)域。由于礦務工程耗時長，采空區(qū)氧化帶內(nèi)遺煤氧化時間已經(jīng)超過最短自然發(fā)火期，雖然保護性封閉后，氧化帶處于窒熄狀態(tài)中，煤溫等有所下降，但啟封重新供氧后，氧化帶內(nèi)遺煤將繼續(xù)氧化，是最易發(fā)生煤自燃的區(qū)域。

2 煤自燃防治技術(shù)

2.1 技術(shù)思路

防治煤炭自燃，需從破壞煤體的連續(xù)供氧條件、蓄熱環(huán)境、減少氧化總時間出發(fā)。根據(jù)屯寶煤礦實際情況，圍繞工作面回撤時期的火災防控安全，提出“全程監(jiān)測、管風降氧、控制煤溫、優(yōu)化工藝”的防滅火思路：即在不同的末采回撤階段，根據(jù)自然發(fā)火高危區(qū)域分析，通過全程監(jiān)測，及時了解煤體的自燃狀態(tài)；通過管風堵漏，最大限度的減少漏風，杜絕上部采空區(qū)發(fā)生自燃的可能，縮小本采空區(qū)氧化帶的分布范圍；利用注氮等措施，提高采空區(qū)壓能，降低氧化帶內(nèi)的氧氣含量，將氧化帶范圍控制到架后可用鉆孔覆蓋的區(qū)域內(nèi)；施工鉆孔注水、注漿等措施控制氧化帶內(nèi)的煤溫，使煤體溫度無法升高，從而主動抑制采空區(qū)遺煤自然發(fā)火進程，對高危發(fā)火區(qū)域全范圍全斷面防滅火措施覆蓋；為縮短煤氧化時間，還需優(yōu)化回撤工藝，主動加快回撤進度，以空間換時間。

2.2 專項防滅火措施

1）全程監(jiān)控。末采期間在回風隅角及回撤通道架后25、15、5 m 位置，分別敷設(shè)3 趟鉑電阻和束管，并在架后5 m 沿工作面傾向方向布置鉑電阻監(jiān)測點對架后氣體和溫度變化進行監(jiān)測，全程對工作面區(qū)域及架后采空區(qū)的氣體及溫度進行實時全程監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測情況及時調(diào)整工作面防滅火措施。

2）管風降氧。漏風通道及規(guī)律測定：利用SF6氣體分時段分區(qū)域檢測井下采空區(qū)之間、工作面與地表之間的漏風通道及漏風流向，基本摸清了井上下漏風區(qū)域，總結(jié)出礦井漏風規(guī)律。①地面裂隙封堵：屯寶煤礦地表裂隙發(fā)育范圍、寬度大，造成了復雜嚴重的地表漏風，通過封堵地表裂隙，可有效的減少地表與井下的漏風通道，降低漏風強度。封堵結(jié)束后，經(jīng)漏風測定，井下采空區(qū)風壓不穩(wěn)的問題得到了有效的治理；②端頭及支架漏風封堵：對于支架上部破碎煤體漏風區(qū)域，在工作面在鋪網(wǎng)的同時開展支架頂部鋪風障布工作，風障布覆蓋整個支架區(qū)域，對于上下端頭，在已垮落的破碎煤巖體表面，利用羅克休進行噴涂封堵，上述措施有效減少了架后及上下端頭尾巷向采空區(qū)漏風；③全斷面帷幕注氮：為將氧化帶控制到鉆孔可覆蓋區(qū)域，采取了全斷面帷幕注氮工藝措施，末采時期在回撤通道架后20、10 m 沿工作面傾向方向各鋪設(shè)1 趟注氮管路，管路長度為工作面長度，通過持續(xù)注氮，有效減小了氧化帶內(nèi)的氧氣含量，破壞氧化帶內(nèi)遺煤持續(xù)氧化條件。

3）控制煤溫。在工作面末采回撤開始后在采取措施后，采空區(qū)氧化帶范圍已得到最大限度的縮?。▋H有0～5 m），但氧化帶仍是存在的，隨著時間的增加，氧化帶內(nèi)破碎煤體必然升溫，也必須采取持續(xù)降溫措施，破壞松散煤體的蓄熱環(huán)境，控制煤溫；在回采至停采線200 m 處，開始在工作面回風巷每隔20 m 敷設(shè)灌漿管路開展預防性黃泥灌漿，始終對氧化帶內(nèi)遺煤進行降溫，并封堵底板處破碎煤體之間的裂隙；末采期間在工作面回風巷施工防滅火鉆孔，終孔高度位于煤層底板10 m 高度，對架后15 m 范圍內(nèi)的高位破碎煤體進行降溫，為更加全面對架后高位堆積的破碎煤體進行降溫封堵處理，在工作面不同位置施工防滅火鉆孔，鉆孔終孔位置位于架后5 m 范圍，鉆孔間距為10 m；工作面啟封后，又在整個工作面架間施工短距離防滅火鉆孔，主要對架后5 m 范圍內(nèi)的斜上部破碎煤體進行降溫封堵破碎堆積煤體，破壞遺煤蓄熱環(huán)境，從而抑制煤自燃進程。

4）優(yōu)化工藝。在工作面回撤前期及回撤期間，明確分工，科學規(guī)劃，優(yōu)化回撤工藝，縮短回撤工期；工作面回撤前對工作面回風巷、運輸巷、運輸石門及軌道上山結(jié)合現(xiàn)場測試情況進行劈幫，確保運輸路線暢通，縮短支架運輸時間。利用區(qū)段石門空間優(yōu)勢存放及解體支架，確保工作面支架快速拉出，合理解決支架運輸回收與防滅火工作之間的矛盾。

3 安全保障措施

1）精準掌握礦井漏風規(guī)律。屯寶煤礦近距離煤層群開采后，導致采動裂隙帶發(fā)育高度大，井下與地表已形成直接裂隙連通，在礦井通風負壓和自然風壓等作用下，地表新鮮風流漏入井下多層采空區(qū)及工作面，形成了復雜而嚴重的漏風，給井下采空區(qū)及工作面回撤的防滅火工作帶來了極大的風險。為了控制礦井漏風，保障采空區(qū)壓力穩(wěn)定，對整個礦井進行全面的漏風測定工作，精準掌握漏風規(guī)律；有針對性的封堵地表與井下采空區(qū)的漏風通道，控制了地表向井下采空區(qū)漏風，從而避免了采空區(qū)出現(xiàn)“呼吸”現(xiàn)象。

2）采空區(qū)保壓控氧。工作面在回撤前采取“兩降一升”保壓，即末采期間逐步降低抽放量到停止抽放；風量逐漸降至正常開采時的1/2；工作面注氮量逐漸升高至允許范圍。“兩降一升”的主要目的是為了給采空區(qū)保壓，確保采空區(qū)壓力大于工作面拉架通道壓力，盡可能減少向采空區(qū)供氧。回撤期間采用了局部正壓的通風方式給工作面供風，根據(jù)現(xiàn)場情況開展采空區(qū)及回撤通道壓力觀測及調(diào)整工作，始終保持3 組水柱壓差計進行壓力觀測及采空區(qū)壓力大于回撤通道壓力，防止向采空區(qū)漏風供氧。

3）注氮注漿聯(lián)合減氧降溫。通過在架后沿傾向方向距離埋設(shè)注氮幕可有效惰化采空區(qū)松散遺煤，配合架后埋設(shè)的灌漿管路灌漿給煤體降溫和封堵；通過對采空區(qū)持續(xù)注氮，控制并降低采空區(qū)內(nèi)的O2體積分數(shù)；同時利用上隅角埋管注漿及通過高、低位防滅火鉆孔注漿相互配合阻斷自然發(fā)火供氧及采空區(qū)浮煤蓄熱條件，有效的解決了采空區(qū)浮煤氧化問題，抑制了煤自燃發(fā)火進程。

4）高、低位防滅火鉆孔結(jié)合靶向治理發(fā)熱條帶。工作面在整個回撤期間，通過高、低位防滅火鉆孔采用“全方位+多層次”和“注漿+淋水”相結(jié)合的方式對采空區(qū)發(fā)熱條帶進行處理。通過注漿、注水措施相互配合破壞自然發(fā)火供氧條件又使采空區(qū)無法蓄熱，回撤期間工作面溫度平均保持在20 ℃，有效抑制了高位破碎煤體自然發(fā)火進程。

4 結(jié) 論

1）近距離自燃煤層工作面在長回撤周期內(nèi)，自燃高發(fā)區(qū)域主要有2 處：架頂破碎煤體和采空區(qū)氧化帶松散煤體。

2）針對近距離自燃煤層工作面回撤時期的自燃防治，主要以“全程監(jiān)測、管風降氧、控制煤溫、優(yōu)化工藝”4 個方面開展防滅火工作。

3）采取采空區(qū)保壓控氧、注氮注漿聯(lián)合減氧降溫、及高、低位防滅火鉆孔結(jié)合靶向治理發(fā)熱條帶等綜合防滅火技術(shù)防治自燃，保障工作面安全回撤。