皇后煤業(yè)15105綜放工作面封閉防滅火研究

劉源遠(yuǎn)

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司）

采煤理論的日趨成熟，針對(duì)特厚煤層開(kāi)采的綜放技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但放頂煤開(kāi)采空間大，前后過(guò)渡段大量煤炭遺留到落山內(nèi)，并且還存在頂板不塌、頂煤丟煤嚴(yán)重等現(xiàn)象，給綜放面防滅火治理工作帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)［1］。山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)皇后煤業(yè)）初采期間出現(xiàn)過(guò)一氧化碳嚴(yán)重超標(biāo)，采取了全方位、科學(xué)化措施啟封工作面，但采空區(qū)遺煤自燃問(wèn)題一直存在。為了提高采空區(qū)安全性，以皇后煤業(yè)15105 綜放工作面末采和封閉期間防滅火為例，對(duì)工作面停采前的預(yù)防與準(zhǔn)備、停采撤架期間和封閉后這3階段分別實(shí)施不同的安全技術(shù)措施，保障綜放面停采、回撤面、永久封閉期間的安全管理。

1 工作面概況

皇后煤業(yè)位于山西省陽(yáng)泉市盂縣路家村鎮(zhèn)劉家村，距離盂縣縣城16.8 km，皇后煤業(yè)15105 綜放工作面所處水平為810 m，位于15#煤層南西部，工作面標(biāo)高為790～820 m。煤層最大厚度為8.41 m，最小為6.3 m，平均煤厚7.51 m?？傮w位于單斜構(gòu)造上，北高南低，傾角在3°～5°。經(jīng)鑒定，15#煤吸氧量為0.72 cm3/g，自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，為自燃煤層，最短自燃發(fā)火期為84 d。

本工作面初采后由于種種原因?qū)е峦．a(chǎn)，停產(chǎn)后雖然采取了一些措施來(lái)避免采空區(qū)煤炭自燃，但停產(chǎn)時(shí)間超過(guò)4 個(gè)月，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最短發(fā)火期，一氧化碳最高達(dá)到19 000 ppm，出現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)，最后導(dǎo)致工作面全面封閉。礦山采取注入氮和二氧化碳等惰性氣體聯(lián)合降低各項(xiàng)指標(biāo)，并聯(lián)合多家科研單位研討，采取氣體置換、地面塌陷填充堵漏、氣壓觀測(cè)、精準(zhǔn)快速排放積水等措施。但多頭作業(yè)恢復(fù)生產(chǎn)過(guò)程中，采空區(qū)內(nèi)可燃性指標(biāo)氣體一直存在，并且也比以往工作面高很多，且封閉和撤除時(shí)間較長(zhǎng)，存在再次自燃的可能性。

15105 綜放工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。該工作面采長(zhǎng)為150 m，共布置有進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、低位抽放巷和高抽巷4 條巷道，其中進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽沿煤層底板布置，低位抽放巷沿煤層頂板布置，高抽巷沿12#煤層頂板布置。15105工作面回收完畢后，在15105進(jìn)、回風(fēng)順槽停采線(xiàn)附近構(gòu)筑密閉設(shè)施，永久封閉此工作面。永久密閉位置如圖1所示。

2 煤炭自燃條件及采空區(qū)三帶劃分

煤炭自燃是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受到多種因素的影響。對(duì)于煤炭自燃的機(jī)理，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了多年的探索和研究，提出了不少學(xué)說(shuō)，包括黃鐵礦作用學(xué)說(shuō)、細(xì)菌作用學(xué)說(shuō)、酚基作用學(xué)說(shuō)以及煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)［2］。在上述學(xué)說(shuō)中，煤氧復(fù)合學(xué)說(shuō)得到了國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可。依據(jù)煤氧復(fù)合學(xué)說(shuō)及煤自燃發(fā)火過(guò)程分析和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為煤自燃必須具備以下條件：①開(kāi)采的煤炭本身具有低溫易氧化性能，即煤炭具有自燃傾向性，且以破碎狀態(tài)存在；②有連續(xù)的供氧條件；③有積聚氧化熱的環(huán)境，即煤炭氧化所生成熱量速度大于散熱速度；④上述3個(gè)條件同時(shí)存在，且時(shí)間大于煤炭最短自燃發(fā)火區(qū)；⑤上述4 個(gè)條件缺一不可，前3 個(gè)條件是煤炭自燃的必要條件，最后1個(gè)條件是充分條件。

按照上述煤的自燃假說(shuō)，采空區(qū)一般劃分為3個(gè)區(qū)域，即散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。

（1）散熱帶。此區(qū)域內(nèi)雖然有浮煤堆積，但是風(fēng)速較大，能及時(shí)帶走煤氧化產(chǎn)生的熱量，無(wú)法滿(mǎn)足熱量積蓄條件。

（2）氧化帶。該區(qū)域相較于低溫不自燃帶風(fēng)速較小，既能維持煤的氧化過(guò)程不斷發(fā)展，又能使生成的熱量持續(xù)積蓄，煤的溫度不斷升高，可能促使煤發(fā)生自燃。

（3）窒息帶。與前2 個(gè)帶相比，此區(qū)域內(nèi)風(fēng)速最小，風(fēng)流中的氧濃度過(guò)低，不能維持煤的氧化，對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的自燃，也會(huì)因?yàn)槿毖醵舷ⅰ?/p>

本礦井工作面回采至末期，由于回采末期鋪網(wǎng)、撤設(shè)備、加強(qiáng)支護(hù)等原因，導(dǎo)致工作面推進(jìn)速度放慢，容易出現(xiàn)煤自燃和標(biāo)志性氣體涌出等情況，主要表現(xiàn)在上隅角以?xún)?nèi)大量一氧化碳超標(biāo)，并且隨著采空區(qū)風(fēng)流涌出到回風(fēng)順槽和工作面，引起一氧化碳報(bào)警超限；或者容易出現(xiàn)落山內(nèi)煤炭發(fā)熱氧化自燃的情況。主要原因有幾方面：①回采進(jìn)入最后階段，首先必須調(diào)整通風(fēng)和抽放系統(tǒng)，調(diào)整后會(huì)引起一氧化碳等氣體集聚，同時(shí)負(fù)壓流場(chǎng)發(fā)生變化，也會(huì)出現(xiàn)上隅角反風(fēng)等現(xiàn)象；②末采期間會(huì)使用大量木梁、木柱進(jìn)行鋪網(wǎng)和加強(qiáng)支護(hù)，最終埋入落山內(nèi)，給煤炭自燃和木材自燃提供了條件；③本礦井目前開(kāi)采煤層為15#煤，煤巖成分中絲煤結(jié)構(gòu)松散，著火溫度低（190～270 ℃），具有較強(qiáng)的吸氧性能，這些遺煤的存在大大增加了15#煤層氧化升溫的危險(xiǎn)性。

3 綜合防滅火措施研究

3.1 自燃的特點(diǎn)、發(fā)生機(jī)理和環(huán)境情況

（1）停采前工作面推進(jìn)至末期，需要提前在20 m左右開(kāi)始鋪網(wǎng)、支架頂部喂木梁和加強(qiáng)支護(hù)，推進(jìn)速度變慢。頂煤不放導(dǎo)致頂部大量煤炭遺留在采空區(qū)，上下隅角由于應(yīng)力分布失調(diào)，遺煤難以垮落，風(fēng)流以大弧度進(jìn)入采空區(qū)，引起采空區(qū)漏風(fēng)量增大。

（2）撤架回收期間，設(shè)備回收和拉架道施工過(guò)程中，工作面支架停止前移，采空側(cè)煤體和上下隅角落山長(zhǎng)時(shí)間暴露在富氧空間中，給煤炭自燃創(chuàng)造了條件。這期間低位抽巷滅失，工作面風(fēng)量降低，使防滅火工作難度增大。

（3）封閉工作面時(shí)，由于封閉工程量大、工期間斷，往往會(huì)造成工程質(zhì)量無(wú)法保證，密閉和四周煤體由于應(yīng)力變化，會(huì)引起礦井全風(fēng)壓系統(tǒng)和采空區(qū)聯(lián)通，氧氣進(jìn)入已采封閉區(qū)域，同時(shí)封閉區(qū)域煤體無(wú)法完全回收，也給遺煤自燃留下隱患。

3.2 停采前防滅火措施

（1）采煤工作面回采結(jié)束后，幾個(gè)工作面密閉墻頂部留有大量頂煤，采用傳統(tǒng)的雙墻充填式密閉墻進(jìn)行永久封閉后，由于密閉墻體及墻體周邊原始煤體受停采線(xiàn)集中應(yīng)力影響，墻體與原始煤體接縫及原始煤體本身易出現(xiàn)導(dǎo)通裂隙，受地表氣溫及大氣壓力影響，采空區(qū)與外界巷道空間出現(xiàn)氣體“微循環(huán)”現(xiàn)象和虹吸效應(yīng)，給采空區(qū)防滅火帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。針對(duì)此情況，對(duì)工作面停采線(xiàn)位置進(jìn)行了優(yōu)化，停采后使密閉位置處于巖石頂板段，確保了密閉后墻體的密封效果，保證了采空區(qū)的防滅火安全管理。

（2）工作面開(kāi)始末采鋪網(wǎng)階段，每天對(duì)上下隅角和采空側(cè)暴露的浮煤噴灑或灌注史達(dá)夫防滅火材料，同時(shí)盡量減少木料和易燃物品遺留在采空區(qū)。

（3）工作面推進(jìn)至鋪網(wǎng)階段，及時(shí)降低高抽巷抽放量，工作面鋪網(wǎng)結(jié)束停止推進(jìn)時(shí)，立即停止高抽巷和低位抽放巷抽放系統(tǒng)，減少了采空區(qū)的供氧，降低采空側(cè)浮煤的氧化反應(yīng)。

（4）在工作面上下隅角利用堆設(shè)土袋（或砂袋），建立防火隔離墻（墻體厚度為1 m），必須接頂嚴(yán)密，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

（5）加強(qiáng)工作面頂板管理工作，提高支架的初撐力和支架支護(hù)質(zhì)量，防止頂煤松動(dòng)冒落遺留在采空區(qū)，確保工作面收面質(zhì)量，以利于加快工作面回撤速度。

（6）建立完備的工作巡回制度，并嚴(yán)格落實(shí)。重點(diǎn)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛取O濃度以及溫度變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)氣體濃度或溫度上升等異常情況，立即向通風(fēng)調(diào)度室匯報(bào)［4］。

3.3 停采撤架期間防滅火措施

（1）工作面停采后，立即根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整工作面通風(fēng)系統(tǒng)，保證風(fēng)量處在合理區(qū)間范圍。日常加強(qiáng)工作面風(fēng)量測(cè)定，至少每2 d 測(cè)定一次風(fēng)量，并對(duì)老空區(qū)、架間、架后、回風(fēng)流采集氣樣，同時(shí)對(duì)工作面泄水孔進(jìn)行排查，防止向采空區(qū)漏風(fēng)。

（2）工作面停止推進(jìn)后，對(duì)上、下隅角利用堆設(shè)土袋（或沙袋），建立防火隔離墻（墻體厚度為1 m），同時(shí)運(yùn)用快速封閉材料對(duì)架后采空側(cè)進(jìn)行全工作面封閉。最大限度減少了采空側(cè)浮煤的暴露時(shí)間，同時(shí)大大降低了采空區(qū)漏風(fēng)。

（3）支架回收期間，隨支架的撤除對(duì)裸露的頂、底板及煤幫噴灑新型防滅火材料（史達(dá)夫）。如發(fā)現(xiàn)失效或漏風(fēng)處，及時(shí)噴灑新型防滅火材料進(jìn)行封堵。同時(shí)停止15105綜放工作面抽放系統(tǒng)，減少采空區(qū)漏風(fēng)，防止自燃發(fā)火。

（4）支架回收后，在砌筑永久密閉前，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行黃泥灌漿，隔斷空氣，阻止煤炭氧化，并吸熱降溫，同時(shí)黃泥漿還能增加浮煤的充填密度，減少漏風(fēng)供氧［5］。

（5）利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面瓦斯、CO 濃度、溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。CO 測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。同時(shí)利用比長(zhǎng)式和便攜式檢測(cè)儀對(duì)CO 濃度進(jìn)行實(shí)測(cè)，并填寫(xiě)記錄表。安排專(zhuān)人取氣樣用色譜儀進(jìn)行分析，并做好記錄工作，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況必須及時(shí)匯報(bào)。連續(xù)3 d 束管檢測(cè)數(shù)據(jù)有變化，立即取氣樣送檢測(cè)公司進(jìn)行氣體分析。

3.4 工作面封閉后防滅火措施

（1）在順槽密閉施工后，向封閉區(qū)注氮?dú)膺M(jìn)行防滅火處理［6］。封閉初期，每天必須對(duì)封閉區(qū)進(jìn)行連續(xù)注入氮?dú)猓ㄟ^(guò)束管、取樣化驗(yàn)分析等手段確認(rèn)。封閉區(qū)氧氣濃度＜5%時(shí)，可間隔注氮?dú)狻７忾]期間，每周人工取樣一次，經(jīng)化驗(yàn)分析封閉區(qū)氧氣濃度＞10%時(shí)，立即啟動(dòng)注氮系統(tǒng)向封閉區(qū)域注入氮?dú)狻?/p>

（2）加強(qiáng)氣體監(jiān)測(cè)工作。工作面封閉后1 個(gè)月內(nèi)，每3 d 采集一次氣樣；工作面封閉1 個(gè)月后，氣體無(wú)異常，改為每周采集一次氣樣。

4 發(fā)生火災(zāi)事故的應(yīng)急處理措施

（1）火災(zāi)初期，應(yīng)積極組織人力、物力控制火勢(shì)，直接滅火失效時(shí)，應(yīng)采取隔離滅火控制火區(qū)。

（2）將排放水管路、壓風(fēng)管路改為消防管路。

（3）迅速查明災(zāi)情，并組織人員及時(shí)佩帶好自救器撤出災(zāi)區(qū)和受威脅地區(qū)，積極組織救護(hù)隊(duì)搶救遇難人員［7］。如果在撤退過(guò)程中遇到爆炸沖擊波與火焰襲來(lái)時(shí)，應(yīng)背向沖擊波俯臥在底板或水溝內(nèi)。遇到無(wú)法撤退、通路冒頂堵塞或瓦斯涌出量大、有害氣體濃度大而又無(wú)法自救時(shí)，應(yīng)迅速躲進(jìn)避難硐室或臨時(shí)構(gòu)筑避難所等待營(yíng)救。

（4）查明火災(zāi)地點(diǎn)、范圍和發(fā)火原因，并采取防止風(fēng)流紊亂、火煙侵襲、蔓延等措施，防止火災(zāi)向有人員的巷道蔓延，同時(shí)切斷火區(qū)電源。

5 結(jié)語(yǔ)

以皇后煤業(yè)15105 綜放工作面為例，系統(tǒng)分析了工作面停采撤面期間防滅火措施。并根據(jù)不同階段工作面的施工特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的防滅火方案。防治方案中的核心點(diǎn)：①采空側(cè)應(yīng)用新型防滅火材料全覆蓋堵漏；②停采線(xiàn)位置的設(shè)計(jì)，避免了密閉處頂煤松動(dòng)變形帶來(lái)后期漏風(fēng)自燃的隱患。闡述了發(fā)生火災(zāi)事故的應(yīng)急處理措施，對(duì)類(lèi)似生產(chǎn)條件的礦井工作面停采撤面期間防滅火工作具有一定的指導(dǎo)意義。