易自燃煤層回撤工作面綜合防滅火技術(shù)實踐

劉 偉

（陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 長武 713600）

受撤面條件、撤面時間等影響，容易自燃煤層在回撤期間給采空區(qū)防滅火造成了極大的壓力[1-2]，如何有效地防止工作面在回撤期間的著火問題，成為工作面回撤期間的重中之重。高家堡煤礦南北寬約16.6 km，井田面積219.168 1 km2，可采煤為4#煤，資源儲量973.57 Mt，可采儲量468.52 Mt，服務(wù)年限為62.5 a，礦井建設(shè)規(guī)模5.0 Mt/a。4#煤自燃傾向性I 類，最短發(fā)火期37 d，后退式采煤。目前205工作面已回撤完畢。煤層自然發(fā)火期短、易自燃，上采空區(qū)漏風(fēng)較嚴(yán)重，工作面更容易引發(fā)火災(zāi)，因此研究自然發(fā)火規(guī)律，提出針對性防滅火措施，對于高家堡煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。

1 自然發(fā)火規(guī)律分析

1.1 采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律

根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”觀測報告結(jié)論確定工作面“三帶”范圍，據(jù)現(xiàn)場測試及模擬相結(jié)合，可以劃分出自燃“三帶”的范圍，見表1。

表1 自燃“三帶”范圍

構(gòu)建物理模型進(jìn)行204 綜放面采空區(qū)氣體濃度場的數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖1、圖2。

圖1 距煤層底板0.5、1、2、3 m 處氧濃度分布圖

圖2 距煤層底板5 m 處與氧氣立體分布圖

由圖1 和圖2 可知，204 工作面采空區(qū)散熱帶的分布范圍在采空區(qū)內(nèi)距離工作面0～30 m 以內(nèi)，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)處由于漏風(fēng)相對較大，散熱帶范圍相對較深，回風(fēng)側(cè)由于漏風(fēng)較少，散熱帶較淺。窒息帶在距離工作面100～135 m 以上的采空區(qū)深部。在回風(fēng)側(cè)，窒息帶的深度相對較淺，約為100 m，在進(jìn)風(fēng)順槽窒息帶的深度相對較深，可達(dá)135 m 左右，與現(xiàn)場測定結(jié)果基本一致。

1.2 回采期間采空區(qū)自燃火災(zāi)危害性分析

煤的破碎程度越高，吸氧面積越大，自燃危險性越高[3]。據(jù)實際揭露4 煤層情況，煤塊易破碎，對自燃的危害性相對較大。煤的破碎程度大、表面積大，致使氧化速度加快。據(jù)此分析4 煤層自燃危險性較大。

順槽煤氧化蓄熱升溫時間較長，使采空區(qū)二道遺煤溫度升高，致使發(fā)火期縮短，即便推進(jìn)速度較快，采空區(qū)遺煤自燃概率也相對較大。隨著開采的進(jìn)行，采空區(qū)三帶范圍隨之移動[4]。當(dāng)浮煤自燃升溫時，在火風(fēng)壓的作用下，煤體受熱造成火源位置升高，用水、漿等常規(guī)滅火措施難以解決。

1.3 自然發(fā)火指標(biāo)性氣體測試分析

實驗初始階段煤樣中含有微量的CO 氣體，說明高家堡礦煤樣在低溫情況下與氧氣發(fā)生低溫氧化使得煤樣中有一定濃度的CO 存在。CO 隨溫度增高而增大，在低溫階段增加趨勢比較平緩，溫度大于55 ℃時，產(chǎn)生的CO 濃度趨勢變得陡峭[5]。高家堡礦煤樣耗氧速度隨著煤溫的升高而增加，耗氧速度增加量呈增大的趨勢[6]。這是由于官能團(tuán)隨著煤體溫度的升高得到相應(yīng)的激活，使得煤體與氧氣反應(yīng)的速率加快[7]。隨后在高溫階段產(chǎn)生的C2H6氣體是煤樣高溫裂解的氣體[7]。而C2H4氣體在升溫后期，超過干裂溫度后產(chǎn)生，因此，把C2H6氣體作為判斷煤自燃的標(biāo)志性氣體[8]。

2 工作面回撤期間綜合防滅火技術(shù)

（1） 風(fēng)量調(diào)配。如圖3 所示，工作面停采回撤期間，綜合考慮工作面防滅火和現(xiàn)場實際需要，將工作面風(fēng)量調(diào)整到1000～1200 m3/min。205 工作面回撤為例，工作面開始回撤支架前，要及時在205 聯(lián)絡(luò)巷和204 輔運通道位置安設(shè)2 套局部通風(fēng)機(jī)，當(dāng)205 運輸順槽轉(zhuǎn)載機(jī)遷出后，及時在205 運輸順槽（205 泄水巷聯(lián)絡(luò)巷門口以外）施工密閉1 道，將205 運輸順槽和回撤面調(diào)整為局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)。利用205 聯(lián)絡(luò)巷的風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)對205 運輸順槽供風(fēng)，利用204 輔運通道的風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)對回撤面供風(fēng)，并稀釋有害氣體。

圖3 撤面期間通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

（2）預(yù)測預(yù)報。如圖4 所示，工作面撤面期間利用工作面回風(fēng)順槽隅角埋設(shè)的束管，加強(qiáng)對回風(fēng)隅角的CO、CH4、O2等氣體的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)氣體濃度變化，立即進(jìn)行研究和分析，積極采取相應(yīng)防滅火措施。通過采空區(qū)預(yù)埋的束管以及回風(fēng)隅角處束管，每天抽取采空區(qū)氣樣化驗分析，并根據(jù)分析出的CO、O2等氣體的數(shù)據(jù)，繪制出CO、O2等氣體的變化關(guān)系曲線，確定相關(guān)氣體的變化關(guān)系，為防治采空區(qū)自然發(fā)火提供依據(jù)。每天三班，每班三次，由瓦斯員檢查回撤地點風(fēng)流中CO、H2S、CH4的濃度和溫度等，如有異常情況，隨時向通防隊和調(diào)度指揮中心匯報，以便及時采取措施。加強(qiáng)對檢測設(shè)備的標(biāo)校和維護(hù)，確保各傳感器反映現(xiàn)場氣體變化情況，做到準(zhǔn)確無誤。

圖4 束管監(jiān)測布置示意圖（m）

（3）構(gòu)筑防火阻燃墻。如圖5 所示，在進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)隅角設(shè)2 m 的防火墻設(shè)施，用高分子材料進(jìn)行噴涂。防火墻要求打設(shè)嚴(yán)密，并用凝膠或水泥封堵裂隙，以減少向采空區(qū)漏風(fēng)。支架外構(gòu)建擋風(fēng)簾，減小漏風(fēng)量。

圖5 防火阻燃墻示意圖

（4）采空區(qū)注漿。工作面回撤期間，根據(jù)采空區(qū)有害氣體變化情況，利用采空區(qū)敷設(shè)的注漿管路對采空區(qū)進(jìn)行注漿防滅火。

灌漿站建設(shè)：礦井采用地面灌漿防滅火系統(tǒng)機(jī)械制漿，灌漿站設(shè)在風(fēng)井東側(cè)，場地有黃土堆、皮帶機(jī)、制漿機(jī)。灌漿站布置如圖6。

圖6 黃土全自動注漿防滅火系統(tǒng)圖

（5）注氮防滅火。工作面回撤期間，通過進(jìn)風(fēng)順槽預(yù)埋設(shè)的注氮管路，對采空區(qū)進(jìn)行注氮防滅火，注氮量根據(jù)采空區(qū)有害氣體變化情況采取適時注氮。

（6）注液態(tài)二氧化碳。工作面回撤期間，通過氣相色譜儀分析，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)CO 氣體濃度達(dá)到8×10-5并持續(xù)升高或出現(xiàn)C2H4時，立即利用地面EDM2000 二氧化碳惰性防滅火裝置（或CPW-2.0型液態(tài)二氧化碳裝置），提升液態(tài)CO2壓注量為55～65 m3/h。

（7）噴灑防滅火材料。工作面推采至距離停采線30 m 時，每班安排人員對工作面前及架間浮煤噴灑防滅火材料，防滅火材料要拌水噴灑，并噴灑均勻。

（8）噴涂（灌注）凝膠堵漏。根據(jù)現(xiàn)場情況，在現(xiàn)場兩隅角防火墻及巷幫噴涂凝膠以封堵漏風(fēng)；對裸露煤體進(jìn)行噴涂；對架間CO 異常地點施工防滅火鉆孔，灌注凝膠，封堵漏風(fēng)通道。

（9）壓注防滅火材料。施工直徑為32 mm、長度為3～8 m 的鉆孔，孔內(nèi)里段下設(shè)1 寸花管（2.4～3 m），花管使用1 寸無縫鋼管加工或使用空心鉆桿代替。壓注凝膠時，水玻璃、促凝劑、水重量比按照10:7:86 的比例進(jìn)行配比壓注，使用凝膠泵或氣動注漿泵進(jìn)行施工，當(dāng)裂隙或鉆孔內(nèi)有凝膠材料淌出時停止壓注。壓注防滅火材料時，多個鉆孔交替壓注，當(dāng)裂隙內(nèi)有防滅火材料淌出時更換壓注鉆孔。在一氧化碳異常地點根據(jù)涌出情況連續(xù)打設(shè)2～4 個鉆孔進(jìn)行加強(qiáng)注防滅火材料。當(dāng)CO 有升高趨勢或有自然發(fā)火預(yù)兆時，支架架間要增加壓注凝膠和防滅火材料量，在架間及其上風(fēng)側(cè)一個支架間分別施工2～3 個鉆孔并設(shè)花管或空心鉆桿進(jìn)行壓注凝膠或防滅火材料。工作面回撤完畢后，立即對工作面進(jìn)行封閉，在5 d 內(nèi)24 h 對采空區(qū)實施大流量注氮、注漿，降低氧氣濃度，提高采空區(qū)惰化程度。

采空區(qū)注漿、注氮、注二氧化碳、注防滅火材料管路布置如圖7。

圖7 注漿、注氮、注二氧化碳、注防滅火材料示意圖（m）

3 工程效果檢驗

由圖8 可知，在仰采期間阻化劑隨工作面的推進(jìn)并同時進(jìn)行噴灑，用量比工作面俯采階段降低，因為此階段由僅向兩巷煤壁噴灑增加向采空區(qū)表面遺煤噴灑，噴灑量平均為400 kg/d。2019 年11 月6日開始向采空區(qū)內(nèi)部壓注液態(tài)二氧化碳和防滅火漿液，液態(tài)二氧化碳的壓注量平均為 1000 m3/d，防滅火漿液的壓注量平均為800 m3/d。

圖8 液態(tài) CO2、注漿、阻化劑用量

由圖9、圖10 可知，在未實施壓注液態(tài)二氧化碳和防滅火漿液措施前，回風(fēng)隅角、回風(fēng)埋管和進(jìn)風(fēng)埋管處CO 氣體濃度有所升高，回風(fēng)隅角、回風(fēng)埋管 1#、回風(fēng)埋管2#、進(jìn)風(fēng)隅角處CO 濃度分別達(dá)2.95×10-4、2.65×10-4、2.45×10-4、1.12×10-4。由測定結(jié)果可知，開始實施綜合防滅火措施后，不同位置處的CO 氣體濃度逐漸下降，回風(fēng)隅角、1#測點、2#測點、進(jìn)風(fēng)隅角處一氧化碳濃度分別降至9.2×10-6、7.5×10-6、9.2×10-6、3.2×10-6。工 作 面綜合防滅火措施持續(xù)實施期間，各測點位置處CO氣體濃度均處于較低濃度變化，證明綜合防滅火措施取得較好效果。

圖9 兩隅角處CO 濃度

圖10 回風(fēng)埋管1#、2#處CO 氣體濃度

4 結(jié)語

高家堡煤礦利用綜合防滅火技術(shù)已成功回撤完成二盤區(qū)205 工作面，通過工作面綜合防滅火體系的應(yīng)用，不同位置處的CO 氣體濃度逐漸下降。實踐證明該技術(shù)可靠有效地起到了防滅火作用，該技術(shù)可用于類似容易自燃煤層回撤工作面礦井中，推廣應(yīng)用價值極大。