姚橋煤礦7013工作面撤架期間自燃隱患點防滅火技術的研究及應用

梁紅立

(上海大屯能源股份有限公司姚橋煤礦，江蘇 徐州 221611)

0 引言

綜采放頂煤技術的應用，導致采空區(qū)漏風通道增多，增加了煤與氧氣反應的機率[1-5]。工作面的推進速度是煤自燃的因素之一，速度的大小決定采空區(qū)三帶位置，采空區(qū)任何一點在氧化帶中停留時間不能超過煤自然發(fā)火天數，工作面的推進速度必須讓氧化帶在自然發(fā)火期間改變位置[6-8]。特別是工作面接近停采線或者撤架時，工作周期較長，為了防止遺煤自燃[9-12]，通常會對漏風通道充填防滅火材料，實現充填、降溫、隔氧和堵漏的作用。

拆除液壓支架時，會出現冒頂，導致頂板煤體松散，形成更多的固定漏風通道，增加了煤氧化的氧氣條件?，F階段對于煤自燃都采用綜合防治技術，包括封堵漏風通道、注惰性氣體和降溫等防滅火技術[13-17]。堵漏技術通過向采空區(qū)、火區(qū)或裂隙灌注阻化劑、泡沫、惰化和膠體等防滅火材料，阻止煤氧化的條件[18-20]。姚橋煤礦與徐州吉安礦業(yè)科技有限公司開展了研究與應用合作，研制了普瑞特Ⅱ型防滅火材料，該材料集凝膠、黃泥灌漿、兩相或三相泡沫、惰性氣體和阻化劑的防滅火優(yōu)點于一體，為煤礦企業(yè)提供了新的防滅火技術。

2020年7月上旬，姚橋煤礦7013綜放工作面在撤架期間回風流出現CO氣體，并有逐步升高的趨勢，可能存在煤自燃的現象。為防止7013工作面撤架期間煤自然發(fā)火，提出了撤架期間綜合防滅火方案，分析研究隱患點充填防滅火材料的規(guī)律。

1 工作面概況

姚橋煤礦7013工作面走向長度1114.3 m，傾向長度189.4 m。所開采煤層為7#煤層，煤層厚度2.8～6.8 m，平均厚度5.1 m，煤層傾角7.5°～12.5°。煤層最短自燃發(fā)火期為28 d，自燃傾向等級為Π類自燃煤層，煤塵具有爆炸危險性。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，選用ZF6800型液壓支架，該支架平均控頂距為5.261 m，采用全負壓“U”型通風方式。

2 煤自燃影響因素及防滅火方案

2.1 撤架期間煤自燃影響因素分析

煤自燃是煤與氧氣發(fā)生氧化反應，產生一定的熱量，一部分熱量通過風流熱交換轉移，另一部分熱量會積聚，煤體長時間處在有氧的環(huán)境中，可能出現煤自燃的現象。煤自燃現象在工作面正常推進時發(fā)生機率低于工作面停采或撤架期間。撤架期間煤自燃的影響因素，如下：

(1) 頂板松散煤體。工作面液壓支架撤架時，頂板煤體因支架和停采線的煤壁的支撐，以及頂板上部的壓力，相互作用，導致頂板破碎，出現裂隙。隨著撤架工作的進行，原本欲裂的頂板煤層，傾向于破碎或冒落，增加了遺煤量，也增加了煤氧化后產生的熱量，大量遺煤長時間的氧化，易出現煤體自燃。

(2) 采空區(qū)遺煤。工作面回采過程中存在放煤不干凈現象，導致采空區(qū)遺煤量較大，且遺煤松散，再加上液壓支架支撐，遺煤未壓實，漏風通多，特別是上下隅角處，采空區(qū)遺煤在撤架期間長時間處在氧化蓄熱環(huán)境中。

(3) 漏風增加。撤架期間工作面風量一般從1200 m3/min調節(jié)到300～600 m3/min，降低了通風量，理應漏風減少，但隨著支架的撤除，頂板裂隙增加，煤體冒落，擾亂通風風流，增加風阻，導致更多新鮮風流漏向采空區(qū)。

(4) 撤架速度慢。工作面撤架都需要一個較長周期，極有可能超過煤自然發(fā)火的周期。撤架時經常會出現頂板冒落，增加撤架時間，再加上通風量降低，員工工作環(huán)境溫度較高，加大體能消耗，工作效率降低。

2.2 撤架期間綜合防滅火方案

撤架期間，工作面環(huán)境更不穩(wěn)定，為防治煤自然發(fā)火，需采取綜合防滅火技術，保障工作面撤架的順利以及工作面防滅火安全。

(1) 上下隅角封堵技術。“U”工作面上下隅角屬于瓦斯?jié)舛染奂瘏^(qū)和漏風嚴重區(qū)，撤架期間需要特別關注。上下隅角因靠近煤柱，垮落的煤巖體之間的間隙較大，導致漏風通道多、大，根據通風風流運移規(guī)律知，上下隅角存在渦旋，為瓦斯等有害氣體提供了固定儲存場所，易引起瓦斯等有害氣體積聚超限等事故。針對7013工作面，采取現場取材，用細煤塊或粉制作煤袋，封堵上下隅角，并在封堵后掛上擋風簾，雙重措施，降低了大部分漏風量，縮小了采空區(qū)漏風范圍。封堵位置如圖1所示。

圖1 煤袋和擋風簾封堵位置

(2) 支架頂部壓注防滅火材料技術。支架的拆除，引起頂板的不穩(wěn)定，出現冒落、裂隙等。為了有效防止漏風，選取普瑞特Ⅱ型防滅火材料，向縫隙或鉆孔進行灌注，7013工作面使用此種防滅火材料后，快速降低了通風風流中CO的濃度，說明灌注普瑞特Ⅱ型防滅火材料能有效防止煤自燃。

(3) 穩(wěn)定通風系統。撤架時產生冒落現象，增加了遺煤量和風阻。對7013工作面采取鉆錨桿鋪錨索方法，布置方案為兩排鐵錨桿之間布置一排錨索，錨桿間距和支架寬度相同，間距1 m，如圖2所示，并對煤幫采用木錨桿支護。為了保障撤架期間工作面風流穩(wěn)定，在溜子道與工作面的轉角處開始，靠著煤壁構筑木垛，木垛寬2 m，間距2 m，木垛布置俯視圖如圖3所示。日常工作中保護和維護好外圍各類控風設施，使支架撤除期間，工作面的風流穩(wěn)定，既保障工作面需風量滿足作業(yè)要求，又能滿足防滅火需要。

圖2 錨桿和錨索布置示意圖

圖3 木垛布置俯視圖

(4) 快速撤架方案。遺煤不能長時間處在氧氣充足的環(huán)境中，所以需要嚴格控制撤架周期。通過24小時輪班制進行支架撤除，工作面撤架從溜子道向材料道方向作業(yè)，風流從上往下流，人員在上巷工作，工作環(huán)境相對涼爽，相對提高了人員的工作效率，縮短了撤架周期。

(5) 定期向采空區(qū)壓注惰氣或注漿充填。通過向采空區(qū)定期(每周2-3次)壓注惰氣，進一步降低采空區(qū)氧氣含量、惰化采空區(qū)，延長采空區(qū)遺煤氧化周期；不注惰氣時堅持注黃泥漿措施，漿液將采空區(qū)遺煤進行包裹，形成一層隔氧膜，阻止煤炭氧化。

3 普瑞特Ⅱ型防滅火材料性能分析

普瑞特Ⅱ型防滅火材料JTF-Ⅱ，屬于一種新型雙組份材料，灌注時按1∶1比例混合，具有發(fā)泡溫度低，發(fā)泡速度快，發(fā)泡倍數大等優(yōu)點，可用作快速有效封堵漏風的材料，此外還具備雙組分材料反應溫度低；抗靜電性能好，泡沫生成過程中伴生少量水分，具備天然的抗靜電性能；阻燃性能好，生成的泡沫不燃燒也不助燃，是阻燃的最高級別。相比姚橋煤礦以前使用的羅克休泡沫，普瑞特Ⅱ型防滅火材料是一種更為理想的防滅火材料，可廣泛應用于煤礦井下防滅火充填工程。對比技術指標見表1。

表1 羅克修泡沫與普瑞特技術指標

3.1 普瑞特Ⅱ型防滅火材料應用領域

(1) 空氣阻流?？捎糜诳焖俜舛鹿ぷ髅娌煽諈^(qū)、火區(qū)、沿空留巷支架的壁后和支架回撤時產生的煤巖裂隙，可以有效阻止采空區(qū)漏風。

(2) 有害氣體治理。有害氣體常在高冒孔洞區(qū)、工作面上下隅角、煤巖體裂隙、瓦斯抽排巷和石門等地，通過封堵和隔絕采空區(qū)，防止有毒氣體向外涌出，保障人員安全。

(3) 普瑞特Ⅱ型防滅火材料還能隔絕高溫，防止高溫轉移擴散。

3.2 普瑞特Ⅱ型防滅火材料使用注意事項

(1) 原材料在密閉桶內，內部有一定的壓力，在開桶使用時先釋放壓力，防止液體飛濺；

(2) 在溫度低或水多的環(huán)境中，普瑞特Ⅱ型防滅火材料反應時間相對延長；

(3) 人員施工必須佩戴護目鏡，不慎接觸皮膚或眼睛，應就地及時使用大量清水沖洗，然后再就醫(yī)；

(4) 普瑞特短距離輸送(0～50 m)時，連接混合器輸出管路不能超出10 m，遠距離輸送(50～100 m)時，連接混合器輸出管路不能超出4 m，否則容易堵塞。

4 現場應用分析

4.1 壓注工藝

普瑞特Ⅱ型防火材料灌注流程簡單，只需一臺氣動雙液注漿泵和一臺混合器，混合樹脂和催化劑，通過輸出管路注入到相應位置，壓注工藝如圖4所示。

1.樹脂 2.壓風管路 3.氣動雙液注漿泵 4.催化劑 5.普瑞特輸出管路 6.混合器 7.輸出管路

7013工作面停采位置的頂板在支架17#和支架26#存在明顯的斷層，如圖5所示，導致工作面停采后頂板破碎嚴重，支架定位后挑頂期間出現多個高冒點，2020年7月上旬開始出現CO氣體，并有逐步升高的趨勢，經束管取樣化驗，CO最高達到113 ppm，O2體積分數在15%左右，隨即對高冒點采取遠距離充填普瑞特Ⅱ型防滅火材料，見表2所示。

圖5 7013撤架期間工作面剖面圖

表2 7013拆除工作面頂板冒落一覽表

4.2 效果分析

7013工作面在充填普瑞特后，采樣分析各隱患點預埋束管內的氣體成分，繪制出CO、CO2、O2的體積分數變化示意圖，如圖6所示。從圖可知，CO作為煤自燃的主要指標性氣體之一，壓注普瑞特材料后，各隱患點預埋束管內CO的體積分數呈下降趨勢，說明煤氧化程度在降低，沒有出現加速氧化的現象。CO2的體積分數變化呈現上升的趨勢，有利于阻礙煤氧化現象。O2的體積分數由原來的20%降到10%左右，是由于普瑞特材料在膨脹過程中，排擠了頂板裂隙中的氧氣，有效阻止了煤體進一步氧化。

圖6 充填后各支架處氣體體積分數變化

圖6 充填后各支架處氣體體積分數變化(續(xù))

5 結論

(1) 通過在工作面各個隱患點、高冒區(qū)、采空區(qū)沿空側、上下隅角壓注普瑞特II型防滅火材料，阻止了隱患點煤體進一步氧化，該項防滅火技術的應用取得成功。

(2) 工作面撤架期間采取綜合防滅火技術，包括上下隅角封堵及沿空側技術、支架頂部隱患點壓注防滅火材料技術、穩(wěn)定工作面通風系統、快速撤架方案及采空區(qū)注漿或注惰氣，7013工作面回風流中的氣體濃度降為正常水平，有效防范了采空區(qū)及工作面各個隱患點煤炭自燃，確保了安全生產，此種綜合防滅火技術為大屯公司乃至國內類似條件下的煤炭開采提供了重要借鑒，推廣應用價值較高。