复杂地质构造综放工作面停采撤架期间防火技术

2019-09-27金永飞姜希印陶维国许延辉程小蛟

煤矿安全 2019年9期

金永飞，程明，姜希印，陶维国，许延辉，程小蛟，郭军

（1．西安科技大学安全科学与工程学院，陕西西安710054；2．西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安710054；3．兖州煤业股份有限公司济宁二号煤矿，山东济宁272000）

煤火灾害是矿井五大灾害之一，不仅会造成大量资源损失，而且还会产生温室气体（CO2和CH4）[1-3]、有毒有害气体（CO、SO2、H2S、N2O、NOx 等）和微量元素（As、F、Se、Hg 等）[4]，对井下工作人员身体健康造成严重威胁。煤自燃过程主要是一个煤氧复合放热、环境散热的过程，在放热和散热这对矛盾中运动发展[5-6]。矿井生产过程中，煤层最易自燃的地点有2 处：一个是巷道周围松散煤体；二是采空区松散煤体。综放面采空区自然发火多出现在综放面开切眼、停采线及两巷遗煤区。近年来，关于工作面停采回撤期间遗煤自然发火防控技术，许多学者已做了相关研究。文虎等[7]基于色连二矿12205 工作面顶板上部存在浮煤的特殊情况，提出了“减少采空区漏风、降低采空区氧浓度”的防火原则，制定了顶板铺设风筒布、建黄土隔离墙、注高分子胶体材料、注氮等防火技术措施。邓军等[8]针对羊场湾Y212 工作面撤架期间采空区浮煤自燃特点与工作面实际开采条件，提出在工作面前方重新施工巷道，采用高位孔灌注胶体材料、封闭注氮相结合的降温、降氧的防灭火方案，使工作面顺利回撤；赵雷等[9]针对大倾角负煤柱综放面采空区发火问题，制定了集“堵漏、降温、惰化”于一体综合性的防灭火措施，取得了较好效果；郑忠亚等[10]针对下沟煤矿易自燃煤层下分层孤岛综放面尾采撤架防灭火技术研究，采取以胶体防灭火技术为主，其他防灭火技术为辅的综合防灭火技术措施，保障工作面支架顺利回撤。上述防火技术均以“降氧、降温”为主旨展开，但不同环境条件采取技术措施不同。

济宁二号井10301 综放工作面在停采线附近揭露断层，地质条件复杂。而目前关于复杂地质构造（如停采线附近揭露断层）工作面停采撤架期间防灭火技术鲜有人研究。所以，针对10301 工作面的复杂地质情况，提出了“深部控氧，浅部控温，减氧抑温”的防火总思路，制定综合防灭火技术措施，效果显著，顺利完成工作面的撤架任务。

1 工作面概况

10301 综放工作面位于十采区南部，为十采区首采工作面。工作面倾向长为231 m，走向长为1 060.45～1 137.43 m，煤层倾角3°～17°，工作面绝对标高为-670.8～-816.3 m，瓦斯绝对涌出量为2.4 m3/min。煤层为气煤煤种，属于Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为47 d。工作面采用“U”型通风，运输巷进风、轨道巷回风，末采期间配风量为1 100 m3/min。接近停采线时，工作面两巷道陆续揭露断层F100103、9F59、F100102。工作面轨道巷距十一采区采空区最窄煤柱为39.74 m，可能存在漏风。工作面煤层产状变化大，煤层倾角3°～15°，局部可达17°。

2 工作面停采撤架期间煤自燃原因分析

1）松散煤体。10301 综放工作面的两道和停采线附近都会留有大量遗煤。在停采线附近，顶煤平均厚度约7 m，而在末采阶段，平均损失煤厚约0.03～7 m，损失煤量2.73 万t。此外，工作面推进过程中遇F49断层，上盘、下盘及地质损失共丢煤16.8万t；9F59断层下盘丢顶煤（H=9.5～13 m），顶煤区域面积3 093 m2，平均损失煤厚约9.5 m，损失煤量4万t。采空区遗煤情况既为自然发火提供物质条件，又创造了良好的蓄热环境。

2）漏风供氧。工作面末采及停采线附近均有断层构造，在断层构造附近的煤层，煤的物性发生了一些明显变化，煤较为松软破碎，易垮落，易氧化，形成漏风带，大大增加了断层附近煤层的发火危险。对工作面通风系统及周围片区内密闭墙内外压差分析，共判定此处采空区漏风通道共2 条（图1）。图1（a）中，漏风路线为：10301 轨道巷→10301 工作面采空区→10301 运输巷；图1（b）中，漏风路线为：11310运输巷→11310 面采空区→11310 轨道、运输巷超前段→10301 工作面采空区→10301 运输巷。

图1 漏风通道

3）氧化时间。10301 工作面煤层为气煤煤种，属于Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为47 d，发火期较短，属于自燃煤层。末采阶段，综放推进速度相对较慢，采空区氧化带宽度大。其中，7—9 月间，月推进速度为1.06、0.94、0.795 m/d，推进速度缓慢；此外，由于10301 工作面煤层较厚，综放面采空区空间较大，采空区自燃“三带”（散热带、氧化带、窒息带）中散热带、氧化带的分布范围较广，尤其是氧化带宽度较一般工作面增加不少（如运输巷侧94#点束管、轨道巷的102#点束管，氧气浓度一直较高，出现一氧化碳较早，没有进入窒息带），煤氧作用时间长。回撤期间，10301 综放工作面共134 套支架，拆卸困难，撤架时间较长。停采至封闭时间达到69 d，远远超过煤的自然发火期。因此，为保证10301 综放工作面末采及回撤顺利完成，从煤自燃条件和末采回撤煤自燃原因分析着手，基于降氧抑温原则，制定了针对性的综合防火技术。

3 工作面停采撤架期间防灭火技术

3.1 堵漏控氧防火

工作面向采空区中的漏风通道有2 个，分别是通过工作面支架间隙和进风端头向采空区中漏风。封堵采空区的漏风通道，减少空气供给是堵漏防火工作的基准。

1）架后铺设风筒布。停采前架后用风筒布包裹，减少采空区漏风氧化。回采工作面距停采线20 m 时，在工作面挂网时全部铺费旧风筒布，在支架前移停止时，架后风布要落地1~2 m。架后风筒铺设如图2。

图2 顶板铺设风筒布堵漏风

2）调整工作面风量。工作面采用“U”型通风，工作面配风量前期为1 500 m3/min 左右，后期为1 200 m3/min 左右，停采后为500 m3/min 左右；生产期间运输巷进风，轨道巷回风，10 月20 日抽巷道支架时调整系统，撤除后期改为局部通风配合全风压通风方式。具体调整如下：①末采阶段通风系统：工作面通风路线为运输巷进风、轨道巷回风，配风量不小于1 100 m3/min，每周测风1 次；②停采回撤前通风系统：在10301 轨道巷联络巷、10301 运输巷联络巷分别安设好1 台2×5.5 kW 局部通风机敷设φ600 mm 风筒至停采位置，并备留足够风筒以便风量不足时将风筒延接至回撤位置，过风门墙体时必须使用铁风筒，而且铁风筒周边必须密封严实，工作面回撤前，10301 面调整掩护支架前，利用10301 轨道巷机头新建调节墙及10301 运输巷联络巷新建风门调整工作面为轨道巷进风运输巷回风，通过运输巷机头风门控制10301 工作面风量，将工作面的风量控制在450～550 m3/min；③工作面回撤期间通风系统调整：回撤前加工旧工字钢斜撑预留回风通道（图3），当工作面风量因回撤小于300 m3/min 时，首先调整10301 运输巷机头调节风墙，确保风量满足要求，在回撤过程中如发现风量低于300 m3/min，通过调整运输巷机头风门及通过增加轨道巷联络巷通风断面不能满足要求时，将10301 轨道巷风筒敷设至工作面内回撤支架位置，同时开启两巷道风机供风，工作面封闭完成后，及时回收两巷道风机。

图3 回撤期间风量调整示意图

3）注水玻璃胶体材料。工作面停采前15 m，每推进5 m 在工作面上施工1 道碎煤墙，封堵采空区未跨落的巷道。向未垮落区压注水玻璃胶体材料，对采空区遗煤裂隙进行封堵，形成隔离带，控制采空区漏风。钻孔施工，深浅结合，工作面架后、架间使用FIV—S/L 型手持式气动钻机或帮部锚杆钻机施工φ42 mm 钻孔，钻孔内下φ25 mm 全程套管。10301 工作面回撤期间每组支架架间都要施工，累计施工此类钻孔273 个。此外，工作面架间使用ZQJC-1000/11S 气动柱式钻机、φ50 mm 套管及φ50 mm 一次性防火钻头，施工φ50 mm 防灭火长距离钻孔（一般深度为15～20 m）。10301 工作面回撤期间累计施工此类钻孔22 个。端头、支架后方注胶示意图如图4。

3.2 惰化降氧防火

1）注N2工艺。在进风端头埋处预埋φ108 mm管路，地面制氮机制氮后通过井下专用注惰气管路输送至压注地点，氮气量保持在800 m3/h，对采空区持续注氮惰化采空区。

2）注CO2工艺。①将液态二氧化碳在地面灌注至型号为CPW-20 的液态二氧化碳储气罐内，将储气罐运输至压注地点后利用管路向工作面内采空区内压注，通过此工艺，共向工作面采空区内压注二氧化碳8 罐车，合计18 t 液态二氧化碳；②在地面将液态二氧化碳槽车利用蒸发器气化后输送至储气罐内，然后通过井下注惰气管路将气化后的二氧化碳输送至压注地点，通过此工艺，共向工作面采空区内压注液态二氧化碳410 t，既实现了降温效果，又达到减氧的目的。

图4 端头、支架后方注胶示意图

3.3 监测预报

1）人工检测。通过CO 便携仪、CO 检定管、瓦检仪、四合一和红外测温仪等工具对下端头支架后部、25#、45#、65#、85#、100#、110#、120#支架后部、回风隅角（支架后部）等位置每天派专人分3 班进行气体检测。

2）束管检测。通过人工方式对回风隅角（支架后部）、回风流、进风巷采空区隔30 m 的3 个埋点、回风巷采空区隔30 m 的3 个埋点等位置进行气样采集，进行色谱分析，绘制气体变化曲线图，分析气体变化采取相应措施。

3）安全监控系统。对10301 综放工作面进风巷，120#架，回风隅角，回风出口，距工作面10 m，回风流等位置的CO、CH4、O2等气体及温度进行实时监测，每天查看各指标变化趋势，对采空区煤自燃情况进行预测预报。

4 应用效果

4.1 撤架防火过程

末采阶段（2017-07-15—2017-09-21），综放工作面供风量大于1 100 m3/min，工作面回风流中CO浓度处于（5~10）×10-6之间。2017 年9 月25 日，工作面开始撤除设备。在09-25—10-17 期间，工作面轨道巷主要撤除134#架、133#架、前部运输机及后部运输机，回风流中CO 浓度处于（5~11）×10-6之间，工作面气体情况正常。在10-18—10-23 期间，轨道巷撤除切内铺滑板、调掩护架等设备。在此节点上，对工作面通风系统进行调整，风流方向为：轨道巷进风，运输巷回风。回风流中CO 浓度出现异常，气体浓度处于（5~129）×10-6之间，66#~67#架后出现高温点，采取相应措施，于22 日中班处理完毕。2017 年10 月23 日，工作面回风流首次出现C2H6，采空区遗煤温度已达到80℃以上。2017 年11 月5日左右，工作面回风流中出现C2H4，采空区遗煤温度已达到90℃以上。10-24—10-28 期间撤除支架，平均每天撤架3.7 组。10-28—10-30 期间，断层面（高点）出现CO，其中29 日中班在97#~98#架间打出高温点，出现焦油味。工作人员及时采取措施，在10301 运输巷砸墙2 道各0.5 m3，并在工作面97#~101#架附近施工钻孔10 个，并对上述钻孔压注胶体，其中小苏打105 袋、水玻璃210 桶（0.22 m3/桶）。10 月29 日夜班，工作面注胶5 个孔，小苏打78 袋、水玻璃78 桶。

4.2 防火效果分析

10 月30 日早班，通过95#~96#、97#~98#架间监测孔CO 数据（图5、图6）可知，10-29—10-30 采取的局部预防措施效果显著，后续对97#~98#附近持续注胶，CO 浓度呈减小趋势，降低到24×10-6以下。

图5 进风预埋束管CO 浓度变化

回撤期间，从10 月23 日工作面回风流CO 浓度呈指数递增，工作面CO 浓度变化如图7。产生上述情况的主要原因为：①10 月20 日风流方向调整，且风流从750 m3/min 降到340 m3/min，支架回撤时顶板垮落，风流通过时带出大量CO，如图7（a）；②采空区遗煤温度达到临界温度以上，氧化反应加剧，CO 产生量急剧上升，撤架期间，工作面回风巷严禁行人。根据上述预防思路，对工作面采取相应措施，11 月24 日，工作面所有支架撤出，11 月28 日，封闭工作面，回撤历时69 d。