沁裕煤矿综采工作面采空区煤自燃防治技术研究

郭 晓 飞

（山西兰花沁裕煤矿有限公司，山西 晋城 048212）

0 引 言

在回采技术不断进步的条件下，工作面的采高也随之不断增高、产量不断加大、日推进速度也在不断加快[1]，与此同时，采空区的遗煤量也在不断增加，漏风分布复杂、对周围煤岩的采动影响增强、煤岩体宏观裂隙更为发育、冒落空间大等问题也愈加严重，在这些因素的共同影响下，采空区内的遗煤自燃几率急剧增加，从而导致采空区内频繁发火[2-3]，若不对其进行及时有效的治理，势必会引起重大的煤矿安全生产事故的发生，造成难以挽回的财产损失[4]。

沁裕煤矿综采工作面埋深达到了570m，该综采工作面采高较高，采空区内遗煤量较多，存在着较高的发火几率，探究诱发该工作面采空区内的发火原因并针对性的提出治理措施已成为当前该矿急需解决的首要任务。

1 工程概况

沁裕煤矿综采工作面为走向长臂布置，所采煤层为15 号煤，采高为4.3m，工作面平面积达到了262000m2，进风巷和回风巷为其回采巷道，其中进风巷走向长度为920m，回风巷走向长度为950m，这两条巷道在掘进期间均采用锚网索喷联合支护的方式对其进行支护。且工作面在推进期间采用架间洒浆，上、下隅角码垛隔离，过断层期间打钻孔注入防火材料等综合防火措施，虽然具有一定的治理效果，但采空区内仍会时有发生遗煤自燃的现象，给矿井的安全生产带来极大的威胁，故急需探明该工作面采空区内煤层自燃发火的原因，并针对性的对治理措施进行合理优化，表1 为该工作面顶底板围岩赋存情况及力学参数表。

表1 巷道顶底板围岩力学参数统计表

由表1 可知，所采15 号煤层强度偏低，抗压强度仅为14.8MPa，直接顶和直接底均为泥岩，层厚分别为4.5m 和2.5m，抗压强度约为18MPa，在强烈的采动影响下，直接顶和直接底易发生破碎，裂隙进一步发育。

2 工作面煤层特征研究

2.1 15 号煤自燃倾向

根据矿方所提供的煤层自燃发火倾向的鉴定报告可知，沁裕煤矿所采15 号煤层自燃倾向为Ⅱ类，属于易自燃倾向性煤层，发火期时间较长，为2～6 个月。

2.2 煤尘爆炸性试验

由矿方所提供的沁裕煤矿15 号煤层煤尘爆炸性鉴定结论可知，15 号煤火焰长度超过了400mm，抑制煤尘爆炸的最低岩粉量达到了80%，15 号煤煤尘具有爆炸性，具体情况可见表2。

表2 15 号煤层爆炸性检测结果

2.3 15 号煤自燃发火标志气体

沁裕煤矿15 号煤低温氧化测试结果显示，100℃～120℃是该煤层氧化速度加快的拐点，其自燃标志性气体为CO，临界值处于48～54ppm 之间，辅助指标标志气体为C2H4、C2H6以及C3H8，所对应的临界值分别为4～4ppm、2～3ppm 和1～3ppm。

3 工作面现场监测

为了更好的观测采空区内各气体浓度随工作面推进距离的变化趋势，在回风巷和进风巷各分别设置三个测点同时观测，每个测点间隔50m，当氧气浓度降低至5%以下时即可停止观测，现场观测示意图如图1 所示。

布置测点时在回风巷和进风巷沿底板靠近煤壁侧铺设单芯束管，且单芯束管应与煤壁铺设的锚网相绑定，距离巷道底板高度为1.5m，由各个测点负责蹲点的人员使用气囊来对采空区的气样进行获取，将获取后的气样送至实验室对其进行测定分析。

图1 现场监测示意图

将监测所得的数据绘制成曲线，其中图2 为5 号测点各气体浓度值随工作面距离的变化曲线。

图2 5 号测点各气体浓度值随与工作面距离的变化曲线

结合各测点监测所得到的温度、气体浓度可知，2号、3 号、5 号、6 号4 个测点在40m 以外均监测得到了C2H6，而该区域的温度稳定在30℃，处于正常值。当各测点位于工作面后方70m～85m 范围内时甲烷含量出现了大幅降低，表明位于此区域范围内的浮煤处于氧化程度急剧加深蔓延阶段，矿方应严密监视处于该范围内的采空区温度以及各气体含量，必要时须采取防灭火技术措施。

4 工作面采空区发火原因

综合上述分析，可将工作面采空区的发火原因归结为如下几点：

1）该工作面埋深相对较深，达到了570m，在进行回采时矿压强度较大，而15 号煤以及直接顶、直接底围岩强度偏低，在强烈的采动影响下煤岩体易形成大量裂隙从而产生漏风通道，该工作面处于良好的氧化升温环境，同时由于工作面尺寸较大、推进速度较快，采空区内遗煤较多，自燃发火的可能性较大。

2）在进行回采时，由于进风巷、回风巷巷道煤柱裂隙发育，与相邻采空区之间存在一定压差，同时工作面附近存在一定数量的老空区，当工作面推进至老空区附近时，所处的应力环境较为复杂，致使煤柱进一步压裂、破碎，巷道与相邻采空区间的压差进一步增大，漏风强度增大。

3）工作面后方70m～85m 范围内的浮煤处于氧化程度急剧加深蔓延阶段，矿方对此监测、重视程度不够。

5 治理措施

根据工作面采空区自燃发火的原因，制定出如下防灭火措施对其进行治理：

1）采用束管监测系统对工作面后方70m～85m范围内的温度以及各类气体进行重点监测，其中所监测的气体主要包括N2、CO、O2、CH4、C2H4、C2H6。

2）进风巷、回风巷每隔200m 向上帮打钻一个观察孔，通过观察孔可及时对采空区气体情况进行掌握，每隔20m 则向下帮打钻一个补浆孔，必要时可通过该孔向采空区灌注黄泥浆防火。

3）对存在漏风的区域进行全程注浆处理，优化外围通风系统，并对工作面的风量进行重新调配，保证采空区与本工作面通风系统稳定。

4）在工作面进行埋管注氮，注氮管路应深入采空区不少于10m，若监测得到的CO 浓度超过阈值，应及时加大注氮量和注氮强度。在注氮过程中应保证现场的氧气浓度在20%左右，若低于该值，应中断注氮操作并组织工作人员及时撤离现场。

6 治理效果评定

工作面综合防灭火技术实施以后通过束管监测系统对采空区内各气体浓度进行了现场监测，监测结果显示该工作面O2浓度基本处于20%左右，CO 浓度处于0～10ppm 之间波动，远小于临界值，表明采空区内的遗煤已基本不再燃烧，综合防灭火技术对采空区内煤层自燃发火的情况治理效果显著。

7 结 论

1）沁裕煤矿综采工作面附近煤岩体在采动影响下易形成大量裂隙从而产生漏风通道，当工作面推进至老空区附近时，回采巷道与相邻采空区间的压差进一步增大，漏风强度增大，而采空区处于良好的氧化升温环境，再加上采空区内遗煤较多，从而导致煤层自燃发火的可能性较大。

2）根据采空区的发火原因，针对性的提出了相应的防灭火措施，工程监测结果表明该治理措施对煤层自燃发火的情况治理效果显著，满足矿井的正常安全生产。