综放工作面通过上分层隐蔽老火区防灭火技术实践

邹德龙

(煤科集团沈阳研究院有限公司)

对于一些特厚煤层下分层开采时，其工作面防灭火难度增大[1]，特别是综放工作面放煤强度大[2]，致使上下分层采空区极易导通，把原本只需一个工作面防灭火变成了需要治理2个甚至更多，大大增加了采空区防灭火工作的难度，尤其是一些上分层工作面采空区曾经发生过火灾，更提出了新的难题。由于时间间隔较长，上分层的火区位置不明，范围不准确，也给下分层的工作面防灭火工作增加了困难。为此，有必要对综放工作面过上分层隐蔽老火区防灭火技术进行研究。

1 工程概况

下沟煤矿地处陕西省咸阳市彬县境内，矿井设计生产能力为3.0 Mt/a，目前正回采ZF1801工作面，主采煤层为4#煤层，平均厚16.7 m，分2层开采，首先开采的上分层为C1801工作面，采用高档普采方式，已于2000年8月回采完毕，采厚为2.3 m，留2 m顶煤，回采期间工作面采空区局部地区发生过火灾。ZF1801工作面倾斜长1 140 m,走向长度在4#煤层上部有邻近层4上2和4上1分别距4#煤层顶板13.1和22.5 m。工作面采用U型通风，配风量约1 500 m3/min。煤层为自燃煤层。

2 工作面自燃发火危险分析

2.1 上分层采空区影响因素分析

(1)ZF1801工作面上分层工作面为C1801工作面，回采期间在采空区遗留了大量的浮煤，而且上下分层煤层间距很小(3.1～7.8 m), ZF1801工作面采空区顶板垮落后将会漏穿上分层C1801工作面采空区，引发上分层采空区的浮煤大量落入采面采空区而造成二次氧化，加速本采面采空区自燃。

(2)C1801工作面采空区发生过火灾，且采空区遗留浮煤已被氧化过，随着本工作面不断开采放顶，采场与上部老空区的压力会逐渐发生变化，原有的压力平衡被打破，造成上部老空区漏风量显著增加，形成漏风通道，可能直接导致上部老采空区发生二次自燃，倘若发生自燃，会使得火源悬于本工作面之上，为防灭火工作增加了更大的困难。因此，上下分层新老采空区的防灭火工作应立体同治。

2.2 本工作面防灭火危险分析

(1)ZF1801工作面煤层平均自燃发火期短(3个月)，最短自然发火期一般为26 d，煤层为Ⅰ类易自燃煤层。因此，采面在回采过程中堆积的浮煤极易发生氧化自燃。

(2)ZF1801工作面倾斜长度大，漏风通道长，煤层厚度大采空区浮煤多，工作面埋藏深度大，矿山压力作用大，易引起采场围岩、煤体松动破碎，增加漏风通道，会引起采空区大量供氧，加速煤的氧化，导致工作面采空区发生氧化自燃。

3 工作面防灭火方案设计与应用

3.1 总体防灭火方案

ZF1801工作面采用以灌浆为主、注氮为辅，结合束管监测，必要时采用灌注三相泡沫、注凝胶等综合防灭火方法，同时在通风、回采管理上向利于防灭火工作上调整[3]。

3.2 合理配风量分析

工作面原配风量为1 500 m3/min，以保证工作面的适宜温度(26 ℃以下)和回风顺槽瓦斯不超限为原则，合理减少工作面的进风量，减少采空区漏风[4]。通过气象条件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量分别计算合理风量，同时对工作面人数以及风速进行验算，确定工作面实际需风量满足各种条件下的风量最大值为1 034 m3/min。当工作面回采至距C1801工作面上分层100 m时，根据实际情况将工作面风量调节至1 034 m3/min，以利于防灭火工作。

3.3 黄泥灌浆方式优化

为确保本工作面采空区与上分层采空区均不发生煤层自燃，将原有的本工作面单一注浆方式调整为上下采空区同时注浆。

3.3.1 ZF1801工作面采空区灌浆

从配风巷连接φ159 mm黄泥灌浆管进入ZF1801工作面运输顺槽巷口，在巷北帮每3 m打设一个规格为φ16 mm×1 200 m锚杆，用扁铁悬挂于锚杆上，每个锚杆距管口1.5 m，悬挂高度为1.5 m。工作面采用φ133 mm无缝钢管灌浆管路约1 000 m，布置在运输顺槽上帮1.5 m处，用扁铁悬挂于锚杆上，每个锚杆距管口1.5 m，在每个上分层顶板灌浆孔处留设三通，最终位置在采空区。

(1)灌浆管路从回风顺槽埋入采空区，随工作面回采推进，灌浆管路埋入采空区50 m时截开，重新埋入。

(2)采用间断性灌浆，根据自然发火观测数据，当回顺CO浓度大于0.001%且有上升趋势时，开始向采空区灌浆。灌浆材料选用黄土，泥浆浓度水土比为3∶1。

(3)根据上分层观测孔观测数据，当上分层采空区CO浓度大于0.001%且有上升趋势时，利用回顺巷内留设的黄泥灌浆管三通向采空区灌浆。灌浆材料选用黄土，泥浆浓度水土比为2∶1。当工作面回采至距C1801工作面上分层100 m时，停止灌浆。

3.3.2 上分层采空区灌浆

ZF1801工作面回采期间，继续执行掘进期间上分层灌浆措施。

3.4 动态双排筛管立体注氮防灭火工艺

由于本工作面采空区防灭火工作复杂，常规的注氮方式很难保障工作面安全生产的需要。鉴于氮气密度小于大气，化学性质稳定,扩散缓慢，直接注氮效果难有保障，为此本次在常规注氮技术的基础上提出了动态双排筛管注氮工艺，在工作面架后动态铺设筛管对工作面采空区进行双排注氮。具体实施方案为从运输顺槽铺设一趟φ108 mm注氮管路，注氮管路必须架设、连接牢固，气密性好。在每个上分层顶板灌浆孔处留设三通，连接到上分层注氮孔(通过向上分层施工钻孔实现立体注氮)，保持上分层采空区注氮。在靠近工作面切眼段100 m处时，各连接2条φ80 mm支管路，工作面架后铺设一条φ80 mm软筛管，随着工作面的推进，筛管置于采空区内，2条筛管管口错距为20 m,2条管路都安设阀门，每条支管埋深50 m时断开，2条注氮筛管路交替前移；采空区每天注氮不少于21 h，注氮量必须达到500 m3/h，氮气浓度必须达到97%以上。

随着工作面的推进，当第一趟注氮管路埋入采空区50 m时，开始埋入第二趟支管路，当第二趟注氮管口埋入采空区25 m后向采空区注氮，同时停止第一趟管路注氮，并重新埋设注氮管路，如此循环，直至工作面停采为止。注氮工艺见图1。

图1 注氮工艺示意

3.5 胶体堵漏风及防火隔离墙

本次工作面防灭火工作在注氮和灌浆的基础上注入胶体并设置隔离墙(图2)，具体方案如下：

(1)ZF1801进风回顺槽的气体观测钻孔在进入工作面采空区前20 m左右时，失去观测作用，对钻孔压注150 m3胶体。

(2)采空区进风侧距停采线80，50，20 m分别注MCJ12高分子胶体，形成一道沿倾向3～5 m、走向10～15 m、高4～6 m的胶体隔离墙，外侧有砂袋墙。每道胶体墙用胶量为50～150 m3。

(3)采空区回风侧距停采线50，30，10 m采用沙袋或粉煤灰袋形成2～3 m的隔离墙，并在墙内注高分子胶体，形成一道沿倾向3～5 m、走向10～15 m 高接顶的隔离墙。每道胶体墙用胶量为50～150 m3。

图2 胶体墙布置示意

4 工作面防灭火监测

防灭火监测是工作面防火的重要环节，本次通过人工检测、安全监测和人工采样分析的方法对工作面采空区及上分层采空区发火情况进行系统的监测，具体采空区自燃防治测点布置方案如下：

(1)ZF1801工作面回采至C1801工作面采空区下部后，在工作面进、回风顺槽每隔50 m设置一个采空区束管监测点，定时监测火灾气体浓度。

(2)利用ZF1801工作面进、回风顺槽掘进时向上部采空区布置的6个观测钻孔监测上部采空区火灾气体随本工作面采动的变化情况，分析上分层采空区是否存在高温区域。为避免监测钻孔加重上分层采空区的供氧情况，每次监测后应及时封堵钻孔。

(3)在采空区距停采线进风侧90，60，35 m， 回风侧70，50，30，10，0 m(上隅角)预埋束管测点，并采取保护措施，以加强工作面未采和撤架期间工作面采空区浮煤自燃的监测和早期预报，同时分析和监测上隅角瓦斯抽放系统中一氧化碳和氧气浓度。

(4)ZF1801工作面回采前，在运输顺槽敷设2根束管，回风顺槽敷设3根束管。运输顺槽2条束管终端错距为30 m，回风顺槽3条束管终端错距为20 m，当束管随着工作面回采埋入至采空区60 m时截断，重新埋入。为防止束管被压实，利用2寸钢管作为防护套管对束管进行保护。为了便于区分不同的测点，使用不同颜色φ8 mm束管。为确保监测数据准确，在束管端头安装过滤式探头,每根束管负责监测一个测点的气样。为了防止采空区积水堵塞束管，每个探头高出底板0.5 m以上，同时在探头外用留有细孔的铁箱罩住，以防挤压损坏束管，具体探头布置见图3。为保障束管监测的稳定性，在铺设的过程中还应注意3点：①每个测点的探头都应在引出的过程中标示清楚编号；②在铺设探头的过程中，所有的管路应紧贴煤体以减少垮落压断；③铁箱自带3条腿的支架，以达到稳定的目的。

图3 运输(回风)顺槽埋管观测探头布置

5 强化防灭火工作面管理

根据现在采空区瓦斯异常，必须加强瓦斯管理。ZF1801工作面采取如下措施：

(1)工作面回采期间减少生产影响，确保工作面推进度，根据西安科技大学为下沟矿所作的“三带”观测结果及矿山开采实际，采空区 “三带”范围不超过70 m，因此，每月推进度不低于90 m[5]。

(2)每班必须安排专人对工作面架间及架前浮煤认真清理。

(3)对巷道承压段进行喷马丽散封堵。

6 防灭火效果

通过采取一系列工作面综合防灭火措施，使下分层ZF1801工作面采空区CO浓度由回采初期的(115～386)×10-6逐步下降至(10～18)×10-6,上分层工作面采空区内CO浓度由回采初期的(210～445)×10-6下降至(12～21)×10-6，消除了工作面采空区发生火灾的隐患，保障了工作面安全回采。

7 结 论

通过分析下分层ZF1801工作面自然发火危险，提出了上下分层新老采空区立体同治的防火理念，并基于此设计了下沟煤矿综放工作面通过上分层隐蔽老火区期间的防灭火方案。通过合理调配风量、优化灌浆、注氮、注凝胶等防火措施，并结合防灭火监测与管理，消除了ZF1801工作面采空区的火灾隐患，确保了工作面的安全回采，为日后综放工作面通过上分层隐蔽老火区时的防灭火工作提供了实践经验。

[1] 高登彦.浅埋深易自燃煤层下分层放顶煤工作面防灭火技术[J].中国矿业，2017(12)：23-24.

[2] 王惠风,陈殿赋.综放面采空区自燃防治技术研究及应用[J].煤炭工程，2016(1)：18-20.

[3] 杨波,王伟.神华集团公司矿井火灾防治实践[J].煤矿安全，2015(11)：84-85.

[4] 张长山,于志金,陈晓坤,等.近距离复合煤层群煤柱自燃综合治理技术[J].煤矿安全，2016(11)：92-93.

[5] 李治刚,黎 力,毕井龙,等.采空区自然发火“三带”规律研究[J].煤炭技术，2016(12)：74-75.