近距离缓倾斜煤层群开采工作面自燃防治技术

2021-03-04陈庆丰

煤矿安全 2021年2期

陈庆丰

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺113122）

我国大部分煤田均为多层距离比较近的可采煤层[1]，而近距离煤层群在开采过程中，上覆煤层采空区垮落到本煤层采空区，形成大范围复合采空区。缓倾斜厚煤层由于赋存条件较好，适合布置较大工作面，因此投入设备多，支架吨位大，加之综采放顶煤工艺，决定工作面采空区存在较多遗煤[2-3]；受采动矿压的影响下，大量裂隙通道会在本煤层与周边四邻的煤层采空区之间形成，导致开采工作面采空区与上覆复合采空区及地表裂隙之间存在复杂的漏风[4-5]。

屯宝煤矿开采M4-5、M9-10、M14、M15 等煤层，各煤层间距较近，每个煤层布置2 个综放工作面，自上而下开采煤层。其中M14 煤层与M15 煤层平均间距仅为5 m，各煤层均为自燃煤层，M14 煤层最短发火期仅为34 d，M15 煤层最短自然发火期为36 d。工作面受重复采动影响，地表采动裂隙发育，漏风通道通畅，矿井漏风规律不明，井下漏风严重[6-7]。由于工作面布置支架多，在撤架时期，受限于巷道尺寸及回撤工艺制约，支架拆解工序繁琐，导致工作面回撤周期往往持续2～3 个月甚至更长，采空区松散煤体供氧蓄热条件充足[8-9]，导致从M9-10 煤层工作面开始，在回撤期间基本上都出现自燃征兆，严重威胁工作面撤架安全，而回撤期间防治遗煤自燃手段单一，采取开放注氮或者埋管灌浆等措施难以防治高位破碎煤体自燃[10]，为此针对近距离缓倾斜煤层自燃防治技术进行研究，保障工作面安全回撤。

1 工作面回撤工艺与自燃原因分析

1.1 各煤层工作面回撤经过

各煤层工作面位置示意图如图1。

图1 各煤层工作面位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the position of each coal seam working face

1）M9-10 煤层工作面。M9-10 煤层布置的I01091002 和I01091003 2 个综放工作面，I01091002工作面于2013 年8 月15 日开始回撤工作，10 月2日该工作面回撤到50#支架时因为工作面CO 气体体积分数超限被迫停止撤架工作，历时3 个多月回撤完毕。I01091003 综采工作面于2014 年6 月19 日开始矿务工程施工，历时5 个多月回撤完毕，期间工作面CO 气体体积分数波动频繁。

2）M14 煤层工作面。M14 煤层布置I011401 和I011402 2 个综放工作面。2015 年11 月3 日开始回撤工作，I011401 工作面于矿务工程期间16#支架处有雾气，工作面CO 含量升高被迫封闭进行处理。工作面整个回撤总用时107 d。I011402 工作面回撤用时99 d。

3）M15 煤层工作面。M15 煤层布置I011501 和I011502 2 个综放工作面。I011501 工作面于2018 年3 月24 日开始撤架，夜班2#～7#支架CO 气体异常升高，并伴有青烟冒出，同时工作面回风流CO 体积分数升高。工作面回撤用时100 d 永久封闭。I011502工作面因为布置较小，历时41 d 安全回撤完毕。

1.2 自燃原因分析

通过对I01091002、I01091003、I011401 和I011501等工作面在撤架期间出现自燃征兆进行分析，发现这些工作面撤架周期都在3 个月以上，远远超过煤层最短自然发火期；且工作面采空区对应地表裂隙发育，地表回填不及时，导致工作面与上层采空区，采空区与采空区，采空区区地表裂隙之间相互连通，采空区漏风严重。采空区架后及顶部破碎煤体供氧蓄热条件充足，一旦超过最短自然发火期，就会出现自燃征兆。自燃风险区域主要有以下几个：

1）架顶破碎煤体是自燃火灾的高发区。受上部煤层及本煤层开采影响，支架顶部煤体破碎较为严重，而工作面矿务工程阶段不放顶煤，在工作面漏风、地表漏风等作用下，支架上部及0～6 m（架后不放煤区域）散热带区域的上部破碎煤体内也有氧化带分布，支架及0～6 m 散热带区域上部氧化带约距离支架顶部5 m 以上。

2）采空区氧化带是最易自燃的区域。由于矿务工程耗时长，采空区氧化带内遗煤氧化时间已经超过最短自然发火期，虽然保护性封闭后，氧化带处于窒熄状态中，煤温等有所下降，但启封重新供氧后，氧化带内遗煤将继续氧化，是最易发生煤自燃的区域。

2 煤自燃防治技术

2.1 技术思路

防治煤炭自燃，需从破坏煤体的连续供氧条件、蓄热环境、减少氧化总时间出发。根据屯宝煤矿实际情况，围绕工作面回撤时期的火灾防控安全，提出“全程监测、管风降氧、控制煤温、优化工艺”的防灭火思路：即在不同的末采回撤阶段，根据自然发火高危区域分析，通过全程监测，及时了解煤体的自燃状态；通过管风堵漏，最大限度的减少漏风，杜绝上部采空区发生自燃的可能，缩小本采空区氧化带的分布范围；利用注氮等措施，提高采空区压能，降低氧化带内的氧气含量，将氧化带范围控制到架后可用钻孔覆盖的区域内；施工钻孔注水、注浆等措施控制氧化带内的煤温，使煤体温度无法升高，从而主动抑制采空区遗煤自然发火进程，对高危发火区域全范围全断面防灭火措施覆盖；为缩短煤氧化时间，还需优化回撤工艺，主动加快回撤进度，以空间换时间。

2.2 专项防灭火措施

1）全程监控。末采期间在回风隅角及回撤通道架后25、15、5 m 位置，分别敷设3 趟铂电阻和束管，并在架后5 m 沿工作面倾向方向布置铂电阻监测点对架后气体和温度变化进行监测，全程对工作面区域及架后采空区的气体及温度进行实时全程监控，并根据监测情况及时调整工作面防灭火措施。

2）管风降氧。漏风通道及规律测定：利用SF6气体分时段分区域检测井下采空区之间、工作面与地表之间的漏风通道及漏风流向，基本摸清了井上下漏风区域，总结出矿井漏风规律。①地面裂隙封堵：屯宝煤矿地表裂隙发育范围、宽度大，造成了复杂严重的地表漏风，通过封堵地表裂隙，可有效的减少地表与井下的漏风通道，降低漏风强度。封堵结束后，经漏风测定，井下采空区风压不稳的问题得到了有效的治理；②端头及支架漏风封堵：对于支架上部破碎煤体漏风区域，在工作面在铺网的同时开展支架顶部铺风障布工作，风障布覆盖整个支架区域，对于上下端头，在已垮落的破碎煤岩体表面，利用罗克休进行喷涂封堵，上述措施有效减少了架后及上下端头尾巷向采空区漏风；③全断面帷幕注氮：为将氧化带控制到钻孔可覆盖区域，采取了全断面帷幕注氮工艺措施，末采时期在回撤通道架后20、10 m 沿工作面倾向方向各铺设1 趟注氮管路，管路长度为工作面长度，通过持续注氮，有效减小了氧化带内的氧气含量，破坏氧化带内遗煤持续氧化条件。

3）控制煤温。在工作面末采回撤开始后在采取措施后，采空区氧化带范围已得到最大限度的缩小（仅有0～5 m），但氧化带仍是存在的，随着时间的增加，氧化带内破碎煤体必然升温，也必须采取持续降温措施，破坏松散煤体的蓄热环境，控制煤温；在回采至停采线200 m 处，开始在工作面回风巷每隔20 m 敷设灌浆管路开展预防性黄泥灌浆，始终对氧化带内遗煤进行降温，并封堵底板处破碎煤体之间的裂隙；末采期间在工作面回风巷施工防灭火钻孔，终孔高度位于煤层底板10 m 高度，对架后15 m 范围内的高位破碎煤体进行降温，为更加全面对架后高位堆积的破碎煤体进行降温封堵处理，在工作面不同位置施工防灭火钻孔，钻孔终孔位置位于架后5 m 范围，钻孔间距为10 m；工作面启封后，又在整个工作面架间施工短距离防灭火钻孔，主要对架后5 m 范围内的斜上部破碎煤体进行降温封堵破碎堆积煤体，破坏遗煤蓄热环境，从而抑制煤自燃进程。

4）优化工艺。在工作面回撤前期及回撤期间，明确分工，科学规划，优化回撤工艺，缩短回撤工期；工作面回撤前对工作面回风巷、运输巷、运输石门及轨道上山结合现场测试情况进行劈帮，确保运输路线畅通，缩短支架运输时间。利用区段石门空间优势存放及解体支架，确保工作面支架快速拉出，合理解决支架运输回收与防灭火工作之间的矛盾。

3 安全保障措施

1）精准掌握矿井漏风规律。屯宝煤矿近距离煤层群开采后，导致采动裂隙带发育高度大，井下与地表已形成直接裂隙连通，在矿井通风负压和自然风压等作用下，地表新鲜风流漏入井下多层采空区及工作面，形成了复杂而严重的漏风，给井下采空区及工作面回撤的防灭火工作带来了极大的风险。为了控制矿井漏风，保障采空区压力稳定，对整个矿井进行全面的漏风测定工作，精准掌握漏风规律；有针对性的封堵地表与井下采空区的漏风通道，控制了地表向井下采空区漏风，从而避免了采空区出现“呼吸”现象。

2）采空区保压控氧。工作面在回撤前采取“两降一升”保压，即末采期间逐步降低抽放量到停止抽放；风量逐渐降至正常开采时的1/2；工作面注氮量逐渐升高至允许范围。“两降一升”的主要目的是为了给采空区保压，确保采空区压力大于工作面拉架通道压力，尽可能减少向采空区供氧。回撤期间采用了局部正压的通风方式给工作面供风，根据现场情况开展采空区及回撤通道压力观测及调整工作，始终保持3 组水柱压差计进行压力观测及采空区压力大于回撤通道压力，防止向采空区漏风供氧。

3）注氮注浆联合减氧降温。通过在架后沿倾向方向距离埋设注氮幕可有效惰化采空区松散遗煤，配合架后埋设的灌浆管路灌浆给煤体降温和封堵；通过对采空区持续注氮，控制并降低采空区内的O2体积分数；同时利用上隅角埋管注浆及通过高、低位防灭火钻孔注浆相互配合阻断自然发火供氧及采空区浮煤蓄热条件，有效的解决了采空区浮煤氧化问题，抑制了煤自燃发火进程。

4）高、低位防灭火钻孔结合靶向治理发热条带。工作面在整个回撤期间，通过高、低位防灭火钻孔采用“全方位+多层次”和“注浆+淋水”相结合的方式对采空区发热条带进行处理。通过注浆、注水措施相互配合破坏自然发火供氧条件又使采空区无法蓄热，回撤期间工作面温度平均保持在20 ℃，有效抑制了高位破碎煤体自然发火进程。