淺埋深近距離煤層長距離工作面防滅火技術(shù)

尤文強

（神東煤炭集團公司 上灣煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209）

我國西北部地區(qū)煤炭賦存埋深一般在100～200 m[1]。隨著神東礦區(qū)首層煤陸續(xù)回采結(jié)束，大部分礦井已開采第2 層煤。由于首層煤開采后呈現(xiàn)直達地表規(guī)律裂隙，井上下漏風(fēng)嚴重，采空區(qū)遺煤已經(jīng)過初次氧化；下層煤開采后，受重復(fù)采動影響，漏風(fēng)通道更加發(fā)育，漏風(fēng)方式更加復(fù)雜；加之神東礦區(qū)一般工作面走向長度約3～6 km，傾向長度300 m 左右，工作面回采后本煤層采空區(qū)及上下煤層采空區(qū)相互聯(lián)通，形成超大范圍采空區(qū)[2]。由于煤層間距近、工作面回采距離大、煤層埋藏淺，本煤層漏風(fēng)、上下煤層采空區(qū)間漏風(fēng)及地表漏風(fēng)復(fù)雜，礦井防滅火工作難度增大[3]。

目前關(guān)于淺埋深近距離煤層工作面的火災(zāi)防治工作，大都集中在對本煤層工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律研究，采取的火災(zāi)防治措施也以本煤層為主，對上覆煤層采空區(qū)，尤其水浸之后的上覆煤層采空區(qū)破碎煤體成為下層煤開采的自然發(fā)火隱患研究相對較少。為此對上下煤層采空區(qū)自然發(fā)火危險分析，采取了上下煤層采空區(qū)防滅火措施，保證了工作面安全推采。

1 工作面概況

神東礦區(qū)上灣煤礦井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造條件簡單，煤層賦存穩(wěn)定。礦井采用斜井-平硐-立井聯(lián)合開拓方式。主要穩(wěn)定可采煤層為12、22 和31 煤層，正在開采的是12 煤三盤區(qū)、12 煤四盤區(qū)及22 煤一盤區(qū)。12 煤層大部分可采，12上煤與12 煤的層間距15～24 m，下距22 煤25.28～36.51 m，平均31.78 m，煤層厚度0.28～8.57 m，平均5.21 m，礦井采用全負壓通風(fēng)系統(tǒng)，工作面采用“U”型通風(fēng)方式；12 煤自燃傾向性為I 類容易自燃，最短自然發(fā)火期35 d，12上煤自燃傾向性為I 類容易自燃，最短自然發(fā)火期40 d；22上煤自燃傾向性為I 類容易自燃，最短自然發(fā)火期60 d。

以12 煤層12305 工作面為例進行分析總結(jié)。12305 綜采工作面位于12 煤三盤區(qū)第5 個綜采工作面，煤層底板標高為1 023.73～1 034.3 m，地面標高為1 220～1 334 m，工作面寬300.5 m，推進長度5 077 m，可采面積為152.56 萬m2，工作面煤層平均厚度4.24 m，設(shè)計采高4.8 m，可采期為11 個月，月推進度為358 m。

12 煤層12305 綜采工作面大致沿煤層走向布置，工作面巷沿煤層傾向布置。12305 綜采工作面布置2 條運輸巷和1 條回風(fēng)巷，工作面巷道布置示意圖如圖1。

圖1 工作面巷道布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of mining face roadway arrangement

2 條運輸巷中1 條為運輸巷，運輸巷寬6 m、高3.6 m 的矩形巷道；另1 條為輔運巷，寬5.4 m、高3.8 m 的矩形巷道；回風(fēng)巷寬5.4 m，高3.8 m 矩形巷道；開切眼為寬8.9 m，高3.8 m 矩形巷道；回撤通道為寬5.0 m，高3.6 m 矩形巷道。

12305 工作面西側(cè)緊鄰12304 采空區(qū)，相鄰的同一煤層、同一盤區(qū)有12301～12304 等4 個采空區(qū)，相鄰采空區(qū)保護煤柱平均寬度20 m，東側(cè)實體煤；工作面正上方有12上305、12上306 和12上307 采空區(qū)，42 煤1 盤區(qū)對應(yīng)上覆有12上301～12上311 等11 個采空區(qū)，12 煤與12上煤層間距為15～24 m。工作面上覆及鄰近采空區(qū)布置示意圖如圖2。

圖2 工作面布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of mining face arrangement

2 采空區(qū)自然發(fā)火影響因素分析及自燃區(qū)域劃分

采空區(qū)遺煤自燃是具有自燃傾向性的破碎煤體在適宜的O2體積分數(shù)氛圍、且有足夠蓄熱氧化環(huán)境及時間的條件下發(fā)生的物理化學(xué)變化的結(jié)果[4]。

采空區(qū)自燃危險分析如下：

1）12上煤、12 煤、22 煤均為I 類容易自燃煤層，自然發(fā)火期短，煤層變質(zhì)程度低，揮發(fā)分較高，給煤層自燃提供了先天性條件。

2）12上煤屬淺埋深煤層回采，工作面上覆巖層產(chǎn)生的裂隙發(fā)育至地表，沒有“三帶”中的彎曲下沉帶。12 煤與12上煤層間距15～24 m，12 煤回采后與上覆12上煤采空區(qū)產(chǎn)生溝通裂隙，且受重復(fù)采動影響，使地表裂隙更加發(fā)育，上下煤層采空區(qū)及地表相互聯(lián)通，煤層間漏風(fēng)及地表漏風(fēng)方式更加復(fù)雜，因此上下煤層采空區(qū)受地表大氣壓變化影響較大，表現(xiàn)出進氣、出氣的“呼吸”現(xiàn)象，上下煤層采空區(qū)O2體積分數(shù)很難降低至煤的O2體積分數(shù)下限，增加采空區(qū)自燃“三帶”范圍，增大采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域[5]，給開展工作面防滅火工作增加很大難度。

3）12 煤層平均厚度4.24 m，工作面設(shè)計采高4.8 m。兩巷設(shè)計高度分別為3.6、3.8 m，切眼設(shè)計高度3.8 m，停采線設(shè)計高度3.6 m，采空區(qū)中部遺煤少，兩巷及開采線、停采線處遺煤厚度超過極限浮煤厚度；根據(jù)淺埋深采動裂隙發(fā)育規(guī)律可知，兩巷、開切眼及停采線處上覆巖層裂隙發(fā)育充分，回采后地表裂隙未能自我閉合，漏風(fēng)通暢。

4）12305 綜采工作面輔運巷26-48 聯(lián)上覆為12上305、12上306 及12上307 綜采工作面采空區(qū)、12上煤主輔運及回風(fēng)4 條大巷，其中工作面上覆12上307 回風(fēng)巷與12上306 運輸巷中間有20 m 寬保護煤柱，受重復(fù)采動影響，煤柱受壓破碎，上覆采空區(qū)遺留大量破碎煤體。12305 工作面推進長度約為5 000 m，這就使得工作面兩巷聯(lián)絡(luò)巷布置較多，其中與12304 采空區(qū)側(cè)布置71 個聯(lián)絡(luò)巷，聯(lián)巷為寬5.0 m、高3.6 m 的矩形巷道，工作面回采過后，受礦壓影響，聯(lián)絡(luò)巷密閉易壓裂[6]，左右采空區(qū)相互連通形成超大采空區(qū)，進一步增加了工作面防滅火工作的難度。

5）12305 工作面運輸巷、輔運巷及回風(fēng)巷內(nèi)布置疏放水鉆孔，均為探放12上煤采空區(qū)積水鉆孔，累計施工探放水孔22 個，累計泄水量約5 288.8 m3。疏放水過程中一方面易造成水氣置換；另一方面受重復(fù)采動影響，12上煤采空區(qū)內(nèi)的煤柱遭到破壞，遺煤經(jīng)水浸泡放水疏干后吸氧量增大，氧化反應(yīng)速度更快，自燃危險性更大[7]。

6）12305 綜采工作面運輸、輔運、回風(fēng)巷及聯(lián)巷頂板采用圓鋼錨桿、錨索及鋼帶、鋼筋網(wǎng)聯(lián)合進行支護。工作面回采時兩巷若退錨不及時，造成兩巷采空區(qū)大面積懸頂，大幅度增加采空區(qū)漏風(fēng)量。

自然發(fā)火重點區(qū)域確定如下：通過對12305 工作面采空區(qū)自然發(fā)火影響因素分析，可得出其自然發(fā)火重點區(qū)域：①本工作面兩巷、開切眼和停采線處；②工作面兩巷探放水后，12上煤采空區(qū)遺留保護煤柱。

3 礦井綜合防滅火技術(shù)措施

根據(jù)上灣煤礦采空區(qū)遺煤自燃影響因素分析結(jié)果，結(jié)合“預(yù)防為主，綜合治理”的指導(dǎo)思想，首先研究建立了以CO、C2H4、C2H6作為標志性氣體的自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報體系[8]，制定以井下火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)、人工現(xiàn)場檢測及色譜分析為主，安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)為輔的火災(zāi)監(jiān)測體系，編制了《上灣煤礦自燃火災(zāi)預(yù)測預(yù)報制度》、《上灣煤礦“一通三防”管理制度》和《上灣煤礦礦井防滅火專項設(shè)計》等相關(guān)防滅火管理制度；建立以井上、下注漿和井下移動式注氮為主，地表堵漏、密閉管理、浮煤管理等多種措施相結(jié)合的綜合防滅火措施[9]。

3.1 采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測措施及重點監(jiān)測區(qū)域

1）12305 工作面選用KJ95X 型安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可監(jiān)測瓦斯、CO 和溫度等參數(shù)。主要監(jiān)測地點：工作面回風(fēng)隅角安設(shè)瓦斯、CO、O2傳感器；回風(fēng)巷距離工作面小于10 m 范圍內(nèi)安設(shè)瓦斯、CO、溫度傳感器。傳感器布置如圖3。

圖3 傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor arrangement

2）上灣煤礦配有JSG-4 紅外束管系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)井下取氣分析，數(shù)據(jù)上傳地面，實時監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)CO、CO2、CH4、O2等氣體的體積分數(shù)。工作面布置3 路束管，分別為工作面的回風(fēng)隅角布設(shè)1 個測點、采空區(qū)布設(shè)2 個束管監(jiān)測點，束管沿工作外邦靠底板布置，各監(jiān)測點間隔距離依據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”分布情況進行設(shè)定，束管外設(shè)保護套管用以防止被落煤砸壞，各測點端頭用束管采樣保護裝置進行保護，且需高出巷道底板1.5 m 防止采空區(qū)積水浸沒束管測點，各測點布置情況如圖4。工作面氣體分析結(jié)果通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)交換機傳輸至地面監(jiān)控機房，能及時掌握采空區(qū)氣體變化情況，實現(xiàn)煤自然發(fā)火早期預(yù)報。

圖4 采空區(qū)測點布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of monitoring points arrangement

3）12305 工作面兩巷每個聯(lián)巷密閉均設(shè)置觀測孔，用以監(jiān)測本采空區(qū)及鄰近12304 采空區(qū)，每天安排專職人員進行人工取氣分析，若出現(xiàn)氣體異常情況，可進行測溫輔助監(jiān)測，進而確定采空區(qū)遺煤氧化程度，為采取針對性防滅火措施提供依據(jù)；利用工作面兩巷及回撤通道施工的疏放水孔對上覆采空區(qū)進行人工取樣分析，尤其是工作面過上覆采空區(qū)或上覆煤柱時，需提前施工上覆采空區(qū)觀測孔，加強對上覆采空區(qū)的氣體及溫度監(jiān)測。

3.2 采空區(qū)自然發(fā)火防治措施

3.2.1 注漿防滅火措施

由于神東礦區(qū)均為高產(chǎn)高效礦井，礦井工作面回采距離長，采空區(qū)面積大，從經(jīng)濟和灌注效果方面考慮，選用黃土作為注漿材料。黃泥漿液灌注至采空區(qū)，一方面能吸熱降溫，另一方面可以有效包裹浮煤、封堵漏風(fēng)通道，隔絕O2。由于12305 工作面上覆有已回采采空區(qū)，上覆煤層采空區(qū)遺煤存在自然發(fā)火可能性，考慮現(xiàn)有注漿設(shè)施能力，采取對上覆煤層采空區(qū)進行地面施工注漿鉆孔注漿，本煤層工作面采空區(qū)利用地面注漿站敷設(shè)至井下的注漿管路進行預(yù)防性注漿。

1）本煤層工作面采空區(qū)主要注漿地點為兩巷靠近開切眼及停采線側(cè)300 m、開切眼、終采線處；重點注漿區(qū)域示意圖如圖5。

圖5 重點注漿區(qū)域示意圖Fig.5 Schematic diagram of key grouting area

2）隨著神東礦區(qū)大部分礦井首層煤開采結(jié)束，大部分礦井已進行下煤層回采，首層煤開采過程中大部分礦井未進行預(yù)防性注漿等預(yù)防性防止采空區(qū)自然發(fā)火措施，這就使得淺埋深近距離煤層群回采上覆采空區(qū)遺煤自然發(fā)火成為下層開采的重大隱患[10]，因此在下層煤工作面回采之前需對上覆采空區(qū)遺煤進行預(yù)防性注漿，12305 工作面上覆采空區(qū)采取地面施工注漿鉆孔，并在地面建設(shè)移動注漿站，使?jié){液直接、快速、大流量灌注到注漿區(qū)域，地面鉆孔沿上覆采空區(qū)兩巷、開切眼、停采線進行布置，鉆孔間距根據(jù)淺埋深近水平采空區(qū)漿液有效覆蓋范圍進行布置，其間距約50 m。

3.2.2 預(yù)防性注氮措施

1）12305 綜采工作面進行回采前，對上覆12上煤進行疏放水后，利用已施工疏放水孔或補打鉆孔向12上煤采空區(qū)注氮，注入量以使上覆12上煤采空區(qū)內(nèi)O2體積分數(shù)在7%以下為標準；12305 綜采工作面回采時，利用探放水鉆孔或補打鉆孔向12上煤采空區(qū)實施預(yù)防性注氮措施；通過進風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋設(shè)的注氮管路向本工作面采空區(qū)注氮。

2）本工作面注氮位置應(yīng)根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”和漏風(fēng)區(qū)域選擇，將制氮機安裝在12304 輔運巷內(nèi)實施注氮，沿工作面進風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋設(shè)注氮管路，注氮主管路選擇?159 mm 管徑，采空區(qū)埋設(shè)管路選擇?108 mm 管徑。當注氮口進入氧化帶后開始注氮，當工作面推過氧化帶寬度后，埋設(shè)第2 根注氮管，當?shù)? 個注氮口進入氧化帶后，第1 根注氮管已進入窒息帶，斷開第1 根注氮管，第2 根注氮管開始注氮，依次循環(huán)。注氮時，氮氣釋放口應(yīng)高于底板300 mm 以上，90°彎拐向采空區(qū)，與工作面保持平行；一般情況下，為防止注氮管口被砸或堵塞，盡量用石塊或木垛等加以保護，氮氣釋放口端打花眼，用鐵絲網(wǎng)包裹。

3.3 其它防止采空區(qū)自然發(fā)火措施

1）淺埋深近距離煤層群開采，地表漏風(fēng)是導(dǎo)致采空區(qū)自然發(fā)火的一個重要因素，因此需在工作面回采前及回采后，及時對工作面地表的裂隙進行有效封堵[11]。

2）在機頭端頭支架與煤壁之間設(shè)擋風(fēng)簾在機尾147#～150#架安設(shè)導(dǎo)風(fēng)簾，降低采空區(qū)漏風(fēng)量。

3）工作面上下端頭封堵。在工作面上下端頭壘絲袋閉，其方法為：用絲袋裝滿封堵材料，在工作面上下端頭砌絲袋閉，可隨工作面推井同時向前移動，嚴密地封堵采空區(qū)進、回側(cè)。設(shè)置絲袋閉時下部寬度不得小于1.5 m，絲袋閉必須與巷道上幫和頂板接實接嚴，減少漏風(fēng)。

4）防止懸頂面積擴大的措施以退錨索為主，輔以退錨桿措施。

5）由于回采工作面屬淺埋深近距離煤層開采，且推進距離長、聯(lián)巷密閉多，聯(lián)巷漏風(fēng)是采空區(qū)漏風(fēng)的另一主要通道，隨著工作面推進，對12305 回風(fēng)巷與12304 采空區(qū)的密閉定期進行質(zhì)量檢查，防止向采空區(qū)供風(fēng)造成采空區(qū)自燃；12305 運輸與輔運巷之間聯(lián)行密閉，為保證密閉混凝土墻強度，超前2 道聯(lián)巷密閉進行封閉，密閉施工完畢后及時對各聯(lián)巷密閉高分子材料填充，填充完畢后對密閉及聯(lián)巷頂幫進行噴漿，減少向采空區(qū)漏風(fēng)。

6）12305 工作面在回采期間，由于上覆12上煤采空區(qū)離本工作面較近，上下煤層間存在連通的裂隙漏風(fēng)通風(fēng)，為防止開采期間上覆采空區(qū)發(fā)生遺煤自然發(fā)火產(chǎn)生的有毒有害氣體大量進入生產(chǎn)工作面，制定12305 工作面的應(yīng)急均壓措施防滅火技術(shù)措施。工作面回采前，將均壓系統(tǒng)建設(shè)完畢，確保系統(tǒng)可以隨時啟用。工作面回采時，若回風(fēng)流中CO 體積分數(shù)不超過24×10-6時，不啟用均壓措施。當回風(fēng)流中CO 體積分數(shù)超過24×10-6，并呈上升趨勢，經(jīng)判定CO 來源于上覆采空區(qū)時，啟用均壓措施。

4 結(jié) 語

通過對上灣煤礦12305 工作面采空區(qū)易燃區(qū)域分析，得出近距離煤層群長距離工作面采空區(qū)容易自燃的內(nèi)外部原因及重點防治區(qū)域，進而對上下煤層采空區(qū)分別采取了相對應(yīng)的預(yù)防治理措施，12305工作面回采開始至結(jié)束，本采空區(qū)及鄰近采空區(qū)未發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火跡象，12上煤采空區(qū)CO 體積分數(shù)在3×10-6左右，無自然發(fā)火的跡象。