大傾角工作面回撤期間防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

王健健，牛軍強(qiáng)，石 凱

(陜西煤礦安全裝備檢測(cè)中心有限公司，陜西 西安 710000)

甘肅省中部某礦煤層傾角在38～ 49°之間，該礦自2002年10月大傾角綜放試驗(yàn)以來(lái)，取得了長(zhǎng)足發(fā)展，單產(chǎn)由原來(lái)3.8萬(wàn)t/月逐步達(dá)到10萬(wàn)t/月，年產(chǎn)量由原來(lái)50萬(wàn)t/a達(dá)到300萬(wàn)t/a左右，使該礦小群井型的礦井逐步進(jìn)行合并改造為集團(tuán)的大型礦。進(jìn)一步提高產(chǎn)能、提高工效，特別是近年來(lái)該礦為大傾角綜放安全技術(shù)積累了豐富的科學(xué)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和管理經(jīng)驗(yàn)，為西北煤田煤層傾角在38～ 49°之間進(jìn)行大傾角綜放技術(shù)開(kāi)辟了一條道路[1]。綜放工作面在回采結(jié)束撤架期間，停采時(shí)間長(zhǎng)，煤體破碎范圍大，采空區(qū)遺煤多，加之工作面機(jī)械設(shè)備拆卸運(yùn)輸、頂板垮落，使得撤架期間通風(fēng)不穩(wěn)定，漏風(fēng)復(fù)雜，大幅增加了撤架工作面的煤炭自燃危險(xiǎn)性[2-3]。在易自然發(fā)火礦井綜放面撤架期間,由于支架體積大、噸位大、設(shè)備多、拆除周期較長(zhǎng),加之采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)大 ,因此極易造成采空區(qū)遺煤自然發(fā)火[4-7]。因此,研究綜放面撤架期間自然發(fā)火原因、特點(diǎn)以及合理有效的防滅火技術(shù)，對(duì)于保證設(shè)備安全拆除、人員安全以及綜放開(kāi)采技術(shù)推廣均有十分重要的意義[8-9]。筆者針對(duì)該礦大傾角綜放工作面撤架期間的綜合防滅火方法進(jìn)行了實(shí)踐技術(shù)研究，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 概 況

該井田含煤4層，主采煤層為二號(hào)煤層與四號(hào)煤層，呈光澤、多帶狀結(jié)構(gòu)，有一定的黃鐵礦填于煤層之間，以半暗煤為主，半亮煤次之，有亮煤條帶，多為低灰、低硫、低磷、發(fā)熱量較高的優(yōu)質(zhì)動(dòng)力用煤。開(kāi)采煤層傾角38～49°，平均43.5°，煤層厚度在8.5～18 m之間，為典型的大傾角厚煤層?，F(xiàn)開(kāi)采的大傾角綜放工作面屬四號(hào)煤層，單斜構(gòu)造，煤層為黑色，瀝青光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，以半暗煤為主半亮煤次之。煤層普氏系數(shù)約為1.0，煤層裂隙發(fā)育程度2類(lèi)，工作面巷道按走向長(zhǎng)壁一次采全高布置。

2 自然發(fā)火原因分析

綜放工作面回撤期間由于受諸多因素影響，使得自然發(fā)火的幾率大大增加[10]。該礦某大傾角工作面停采前推進(jìn)速度緩慢，自掛雙網(wǎng)開(kāi)始，距停采線還有約10 m時(shí)，回風(fēng)流有CO超限，且濃度持續(xù)升高趨勢(shì)，最高值達(dá)到268×10-6，回風(fēng)隅角達(dá)到1 086×10-6，圓弧段架后也有CO且達(dá)到20×10-6～60×10-6，采空區(qū)遺煤已經(jīng)氧化自燃到相當(dāng)嚴(yán)重的程度，防火形勢(shì)不容樂(lè)觀。

根據(jù)大傾角綜放工作面地質(zhì)條件以及巷道布置等因素，分析造成自燃原因有以下幾點(diǎn)。

2.1 煤層自然發(fā)火期短

依據(jù)以前開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)及自然發(fā)火鑒定，該礦為Ⅰ類(lèi)自然發(fā)火礦井，四號(hào)煤層自然發(fā)火期 3～5 個(gè)月，最短發(fā)火期為28 d，煤的爆炸指數(shù)為 36.33%，加之受周邊小煤礦越界開(kāi)采破壞，大傾角綜放工作面的防滅火技術(shù)尤為關(guān)鍵。大傾角綜放工作面回撤分三個(gè)階段：準(zhǔn)備期、回撤期和封閉期，該工作面回撤所用時(shí)間長(zhǎng)達(dá)70 d，在此期間工作面采空區(qū)“三帶”不再前移，采空區(qū)氧化帶內(nèi)的遺留浮煤具有通風(fēng)供氧儲(chǔ)熱周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，極易發(fā)生自然火災(zāi)。

2.2 特殊的巷道布置

大傾角綜放工作面的兩個(gè)巷道和切眼呈“U”型后退式布置，回風(fēng)巷沿煤層的底板布置。為確保底板三角區(qū)的煤炭回收，破1/3巖進(jìn)行施工，運(yùn)輸巷距煤層頂板5～6 m沿煤層頂板走向布置，切眼布置在運(yùn)輸巷末端，偽斜夾角95°，施工圓弧段見(jiàn)煤層底板，沿煤層底板布置與回風(fēng)巷貫通，形成大傾角綜放工作面巷道布置。綜放工作面風(fēng)流從運(yùn)輸巷進(jìn)入工作面時(shí)由于“喇叭口”效應(yīng)，容易造成采空區(qū)漏風(fēng)入口附近擴(kuò)散段的浮煤發(fā)生自燃和自然發(fā)火，由于措施的局限性，下段支架頂部浮煤更易自燃[11]。大傾角綜放工作面圓弧段放頂煤時(shí)，架后遺煤多，且不易清理，為架后浮煤的氧化自燃創(chuàng)造了先天性條件。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

大傾角工作面煤層傾角大，平均為43.5°；煤層厚度厚，煤厚在8.5～18 m之間；開(kāi)采深度深，煤層賦存深度達(dá)到600 m?；夭蛇^(guò)程中，由于受周邊小窯肆意超層越界破壞性開(kāi)采和為防止礦壓顯現(xiàn)，本工作面與上分層工作面之間所留煤柱過(guò)窄等因素的影響，以致工作面回采過(guò)程中，上隅角及采空區(qū)放煤通道曾多次出現(xiàn)CO有害氣體濃度超限現(xiàn)象。加之大傾角綜采放頂煤工作面回采率低，特別是回撤通道附近，1號(hào)過(guò)渡架至12號(hào)基本架間的圓弧段留有大量的頂煤，頂煤呈破碎狀態(tài)，形成空隙，在支架后部又不容易被壓實(shí)，采空區(qū)風(fēng)流流過(guò)破碎煤體，為自然發(fā)火提供充足的氧氣，增大了煤與氧結(jié)合的機(jī)會(huì)，易造成煤體氧化。且隨著礦井開(kāi)采深度的增加，沖擊地壓顯現(xiàn)嚴(yán)重、煤體松散度增加以及圍巖溫度的不斷升高，導(dǎo)致煤層自然發(fā)火期變短。這些因素都使自燃危險(xiǎn)性加劇，增加了自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。

2.4 回撤周期長(zhǎng)

工作面做回撤通道，回撤、封閉所需時(shí)間長(zhǎng)，煤體破碎范圍大、采空區(qū)遺煤多、工作面及兩道壓力大，工作面從做回撤通道至封閉至少需要2個(gè)月，架后采空區(qū)氧化帶內(nèi)的煤體以及支架頂部破碎煤體揭露時(shí)間超過(guò)4個(gè)月，浮煤緩慢氧化，積聚的熱量又不能及時(shí)被風(fēng)流帶走，煤體溫度逐漸升高，很容易發(fā)生自燃，是最大的發(fā)火隱患點(diǎn)。

2.5 撤架期間風(fēng)流不穩(wěn)定

撤架期間風(fēng)流不穩(wěn)定，漏風(fēng)復(fù)雜，工作面下端頭架支護(hù)段放頂煤不充分和工作面兩道不能放頂煤，全部舍棄在采空區(qū)內(nèi)，工作面兩道頂板和左、右?guī)陀绣^索和錨桿支護(hù)，垮落不完全，形成較大的漏風(fēng)條帶通道，直接與采空區(qū)深部相連，浮煤多、垮落塊度大，更不容易壓實(shí)，漏風(fēng)更為暢通，漏風(fēng)經(jīng)過(guò)采空區(qū)時(shí)空氣便進(jìn)入這些空隙，使煤的表面與空氣中的氧進(jìn)行緩慢氧化，生成熱量，使得煤體進(jìn)入窒息帶的時(shí)間較長(zhǎng)，在工作面回撤過(guò)程中，當(dāng)自燃條件具備時(shí)，就會(huì)發(fā)生自燃。

綜上，既要確保在盡可能短的時(shí)間內(nèi)撤出所有機(jī)械設(shè)備，并完成采空區(qū)的封閉，又要保證在工作面回撤期間不能出現(xiàn)自然發(fā)火事故，這就增加了工作面停采回撤期間防火工作的技術(shù)難度，這是本項(xiàng)目研究的意義所在。

3 綜合防滅火措施的應(yīng)用

針對(duì)大傾角綜放面發(fā)火點(diǎn)位置難以確定的特點(diǎn)和煤層自燃原因的分析，阻止煤與氧結(jié)合是不可能的，只能是減少煤與氧結(jié)合的機(jī)會(huì)，延緩煤層的發(fā)火周期。

3.1 減少采空區(qū)漏風(fēng)的措施

3.1.1 上下隅角砌墻堵漏

在工作面上下隅角切頂線處每隔6 m打1道擋風(fēng)墻，規(guī)格為寬2 m，長(zhǎng)5 m，用快砌料(或MEA封堵劑)加碎煤砌筑，減少上下隅角漏風(fēng)。材料配比為煤∶砌料(FSA)∶水=20 kg∶3 kg∶15 kg(擋風(fēng)墻的構(gòu)筑如圖1所示)。

圖1 大傾角綜放面上下隅角構(gòu)筑擋風(fēng)墻及預(yù)埋灌漿、注氮管路示意

3.1.2 在工作面架頂鋪設(shè)風(fēng)筒布

工作面在回撤掛雙網(wǎng)時(shí)，沿工作面傾斜方向自機(jī)道下幫至20號(hào)基本架頂段鋪設(shè)風(fēng)筒布，風(fēng)筒布鋪設(shè)長(zhǎng)度不得少于30 m，寬度與所掛雙網(wǎng)寬度相同，鋪設(shè)的風(fēng)筒布前后必須連接，且搭接不少于10 cm,使風(fēng)筒布充分包裹架頂煤體直至切頂線壓實(shí)，形成工作面與采空區(qū)的隔離帶，增強(qiáng)堵漏效果，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

3.1.3 選擇合理的配風(fēng)量和通風(fēng)方式

選擇撤架期間的合理通風(fēng)方法要考慮的因素有:工作空間的一定范圍內(nèi)煤體破碎，遺煤的壓實(shí)程度低，漏風(fēng)通道多，漏風(fēng)難以控制[12]。工作面收尾回撤期間，由于設(shè)備的拆卸、運(yùn)輸，使得風(fēng)流通道風(fēng)阻變化大，容易造成通風(fēng)不穩(wěn)定，擴(kuò)大漏風(fēng)范圍,另外，防火需要配風(fēng)量盡量低，同時(shí)要利于抑制采空區(qū)氣體的涌出[13]。為盡量減少采空區(qū)漏風(fēng)的強(qiáng)度,在滿足稀釋采煤工作面瓦斯和機(jī)電設(shè)備散熱量的前提下,停采后將工作面的供風(fēng)量由原來(lái)的596 m3/min左右, 減少為300 m3/min左右。并且隨著支架的撤出,停采面風(fēng)量將會(huì)逐步減少,全風(fēng)壓風(fēng)量減少到200 m3/min左右，以確保工作面回撤期間風(fēng)量、風(fēng)流、壓力的相對(duì)平衡穩(wěn)定。

3.2 采空區(qū)注氮防滅火措施

在工作面未封閉的情況下對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮，需要注意控制好采空區(qū)注氮點(diǎn)的漏風(fēng)通道，防止注入氮?dú)獯罅勘还ぷ髅骘L(fēng)流排走。氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)是防治煤層內(nèi)因火災(zāi)的有效技術(shù)措施之一。該礦始終將氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)作為主要防滅火手段。該礦地面工業(yè)廣場(chǎng)建有固定制氮廠，注氮設(shè)備采用DQ600N2M3/h、KGZD1000型制氮機(jī)，選用D108 mm鋼管作為輸?shù)苈?，在工作面沿運(yùn)輸平巷向采空區(qū)埋設(shè)兩趟D50 mm鋼管作為注氮管，其中一趟注氮管路再出氮口滯后切頂線25 m處，另一趟注氮口滯后切頂線20 m處，實(shí)行24 h不間斷注氮，確保N2濃度不低于98%.現(xiàn)場(chǎng)采用加大埋管長(zhǎng)度、做好兩端頭放頂工作、控制工作面風(fēng)流壓力等方法，在現(xiàn)場(chǎng)取得了較好的效果，有效抑制了采空區(qū)的煤層自燃，給工作面的回撤創(chuàng)造了有利的條件。

3.3 采空區(qū)灌漿防滅火措施

3.3.1 預(yù)埋管路灌漿

工作面回風(fēng)巷向采空區(qū)預(yù)埋兩趟灌漿管路，其中一趟灌漿管路出漿口滯后切頂線不小于10 m，一趟灌漿管路出漿口滯后切頂線不小于15 m。工作面停采時(shí)進(jìn)行注漿防滅火工作，在地面制漿站灌漿期間，在泥漿中添加CaCL2阻化劑，其配比不小于15%.

3.3.2 工作面網(wǎng)管式灑漿

采后,工作面支架頂部及前、后部煤層由于受壓力影響比較易破碎, 且與空氣的接觸面積比較大,接觸時(shí)間也較長(zhǎng), 因此存在自然發(fā)火隱患。為防止這一情況的發(fā)生,根據(jù)工作面停采線平剖面圖，在工作面完善一趟注、灑漿管路系統(tǒng)，每隔10 m設(shè)置1組分漿器，每組分漿器不少于3個(gè)出漿口，在每2個(gè)支架的間隙按前、中、后方式施工高低不同的3個(gè)防火孔，鉆孔深度分別為3～6 m，利用這些鉆孔實(shí)施間斷性循環(huán)注、灑漿來(lái)充分濕潤(rùn)包裹架后浮煤，防止浮煤自燃(架間鉆孔布置如圖2所示)。

圖2 大傾角綜放面停采后架間及架后采空區(qū)防滅火鉆孔示意

3.3.3 高位鉆孔注漿

根據(jù)架前頂煤的破碎狀況,在回撤通道內(nèi)分段(1號(hào)過(guò)渡架～25號(hào)基本架段)從支架前、架間向架頂及采空區(qū)方向補(bǔ)打了一部分鉆孔, 傾角為15～40°,鉆孔深度為10～30 m；同時(shí)，在工作面兩道煤幫線以外10 m處，分別向架后采空區(qū)施工了3個(gè)呈扇形布置的高位鉆孔，鉆孔傾角為20～45°，鉆孔深度為20～50 m(回撤通道鉆孔布置如圖3 所示)。

圖3 大傾角綜放面撤架期間防滅火施工鉆孔示意

3.4 建立預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

加強(qiáng)工作面有害氣體、溫度的觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，利用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng),重點(diǎn)對(duì)工作面回風(fēng)流及回風(fēng)隅角中自燃指標(biāo)氣體CO的變化情況進(jìn)行全天候連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè),一旦風(fēng)流中CO超限并呈上升趨勢(shì)，就立即對(duì)探頭進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域進(jìn)行普查。同時(shí)，利用KSS-200束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)回撤面進(jìn)行定期取樣化驗(yàn)分析, 安設(shè)兩條束管， 一個(gè)設(shè)在回風(fēng)巷距離工作面上出口10 m處，一個(gè)插在6分鋼管內(nèi),安設(shè)在工作面上口第二個(gè)支架后深 3.5 m處，進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和分析。

3.5 封閉后的自燃防治措施

工作面撤架工作完成后，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷停采線10 m范圍內(nèi)及運(yùn)輸巷溜煤眼頂、幫完好的地點(diǎn)，盡快按照設(shè)計(jì)要求從里往外順序構(gòu)筑密閉，在最短時(shí)間內(nèi)將工作面同時(shí)封閉，充填黃土，注漿接頂。永久密閉嚴(yán)格按照永久密閉施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，所有永久密閉的材料均為料石， 所有的永久密閉在施工過(guò)程中，必須見(jiàn)硬頂、硬幫、硬底，與煤巖體接實(shí)，并掏槽，工作面外圍密閉均需留設(shè)三管一柱。以某大傾角綜放面為例，封閉工程示意如圖4所示。

圖4 大傾角綜放面封閉工程示意

4 關(guān)于瓦斯與煤自燃共生，采用新技術(shù)、新方法等方面的建議

1) 礦井瓦斯災(zāi)害、煤自燃災(zāi)害具有各自相對(duì)獨(dú)立的防控體系，由于兩種災(zāi)害各自的特征不同，雖然防控基本思路具有共同點(diǎn)，但兩種災(zāi)害的防控理論和技術(shù)卻存在著顯著差異，甚至瓦斯治理過(guò)程中的“抽排”與煤自燃防治的“堵漏”存在對(duì)立矛盾性[14]。大傾角綜放工作面回采期間，回風(fēng)隅角時(shí)有瓦斯積聚現(xiàn)象，如在撤架期間防治瓦斯積聚措施，必須要有利于防滅火工作的進(jìn)展，二者要兼顧兼得。

2) 實(shí)施工作面網(wǎng)管式灑漿和高位鉆孔注漿措施時(shí)，應(yīng)推廣應(yīng)用防滅火新技術(shù)、方法，如充填三相泡沫膠體凝膠、高分子防滅火劑材料等，更好地防治采空區(qū)浮煤氧化蓄熱。

3) 加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)，盡最大可能提高大傾角綜放工作面設(shè)備回撤速度，盡量縮短設(shè)備拆除時(shí)間。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)上述大傾角綜放面回撤期間各項(xiàng)綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用，分析得出：

1) 大傾角綜放工作面撤架極易造成采空區(qū)遺煤的自燃, 研究此期間自然發(fā)火原因、特點(diǎn)以及合理有效的防滅火技術(shù)意義重大。

2) 高度重視綜放面末采回撤階段防滅火工作，有效落實(shí)末采及回撤階段防滅火措施，是預(yù)防自然發(fā)火、延緩煤炭自燃速度的關(guān)鍵。

3) 對(duì)于綜放工作面而言，合理組織協(xié)調(diào)回撤工作，加快回撤速度，才是防止煤炭自燃的根本[15]。

4) 通過(guò)綜合措施的實(shí)施，有效地防止了大傾角綜放面回撤期間采空區(qū)自然發(fā)火，實(shí)現(xiàn)了大傾角綜放面的順利回撤，杜絕了瓦斯、火災(zāi)事故的發(fā)生，此項(xiàng)技術(shù)在該礦的成功應(yīng)用取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，值得其他礦井推廣應(yīng)用。