复杂条件下综放工作面煤自燃防治技术研究

赵 强 周玉金

(内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司，内蒙古自治区鄂尔多斯市，010321)

煤炭是我国的主要能源，煤炭自燃是我国煤矿的主要灾害之一[1-2]。在我国国有重点煤矿中，因煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的90%～94%[3-5]。随着煤炭资源的不断开采，优质煤层越来越少，煤炭开采也从优质煤层逐渐转向复杂煤层，复杂煤层地质条件复杂，开采难度较大。加之综放工作面回采率低，推采较慢，采空区煤自然发火问题突出[6-7]。尤其在工作面末采不放顶煤期间，常规的防灭火技术很难做到有效地防治煤自燃，为此，有必要对综放工作面高位遗煤自燃的防治进行技术研究与实践。

1 工作面概况

蒙泰不连沟煤业F6209工作面位于二盘区东翼，西连6#煤层辅运大巷，北邻F6208工作面采空区，东部为井田边界，南部为F6210未采工作面。该工作面总体呈东高西低，煤层埋深181.5～346.6 m。工作面长度为2183.8 m，切眼长度为254.3 m，该工作面采用综合机械化后退式放顶煤采煤方法，采高4.0 m，全部垮落法管理顶板，共布置两条巷道，辅运巷进风，运输巷回风。工作面开采6#煤层，自然发火期为31 d，属于I级容易自燃煤层，工作面具体布置情况如图1所示。

图1 F6209工作面布置平面图

2 工作面煤自燃问题及防治难点

(1)F6209工作面在剩余150 m时，工作面由于过构造带，回采速度较慢，遗煤量大，且设备老化，检修时间长，采空区遗煤持续氧化蓄热，出现自然发火标志性气体，CO不断升高至0.1%左右，且伴有乙烯(C2H4)产生。

(2)工作面回采过程中始终伴有采空区漏风，漏风量为100～200 m3/min，遗煤氧化加快，采空区内CO浓度为0.06%，已有急速升高趋势。

(3)工作面采取了常规的采空区注浆、喷洒阻化剂、注氮等综合防灭火措施，但效果不佳，CO和瓦斯浓度仍然急速上升。

(4)工作面停采前50 m范围未放顶煤，造成工作面采空区内留有大量遗煤，同时工作面进风巷道、回风巷道在推采过程中不放或少放顶煤，致使工作面上、下部一定范围内顶煤未能充分垮落遗留在采空区，遗煤氧化危险性高。

(5)工作面进风巷道、回风巷道在回采过程中，垮落压实效果不佳，致使进风巷道、回风巷道顶板垮落沉积不实，形成“三角”隐患漏风通道，造成工作面上、下隅角处漏风较多，工作面采高较大，煤层顶板垮落后沉积压实效果不佳，造成采空区内存在复杂动态性漏风通道。

(6)采空区深部氧化区域范围，准确定位难度较大，治理难度大。

3 工作面火灾治理

3.1 氧化区域判定

(1)由于存在地面持续漏风问题，采空区大范围内氧气瓦斯浓度在10%以上，综合以下因素划分大致氧化范围：工作面过陷落柱期间，顶板破碎，采空区留煤量大；工作面过陷落柱期间，支架老化，该区域氧化时间充足；结合该煤层最短自然发火期及推采速度的分析，陷落柱附近的遗煤已满足氧化自燃条件。初步判断该区域为氧化危险区域。

(2)在初步划定区域内通过F6210辅运巷穿煤柱向采空区打设检测钻孔，通过检测钻孔测得采空区CO气体高达0.1%以上，故最终确定陷落柱附近为煤自燃治理区域。通过进一步检测，划定治理区域为陷落柱前20 m左右的范围内。

3.2 防灭火措施

(1)治理方向。针对采空区的遗煤自燃及地表持续漏风问题，为保证工作面的顺利推进及安全回撤，此次治理所要达到的目的有两个：一是氧化区域注浆隔氧冷却，有效处理采空区遗煤氧化自燃问题，最大程度减少CO等有害气体涌出；二是采空区全长注浆封堵隔离，有效减少采空区漏风和预防采空区遗煤进一步氧化自燃。

(2)施工方案。在不影响工作面正常推进的情况下，选择在相邻F6210辅运巷向F6209采空区打钻注浆，打钻位置选择在F6210辅运巷内，对应于F6209工作面陷落柱前21 m范围内每隔7 m打一个钻孔，钻孔设计如图2所示。

图2 采空区钻孔布置示意图

根据巷道和采空区标高决定钻孔开孔高度、角度和终孔位置：1#、2#、3#钻孔开孔高度均为F6210辅运巷底板以上2 m，1#钻孔角度为15°，孔深为230 m；2#钻孔角度为10°，孔深为180 m；3#钻孔角度为7°，孔深为130 m；4#钻孔角度为10°，孔深为80 m；钻头、钻杆为一次性注浆钻具，既满足打钻要求，又满足注浆要求。

3.3 普瑞特防灭火新技术

为满足防灭火材料在采空区的全方位扩散、覆盖，封堵漏风通道，同时又要具有很好的保水性能，可以很好处理遗煤氧化高温区域，此次治理采用普瑞特防灭火成套技术及装备，通过注浆钻孔向采空区遗煤氧化区域大量灌注。

普瑞特防灭火材料糅合了三相泡沫的扩散性、凝胶的保水性及阻化剂的阻化性能，物理发泡，发泡倍数在20倍以上，全方面扩散效果显著，保水性在95%以上，极大减少水分流失，对采空区高位遗煤保持长期冷却降温；粘附性、挂壁性佳，可很好覆盖包裹煤体；采用惰性气体常温发泡，既不产生热量，又能在泡沫破裂的同时不断释放氮气，持续惰化采空区[8-10]。

普瑞特防灭火材料为A、B两组份料，分别与水按体积比为4%和2%混合，通过专用双液气动泵抽吸并输送，材料在发泡成胶装置通过矿用氮气或压风而成胶发泡，最终制备出的泡沫状胶体通过钻孔注入目标区域。普瑞特防灭火材料技术参数：发泡倍数≥20，泡沫稳定时间≥10 h，保水性为6个月内失水20%，A料添加量为2%，B料添加量为1%。

注浆设备采用煤矿用气动注浆泵，型号2ZBQS45/4，额定压力4 MPa，额定瓦斯流量45 L/min，最大输出压力6.5 MPa，最大输出瓦斯流量100 L/min，额定供气压0.5 MPa，重量129 kg。普瑞特防灭火材料应用工艺如图3所示。

1-普瑞特A料与水混合液吸料管；2-普瑞特B料与水混合液吸料管；3-普瑞特A料输出管路；4-矿用压风管路；5-气动双液注浆泵；6-普瑞特B料输出管路；7-稳压器；8-氮气管路；9-普瑞特发泡成胶装置；10-普瑞特输出管路图3 普瑞特防灭火材料应用工艺

3.4 防灭火材料应用及治理结果

F6209工作面灌注普瑞特前，采空区内CO和瓦斯浓度0.065%～0.1202%，漏风量800～1000 m3/min，采空区内出现了乙炔(C2H2)等标志性气体，蒙泰不连沟煤业采取了采空区注浆、注氮、喷洒阻化剂等综合防灭火措施后，效果不明显，并且CO和瓦斯的浓度一直上升，已处于失控状态。经按照上述设计向采空区灌注普瑞特后，采空区、回风隅角以及回风流内CO和瓦斯浓度开始回落，采空区漏风量由800～1000 m3/min回落至100～300 m3/min，半个月后，采空区、回风隅角以及回风流中CO和瓦斯浓度恢复正常。灌注普瑞特前后自然火灾预测循环系统报告情况见表1。

表1 灌注普瑞特前后自然火灾预测循环系统报告

通过灌注普瑞特材料，采空区、回风隅角以及回风流中CO瓦斯浓度回落明显，20 d后，采空区、回风隅角以及回风流中CO和瓦斯浓度分别为0.003%、0.0023%和0.0018%。采空区内已无发火迹象，F6209工作面安全顺利回采完毕。CO变化情况如图4所示。

图4 CO变化趋势图

4 结论

(1)F6209工作面埋深浅，地表裂隙发育，回采期间地表向工作面持续漏风，加之采空区遗煤量大，末采、回撤准备时间长，从而导致采空区遗煤区域氧化自然发火。

(2)通过对F6209工作面采空区遗煤发火区域的分析和判定，在常规防灭火措施无法实现有效治理效果的情况下，采用深部注浆钻孔压注普瑞特防灭火材料的措施后，采空区遗煤氧化区域得到控制，工作面CO和瓦斯浓度明显降低，保证了工作面安全回撤。普瑞特防灭火新技术在F6209工作面回撤期间的良好应用效果为矿区防灭火技术提供了新的技术力量和治理经验。