超長(zhǎng)綜采工作面設(shè)備回撤期間采空區(qū)遺煤自燃防控技術(shù)研究

衛(wèi)志敏

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)正新煤焦有限責(zé)任公司， 山西 沁源 046500）

煤層自燃是礦井煤炭回采面臨的主要災(zāi)害類型之一，煤層自燃不會(huì)產(chǎn)生有毒有害氣體，嚴(yán)重時(shí)甚至伴隨瓦斯、煤塵爆炸等災(zāi)害，威脅井下作業(yè)人員安全[1-2]。隨著礦井綜合機(jī)械化設(shè)備的應(yīng)用推廣，采面推進(jìn)速度不斷增加、采空區(qū)內(nèi)遺煤量有所減少，因此采面正?；夭蓵r(shí)采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。但是在綜采設(shè)備回撤期間，由于生產(chǎn)停滯，采空區(qū)內(nèi)遺煤在漏風(fēng)作用下會(huì)持續(xù)氧化，從而自燃風(fēng)險(xiǎn)較高[3-7]。因此，在綜采工作面設(shè)備回撤期間采取針對(duì)性措施對(duì)采空區(qū)遺煤自燃進(jìn)行防治可在一定程度上提高綜采設(shè)備回撤安全保障能力。文中以山西某礦9605 超長(zhǎng)綜采工作面為工程實(shí)例，對(duì)綜采設(shè)備回撤期間采取的采空區(qū)遺煤自燃防控技術(shù)進(jìn)行探討，以期為其他礦井類似情況下的采空區(qū)遺煤防滅火工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

9605 綜采工作面回采的9#煤層埋深平均530 m，煤層厚度平均為2.68 m，為自燃發(fā)火煤層（自燃發(fā)火期介于33～120 d），采面回采過程中揭露有24 條斷層，受地質(zhì)構(gòu)造影響，采空區(qū)內(nèi)遺留一定的煤炭，現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)得到9605 工作面煤炭綜合采收率為85%。工作面設(shè)計(jì)走向1 320 m、傾斜長(zhǎng)度為328 m，采面屬于超長(zhǎng)綜采工作面，采用傳統(tǒng)的U 型通風(fēng)方式，推進(jìn)速度平均4.8 m/d。正常情況下采面供風(fēng)量為680 m3/min，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量平均38 m3/min。通過對(duì)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度進(jìn)行測(cè)定，初步判定采空區(qū)內(nèi)散熱帶、氧化帶以及窒息帶寬度分別為采空區(qū)后方0～28 m、28～57 m、57 m 以內(nèi)。

采面推進(jìn)至停采線后，受到進(jìn)風(fēng)巷側(cè)漏風(fēng)、工作面內(nèi)液壓支架數(shù)量多、設(shè)備回撤周期長(zhǎng)等因素綜合影響，采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃發(fā)火危險(xiǎn)性顯著增加，給液壓支架回撤帶來顯著的安全威脅。

2 采空區(qū)遺煤自燃防控技術(shù)措施

截止到2020 年6 月21 日，9605 綜采工作面已停采接近20 d，期間共回撤10 臺(tái)液壓支架，其中還剩余217 架，為了確保液壓支架安全回撤，提出采用束管監(jiān)測(cè)對(duì)采空區(qū)氣體成分進(jìn)行探測(cè)，并通過堵漏、降溫等綜合措施進(jìn)行采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火治理。

2.1 采空區(qū)氣體成分監(jiān)測(cè)

在9605 綜采工作面停采后即安排專業(yè)人員對(duì)工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)流中氣體成分進(jìn)分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣體成分存在異常時(shí)則及時(shí)采取治理措施。將束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入到采空區(qū)氣體成分測(cè)定中，每天循環(huán)測(cè)定一次，并做好記錄，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)上報(bào)并預(yù)計(jì)預(yù)案采取治理措施。

2.2 采空區(qū)封堵

在液壓支架頂梁后鋪設(shè)風(fēng)筒布減少采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量。在與停采線相距20 m 位置處，在液壓支架頂梁上鋪設(shè)風(fēng)筒布、鋼絲網(wǎng)等減少漏風(fēng)。在現(xiàn)場(chǎng)使用的風(fēng)筒布規(guī)格為330 m×21 m，在末采期間通過風(fēng)筒布將回撤空間與采空區(qū)間相隔離，可起到有效降低采空區(qū)漏風(fēng)率目的。具體在液壓支架上風(fēng)筒布鋪設(shè)情況見下頁圖1 所示。

圖1 液壓支架上風(fēng)筒布鋪設(shè)示意圖

2.3 采空區(qū)惰化

1）使用液態(tài)二氧化碳降低采空區(qū)溫度。通過注入管路向采空區(qū)后方灌注液態(tài)二氧化碳，液態(tài)二氧化碳由液態(tài)向氣態(tài)變相過程中會(huì)吸收大量的熱量，從而迅速降低采空區(qū)內(nèi)溫度，同時(shí)二氧化碳變相過程中體積會(huì)膨脹560 倍，顯著降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，從而使得原本屬于氧化帶的空間過渡到窒息帶。具體在采空區(qū)內(nèi)灌注液態(tài)二氧化碳裝置包括有CPW-20 型氣罐、罐體、平板車以及控制閥等構(gòu)成，通過采面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷頂板預(yù)留的措施孔、灌漿管路等向采空區(qū)內(nèi)灌注液態(tài)二氧化碳。

2）采空區(qū)灌漿。向采空區(qū)內(nèi)灌注的防滅火漿液包括主要為MEA 防火劑，具體MEA-1 防火滅劑、水、阻化劑等按照一定配比組成的膠體，具有保水性好、耐高溫以及密閉性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可提高采空區(qū)內(nèi)阻燃效果。使用注漿泵通過預(yù)留的措施孔向采空區(qū)內(nèi)灌注MEA 防火劑，并優(yōu)先在采面133 號(hào)—168 號(hào)液壓支架頂板上灌注，終孔位置應(yīng)在采空區(qū)遺煤較多位置。具體灌漿可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定，并調(diào)整灌漿孔施工參數(shù)、數(shù)量。

2.4 防滅火效果分析

在9605 綜采工作面設(shè)備回撤期間，通過漏風(fēng)點(diǎn)封堵、采空區(qū)注液態(tài)二氧化碳、灌注MEA 防火劑等措施后，采空區(qū)內(nèi)自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）得以明顯降低，最終穩(wěn)定到36×10-6；在回撤空間內(nèi)未再監(jiān)測(cè)到CO。表明，通過采取針對(duì)性的采空區(qū)遺煤自燃防控技術(shù)后，架后采空區(qū)迅速由氧化帶進(jìn)入到窒息帶，遺煤自燃問題基本得以控制。具體在液壓支架后方布置的各個(gè)測(cè)點(diǎn)獲取到的CO 濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）變化情況見圖2 所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)獲取到的CO 濃度（體積分?jǐn)?shù)）變化情況

3 結(jié)論

9605 綜采工作面開采的9#煤層具有自燃發(fā)火危險(xiǎn)性，由于斜長(zhǎng)達(dá)到328m，液壓支架回撤耗時(shí)較長(zhǎng)，加之開采過程中受地質(zhì)構(gòu)造影響采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，從而使得綜采工作面在設(shè)備回撤期間采空區(qū)遺煤存在一定的自燃威脅。

依據(jù)工作面實(shí)際情況，從監(jiān)測(cè)監(jiān)控、減少漏風(fēng)、降低采空區(qū)內(nèi)溫度以及氧氣濃度等方式進(jìn)行遺煤自燃防控，具體措施為：在工作面液壓支架后方鋪設(shè)風(fēng)筒布，將液壓支架回撤空間與采空區(qū)間隔開，從而減少采空區(qū)漏風(fēng)量；通過預(yù)留的措施孔向采空區(qū)內(nèi)灌注液態(tài)二氧化碳，通過二氧化碳變相降低采空區(qū)內(nèi)溫度以及氧氣濃度；在遺煤量較多區(qū)域灌注MEA 防火劑，避免遺煤自燃。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采空區(qū)內(nèi)一氧化碳濃度最終控制在36×10-6以內(nèi)，綜采設(shè)備回撤過程中基本作業(yè)空間內(nèi)基本探測(cè)不到一氧化碳，現(xiàn)場(chǎng)取得較好的采空區(qū)遺煤自燃防控效果。