綜采工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)應(yīng)用

孫月明

（山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600）

采空區(qū)防滅火對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。 工作面在回采過程中由于受采煤工藝、地質(zhì)構(gòu)造以及管理水平等影響，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大量遺煤，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤在高溫氧化作用下出現(xiàn)煤層自燃現(xiàn)象[1-6]，造成采空區(qū)內(nèi)CO 濃度升高，威脅著工作面安全生產(chǎn)。 綜采工作面原來主要采用回風(fēng)隅角封堵、 架后灑水等技術(shù)手段控制采空區(qū)煤層自燃[7]，但這些防滅火措施局限性大、治理效果差，達(dá)不到采空區(qū)防煤層自燃的目的[8]。 本文以阜生煤礦1105 工作面為研究對象，通過對工作面回采前期采空區(qū)煤層自燃原因分析，對工作面采空區(qū)防煤層自燃技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化，確保了工作面安全穩(wěn)定回采。

1 概述

山西潞安集團(tuán)左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司1105工作面沿煤層走向布置、沿傾斜方向回采。 工作面切眼長度為150 m，運(yùn)輸順槽長度為939 m（可采長度為509 m），回風(fēng)順槽長度為866 m（可采長度為509 m）。工作面回采煤層為15#層，可采厚度為6.5 m，平均傾角為8°，煤層結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，煤層內(nèi)含多層夾矸，煤層頂?shù)装鍘r性如表1 所示。

表1 1105 工作面回采煤層頂?shù)装鍘r性

1105 工作面采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化一次采全高全部垮落采煤法，工作面采用MG750/1940-WD 型電牽引采煤機(jī)，采高為6.0 m，回采率為93%。

2 工作面回采現(xiàn)狀及問題分析

2.1 回采現(xiàn)狀

截至2020年12月11日1105 工作面已回采60 m，工作面回采至52 m 處時，位于45#～87#支架前方揭露一條F8正斷層，斷層落差1.4 m，斷層對工作面回采影響長度為56 m。 工作面揭露斷層后決定采用仰斜回采工藝，即工作面從45#支架開始以6°的仰角上山回采，上山回采期間留斷層上盤底煤破頂巖，當(dāng)工作面上山回采至斷層下盤且完全揭露下盤煤體底板時停止上山回采，以近水平角度進(jìn)行回采。 在工作面前50 m 范圍內(nèi)回采時，工作面采空區(qū)內(nèi)有害氣體無上升趨勢，控制在允許范圍內(nèi)。 當(dāng)工作面揭露斷層后第三天開始，位于回風(fēng)隅角往里5～10 m 處采空區(qū)內(nèi)CO 濃度為0.004 2%，過斷層第七天采空區(qū)內(nèi)CO 濃度達(dá)0.006 7%，同時在風(fēng)壓作用下CO 向工作面及回風(fēng)順槽內(nèi)涌入量逐漸加大，嚴(yán)重威脅著工作面安全回采。

2.2 回采前期采空區(qū)瓦斯治理措施

為了控制采空區(qū)CO 濃度，1105 工作面回采前期主要采用回風(fēng)隅角封堵、 以及架后灑水的措施防止煤層自燃。

（1）回風(fēng)隅角封堵：通過現(xiàn)場CO 濃度采集發(fā)現(xiàn)，1105 工作面在前期回采過程中機(jī)道處CO 濃度相對較低，而CO 濃度集中區(qū)主要位于回風(fēng)隅角前后5.0 m 范圍內(nèi)。因此，決定對回風(fēng)隅角處進(jìn)行封堵，在回風(fēng)隅角采空區(qū)方向安裝一道風(fēng)障，風(fēng)障一側(cè)采用立柱與頂板進(jìn)行固定，另一側(cè)通過S 型掛鉤與巷幫進(jìn)行固定，工作面每回采20 m 安裝一道風(fēng)障。

（2）架后灑水：工作面前期回采過程中在相鄰兩架間隙處安裝一套灑水裝置，該裝置主要由高壓噴頭、高壓膠管、閥門等部分組成，灑水裝置水壓為1.5 MPa，灑水裝置布置間距為30 m。

圖1 回采前期采空區(qū)防滅火系統(tǒng)布置

2.3 采空區(qū)CO濃度超限原因分析

（1）煤體氧化時間長：2020年8月14日1105工作面切巷施工到位，11月8日工作面全部準(zhǔn)備完成，11月12日開始割煤，前期平均回采進(jìn)度為3.2 m/d。 工作面揭露斷層后回采速度降低至2.4 m/d，在此期間工作面煤層及回采遺煤氧化時間長，從而導(dǎo)致煤層發(fā)熱自燃現(xiàn)象。

（2）采空區(qū)遺煤量大：1105 工作面采用一次采全高回采工藝，回采高度為6.0 m，留頂煤厚度為0.5 m；同時工作面過F8斷層時采用仰斜回采工藝，工作面留底煤量大，預(yù)計留底煤量達(dá)2 100 t，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤量大[9]，遺煤在氧化作用下出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

（3）采空區(qū)漏風(fēng)量大：1105 工作面回采期間實(shí)測1105 運(yùn)輸順槽（進(jìn)風(fēng)巷）配風(fēng)量為1 421 m3/min，實(shí)測工作面機(jī)尾處風(fēng)量為1 329 m3/min，損失風(fēng)量主要沿機(jī)頭以及移架間隙進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)后為采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃創(chuàng)造條件，同時在風(fēng)壓差作用下風(fēng)流將采空區(qū)內(nèi)有害氣體帶入至工作面、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)。

（4）采空區(qū)發(fā)火監(jiān)控不到位：1105 工作面回采前期，主要在回風(fēng)隅角處安裝一氧化碳傳感器，監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)煤層自燃情況，該監(jiān)測系統(tǒng)無法實(shí)時對采空區(qū)煤層自燃情況進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控自動化及靈敏度低[10]。

（5）CO 治理效果差： 由于工作面回采后采空區(qū)區(qū)頂板隨之垮落，在垮落過程中對風(fēng)障及灑水裝置損壞嚴(yán)重；而且灑水裝置噴水射程有限，噴水后降溫效果差，導(dǎo)致傳統(tǒng)采空區(qū)防火治理效果差。

3 采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)應(yīng)用

3.1 綜合防滅火措施

為了保證工作面后期安全回采，阜生煤礦決定從控制采空區(qū)漏風(fēng)量、 減少采空區(qū)遺煤以及提高采空區(qū)束管監(jiān)控力度等幾方面著手，從而控制采空區(qū)煤層自燃現(xiàn)象。

（1）安裝導(dǎo)風(fēng)裝置：1105 工作面回采前期采空區(qū)漏風(fēng)主要來自于端頭支架與巷幫側(cè)間隙，以及分段移架時支架與支架之間間隙。 為了減少采空區(qū)漏風(fēng)量，決定在端頭支架處安裝“Z”型導(dǎo)風(fēng)裝置；該裝置一端安裝在1105 運(yùn)輸順槽距端頭12 m處巷幫上，另一端安裝在端頭支架頂梁下方，如圖2 所示；為了避免移架時出現(xiàn)架間漏風(fēng)，在支架后液壓支柱上安裝柔性風(fēng)筒進(jìn)行堵風(fēng)。

圖2 1105 工作面綜合防滅火系統(tǒng)布置

（2）注氮防火：為了抑制采空區(qū)煤層自燃現(xiàn)象，決定對采空區(qū)噴灑液態(tài)氮?dú)?，采用ZH-800-98型制氮機(jī)制氮并利用直徑為110 mm 無縫鋼管由地面輸送至1105 工作面回風(fēng)隅角處，然后對接安裝直徑為108 mm 注氮軟管并延伸至采空區(qū)內(nèi)，隨著工作面推進(jìn)50 m 后將第一根注氮軟管甩入采空區(qū)內(nèi)，安裝第二根注氮軟管繼續(xù)注氮，依次類推直至工作面回采至停采線位置。

（3）優(yōu)化采煤工藝：1105 工作面采用仰采回采過F8斷層時，留頂煤量大且預(yù)留難度大，為了減少過斷層期間煤柱損失，決定對原回采工藝進(jìn)行優(yōu)化，采用松動爆破強(qiáng)行破巖法，首先對工作面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)面，確保工作面與斷層面平行進(jìn)行偽斜回采，然后在斷層巖體處施工松動爆破孔，采用強(qiáng)行破巖法過斷層。 工作面過斷層后再次旋轉(zhuǎn)調(diào)整工作面?zhèn)涡?，進(jìn)行正規(guī)循環(huán)作業(yè)，從而有效減少過斷層期間煤柱遺失量。

（4）安裝束管監(jiān)控系統(tǒng)：由于傳統(tǒng)采空區(qū)CO監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測誤差率大、靈敏度低，1105 工作面在后期回采時在采空區(qū)安裝了JSG5 型束管監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用光譜技術(shù)進(jìn)行氣體檢測，1105 工作面共計安裝了三套束管監(jiān)測系統(tǒng)，分別安裝在22#支架、87#支架以及回風(fēng)隅角后方20 m 處；JSG5型束管監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)測靈敏度高、 測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)上傳速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 應(yīng)用效果分析

2020年12月開始對1105 工作面采取綜合防滅火措施，截至2021年4月21日工作面已回采到位，通過5 個月實(shí)際應(yīng)用效果來看，工作面采取綜合防滅火技術(shù)后，實(shí)測機(jī)尾處回風(fēng)量為1 403 m3，減少了采空區(qū)漏風(fēng)量，采空區(qū)內(nèi)O2濃度降低為2.7%，CO 濃度降低為0.001 6%；工作面回采期間實(shí)測機(jī)道處CO 濃度不足0.000 5%，回風(fēng)流中CO 濃度不足0.000 9%。 同時工作面在過斷層期間采用松動爆破回采工藝后，提高了工作面煤層回采率，采空區(qū)內(nèi)遺煤量減少了1 800 t，避免了煤層自燃現(xiàn)象，工作面回采速度提高至5.7 m/d。

4 結(jié)論

1）對采空區(qū)采取堵風(fēng)措施后，可減少采空區(qū)漏風(fēng)量，在降低采空區(qū)風(fēng)壓差的同時，可延長采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化時間，以及煤體自然發(fā)火期；同時對采煤區(qū)遺煤采取注氮措施后，降低煤體表溫，稀釋采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，從而達(dá)到煤體阻燃的目的。

2）工作面采用松動爆破回采工藝過斷層時，無須預(yù)留頂煤，減少了過斷層期間采空區(qū)遺煤量，且無須對過斷層期間頂板采取永久支護(hù)，回采后采空區(qū)頂板可及時垮落，縮短了采空區(qū)遺煤與空氣接觸時間，有效地控制了煤層發(fā)火。