自燃厚煤层综放面停采撤架期间防灭火技术研究

文/康从勇 黄志彬 王建国

综放开采工艺的推广采用，使得煤矿的生产效率大幅提高，但是也伴随着遗煤自燃多发的问题，尤其在工作面停采撤架期间，问题更为突出。对于停采撤架期间的煤炭自燃防治问题，国内外主要采用注水、注浆、喷洒阻化剂、注氮等技术。近些年来，高分子胶体、三相泡沫、泡沫凝胶等防灭火技术也得到了广泛应用，取得了良好的效果。

徐矿集团平凉新安煤业公司5202综放工作面在停采撤架期间出现了局部温度较高、CO浓度增高超限的情况，对此，公司采取了以设置矸石隔离带、局部正压通风、钻孔注泡沫凝胶为主的综合防灭火技术，有效防止了遗煤自燃的问题，保证了支架的安全回撤，同时对于同类型煤层工作面撤架防灭火工作具有指导意义。

一、工作面概况

新安煤业5202综放工作面位于矿井近水平采区北翼，东为边界，西为未开采工作面，南为广场煤柱。工作面回采走向746m，面长125m；煤层厚度7.0～12.0m，平均厚度8.5m，地质构造复杂，断层及裂隙发育。经煤层自燃倾向性鉴定，5202综放工作面所采煤层挥发分高，为27.89%，为自燃煤层，自然发火期3～6个月，最短发火期28天。5202工作面现有支架85架，撤架工作量较大，在撤架期间多次出现CO浓度增高超限、局部温度上升的情况，为保证工作面安全、顺利回撤，需做好防灭火工作。

二、煤层自燃危险性分析及自然发火区域的确定

1.煤层自燃危险性分析

（1）从煤的自燃倾向性分析

经煤层自燃倾向性鉴定，5202综放工作面所采煤层挥发分高（27.89%），为自燃煤层，自然发火期3～6个月，最短自然发火期28天。工作面需回撤设备体积大、数量多，回撤速度较慢，易使煤层达到自然发火期。

（2）从工作面煤层赋存情况分析

5202综放工作面所采煤层为厚煤层，平均煤厚8.5m，煤层倾角0～18°,由于煤体较为破碎,脆性大，增加了煤的氧化表面积，使氧化速度加快，容易氧化自燃。

（3）从回采防灭火技术分析

5202综放工作面采空区放顶范围内均有遗煤。工作面停采后支架顶部及尾梁附近煤体松动，易形成破碎裂隙带，成为漏风通道，极易造成煤体氧化自燃。工作面停采段为走向俯采，采空区范围广 ，工作面防灭火有一定的局限性。

（4）从工作面现状分析

5202材料道回采段顶煤平均厚度3.0m左右，运输道回采段顶煤平均厚度6.0m左右。煤层直接顶板为砂质泥岩，厚8.0m，灰黑色，平行层理发育，胶结性很差，上部为1.0m劣质油页岩，再上为4#煤层。老顶为泥质粉砂岩，厚11.0m，灰至灰黑色，含孔隙水。直接底板为砂质泥岩，厚3.0m，灰褐至灰黑色砂质泥岩。老底为粉细砂岩，厚5.0m，灰白色。工作面停采时，顶煤较厚，增加了防灭火难度。

综上分析，5202综放工作面停采回撤期间采空区自然发火危险区域范围广，自燃危险性大，防灭火难度高。

2.回撤期间自然发火区域的确定

（1）支架后采空区氧化带

5202工作面自2018年1月回采以来，通过采空区内敷设束管进行气体检测和取样色谱分析、总结，“三带”划分为：散热带宽度为7.8～9.9m，氧化带宽度为36.8m，窒息带大于46.8m。所以采空区氧化范围大概在10m至50m范围内。

（2）支架尾梁顶部松动圈氧化带

工作面停采后，支架尾梁顶部受支架整体升降和前探梁及尾梁活动，以及采空区顶板来压的作用，煤体易破碎，形成松动氧化带。

（3）工作面进、回风隅角

工作面停采后受强压力影响，进风、回风隅角煤壁极易垮落，形成大量松散煤体，这部分煤体极易氧化自燃。

三、综合防灭火技术应用

1.停采撤架期间气体监测

（1）束管监测

在5202工作面两道预埋长度分别为45m、35m、25m、15m的6分钢管，管路内敷设两趟单芯束管，管路端头焊接堵头并刺花眼，束管末端安设防尘阀门防止堵塞。每班检查2次，三班设专人现场交接班，利用多种气体检测器定时、定点检测。观测点为下隅角束管45m、35m、25m、15m，上隅角束管45m、35m、25m、15m，并利用架前顶板钻孔每5架检测钻孔内气体。

（2）色谱分析

利用气相色谱仪，每周对气体取样进行三次色谱分析，以分析采空区内的气体成分及浓度变化，为相关措施效果检验和调整提供依据。

2.采空区遗煤自燃防治

（1）采空区遗煤控制

工作面回采至距停采线60m，开始加大放煤量，控制和减少采空区遗煤。工作面回采至距停采线40m，开始进一步加大放煤量，一直到不见煤为止，通过采空区放矸石形成27m左右的整体“矸石隔离带”。

（2）减少采空区漏风

①为了减少采空区漏风，在距停采线30m时，两道隅角每隔2m施工一道挡风墙。在距停采线22m时，两道隅角超前码放整体连续黄泥麻袋墙，码放到顶、到底、到帮。两道隅角墙体砌筑完成后，及时对墙体及其帮部和顶部喷涂防灭火材料，喷涂后压注LFM防灭火充填材料。施工前将巷道顶、帮、底浮煤清理干净，防止浮煤在封堵材料覆盖下蓄热氧化自燃。

②工作面铺网上绳期间，在网上同步覆盖双层完好无破损风筒布，要求风筒布逆风流方向压边不少于100mm（工作面下出口段风筒边压上出口段风筒边），同时要求风筒紧贴煤体，平整敷设，压边可靠。若风筒布损坏严重，可在架前吊挂风筒布。

③停采后，工作面两道隅角和端头实施喷砂浆封堵；支架尾梁利用隔膜泵喷涂，喷涂材料为LFM型防灭火材料。

（3）采空区注氮降氧

在距停采线60m、40m、30m、20m分别压茬式预埋注氮管路。距停采线采空区20m左右沿工作面走向预敷一趟注氮管路，每隔10m设置一个释放口。管路必须要贯通整个采面。影响防灭火注氮流量大小的主要因素有：采空区的空间大小、几何形状、漏风强度及气体的变化量等。防灭火注氮流量按下式计算：

式中：QV－采空区氧化带的漏风量，m3/min；

Κ－注氮量备用系数，取1.2～1.5；

C1－采空区氧化带内平均氧浓度 ，%；

C2－采空区防火惰化指标，其值为煤自燃临界氧浓度 ，%；

CN－注入氮气浓度 ，%。

采空区氧化带漏风量一般按工作面风量的1/60～1/100选取，根据矿井实际，采空区氧化带漏风量取6m3/min。取注氮量备用系数为1.2。根据束管监测的平均值，取氧化带中平均氧浓度为15.8%。采空区内煤自燃临界氧浓度取7%。注入氮气浓度取97%。则有：

根据以上计算，工作面回撤期间将采空区氧气浓度降到7%以下的最小注氮量为950.4m3/h。工作面停采后，根据情况对采空区可实施24h不间断注氮。

（4）注泡沫凝胶防灭火

工作面停采后，支架尾梁顶部受支架整体升降和前探梁及尾梁活动，以及采空区顶板来压的作用，煤体易破碎，形成松动圈氧化带。为防止这些地方的遗煤自燃，需采用高位钻孔注泡沫凝胶技术。泡沫凝胶兼具泡沫与凝胶的特性，具有良好的流动性、保水性以及堵漏风特性。

从工作面上出口开始每架布置三个钻孔，顶板钻孔的终孔位置以实际见5#煤层顶板为主。工作面停采回撤期间，瓦斯员检查发现支架前及尾梁顶部附近出现高温点或CO浓度逐步升高时，可在该处架钻孔注泡沫凝胶，钻孔参数见表1，钻孔位置如图1所示。

表1 顶板钻孔参数

图1 钻孔位置示意图

矿井现有2ZBQ-60-1.5型双液气动注浆泵，额定流量为60L/min（3.6m3/h），额定压力为0～25MPa。同时还配备6台QBY-3-40型隔膜泵，流量为3m3/h，扬程为50m，经地面试验，以上两种泵均可进行钻孔压注。注泡沫凝胶工艺流程如图2所示。

图2 注泡沫凝胶工艺流程图

3.撤架期间局部通风

改变原有通风系统的压力分布,减少进回风巷道之间的压力差可以有效地减少采空区漏风,从而达到抑制采空区遗煤自燃的目的。在停采撤架期间，为减少采空区漏风，需要在工作面运输巷施工密闭墙，对运输巷进行封闭，采用压入式局部通风的方式为工作面供风。选用FBD№6.3（2×15kW）型局部通风机两台,额定风量在300～400m3/min，风筒选用Φ600mm的胶质阻燃抗静电风筒，风机安装在5202联络巷，风筒沿5202材料道、工作面布设。

四、应用效果

5202工作面在2019年2月17日停采铺网上绳，由于煤层较软，巷道环境差且局部巷道高度不够，为此花费了一段时间来整修和对巷道进行落底。到3月1日准备拆除设备。3月7日，瓦斯员检测到15、20、60号支架尾梁顶部煤体温度较高，其中60号支架尾梁顶部煤体温度最高，达32.5℃。抽取上述支架顶部钻孔内气体进行检测，发现CO浓度较高，最高可达500ppm。

为此，开始进行三班24小时不间断注氮，与此同时，在15、20、60号及其前后5架架顶钻孔内进行注水然后注泡沫凝胶。通过上述防灭火措施的实施，各异常点煤温上升情况得到了抑制，温度明显降低并稳定在22℃～24℃之间。经过一段时间的综合治理，异常区域煤体氧化的情况得到了控制，CO的浓度也明显降低并稳定在150ppm以下。

五、结语

自燃厚煤层综放工作面在末采回撤期间，要高度重视遗煤自燃的问题，距停采线一定距离时要有意识的加大放煤量，控制和减少采空区遗煤，设置一定距离的“矸石隔离带”。停采回撤期间，在全面防治煤自燃的基础上要加强对支架后采空区氧化带、支架尾梁顶部松动圈氧化带以及工作面进、回风隅角等重点危险区域的监测监控，如有异常要及时分析原因并采取相关措施，做到“全面防治、重点防治、综合防治”相结合。

5202工作面撤架期间，通过采取以设置矸石隔离带、封堵两端隅角、局部通风、注氮、注泡沫凝胶为主的综合防灭火技术，有效惰化了煤体，减缓了采空区遗煤的氧化速度，达到了防治采空区遗煤自燃的目的，为撤架工作争取了宝贵时间。至3月25日，工作面所有设备均安全撤出。该防灭火技术的研究及应用可为同类型煤层工作面撤架期间防灭火工作提供借鉴。