综放工作面防灭火综合治理技术应用

刘 靖

（西山煤电集团公司官地矿，山西 太原 030022）

矿井火灾[1]是影响矿井安全生产的五大自然灾害之一。随着矿井采掘机械化程度的提高，很多矿井采用综采放顶煤生产工艺，此种工艺在提高工作面生产效率的同时，因采空区遗煤较多、漏风严重的问题，工作面拆架封闭期间容易发生自然发火事故。本文以29406工作面为例，介绍该工作面的综合防灭火措施。

1 工作面概况

29406综放工作面开采9#煤层、放8#煤层，该工作面井下位于中四采区东南部，工作面西侧为28408工作面采空区，东侧为未采区。工作面上部为26406、16309工作面采空区。9#煤与6#煤层间距约为30.33 m。29406工作面正巷655 m，副巷597 m，切眼216 m。8#煤层上部含有两层厚度约为0.56 m、0.03 m的夹矸；8#煤与9#煤层间距0.30～1.40 m，平均1.25 m；9#煤层平均厚度3.18 m，8#煤层平均厚度3.95 m（可采），8#煤与9#煤联合开采平均厚度7.74 m；煤层倾角6°～7°。工作面采用“U”型通风方式，工作面配风量为1 050 m3/min,瓦斯绝对涌出量为8 m3/min，其中所采9#煤层为Ⅲ类自燃煤层，所放8#煤层为Ⅱ类自燃煤层，8#煤层自然发火期为89天。

2 29406综放工作面收尾拆架封闭期间自然发火的原因分析

2.1 支架后方的铁丝网上煤炭

工作面在距停采线15 m处为拆除支架而铺网，此时顶煤冒落在网上不能放出，支架后方采空区内留有宽15～20 m、长与工作面倾斜长同等的破碎煤条带，此条破碎煤带即为工作面停采后的铁丝网上的煤炭。工作面停采后，由于网上煤炭所处位置具备持续供氧、热量聚集和足够的氧化时间等条件，所以该处煤炭极易氧化自燃。

2.2 架顶煤炭

架顶煤炭即为停采后工作面支架和后部溜子上方的煤炭。此处煤炭的特点与铁丝网上煤炭类似，区别在于架顶煤炭的破碎程度在工作面刚刚停采后相对较小，块度较大，主要呈裂隙状。当支架开始拆除时，架顶煤炭随支架的拆除而冒落，风流经过该冒落区，若工作面的拆除时间超过30天，此处煤炭氧化自燃的可能性将大大增加[2]。

2.3 通风断面变小导致局部阻力增大

支架部分拆除后，采空区漏风分布发生变化当工作面的支架开始拆除后，架顶煤炭随之冒落，堵塞了原有的通风断面，局部阻力加大，迫使工作面的进风流向采空区深部扩散，增大了工作面采空区后方的漏风宽度。因此，在工作面支架拆除过程中，采空区后方从停采线至采空区50 m范围内的遗留煤炭最易发生氧化自燃。

2.4 拆架至封闭所需时间长

从工作面煤壁断面开始扩削至拆完支架至少需要1个月，在此期间支架不推进，采空区浮煤缓慢氧化，积聚的热量又不能及时被风带走，煤体温度逐渐升高，为自然发火提供了充足的条件。

2.5 采空区漏风比较严重

拆架期间，通风系统不稳定，采空区漏风加大，风量将从进风隅角沿采空区流向回风。造成采空区“三带”中的氧化带区域变宽，增加了着火危险性。

2.6 综放工作面进风、回风隅角靠煤柱侧存有漏风通道

在采煤过程中，由于上下巷道煤柱的支撑作用，靠近煤柱侧有条未冒实的三角漏风带，特别是进风侧受风流冲击最大，影响范围也较深（向采空区里），为采空区自燃提供了连续供氧条件，这是综放工作面发火的主要隐患。

3 29406综放工作面收尾拆架封闭期间的防灭火综合治理措施

3.1 预防性灌浆，保证顶煤的完整性

工作面收尾煤壁断面开始扩削结束后，在工作面回撤前、后部运输机前，安排打钻队施工注浆钻孔。注浆钻孔开孔位置在每个支架的前探梁和相邻两个支架的前部间隙9#煤层顶板处，终孔位置在支架后部8#煤层顶板，钻孔孔深10～15.6 m，倾角20°～30°。在工作面形成拆架条件前共计施工注浆钻孔215个，钻孔施工结束后，对支架后部采空区的遗煤、支架后部铁丝网上的煤炭和支架顶部的煤炭进行预防性灌浆，累计注浆80 t，工作面施工注浆钻孔和注浆共计用时12天。

（1）钻孔倾角及方位角

式中：β为钻孔倾角，°；h为终孔垂高，m；s为钻孔水平距，m。

钻孔水平距定为10 m，钻孔的终孔垂高为5 m，钻孔水平角垂直于后部采空区。

利用上述公式可计算出钻孔倾角27°。

（2）钻孔深度

式中：L为钻孔深度，m；s为水平距，m；β为钻孔倾角，°。

经计算施工钻孔孔深L为11.2 m。

注浆钻孔侧视见图1。

图1 注浆钻孔侧视

注浆钻孔俯视见图2。

图2 注浆钻孔俯视

（3）钻孔施工采用ZDY400型钻机，钻孔直径80 mm，封孔管采用DN40钢管，采用聚氨酯进行封孔，封孔长度6 m。

（4）注浆采用泥浆泵进行注浆，注浆材料为速凝固化剂，注浆料与水的比例为1:1.5。通过注浆使工作面后部采空区漏风量减少，氧化带提前进入窒息带，降低了采空区后部遗煤自然发火的危险性。

3.2 加强自然发火预测预报

在工作面回风隅角、工作面、回风流以及支架间设置自然发火观测点，每班由矿通风科安排科、队跟班干部或瓦斯检查员对回风隅角、工作面、回风流以及支架前、后部间隙的CH4、CO2、CO、O2、温度等参数进行检测，了解工作面的自然发火情况[3]。

3.3 优化工作面的通风系统设计，改变拆架工艺

传统的工作面支架拆除方法是采用副巷拆架运输、正巷回风，为保证回风通道畅通，必须在工作面支架拆除后及时补打“#”型木垛。此种拆架工艺，拆架效率低、工作强度大、拆架时间过长，采空区遗煤自然发火风险增大。鉴于此，本文提出采用正、副巷同时拆架的方法，具体方案如下：

（1）提前在工作面切眼145 m位置（96#支架处）施工一条回风联络巷，作为正、副巷出架时的回风通道。

（2）29406综放工作面共有147个支架，其中1#～39#支架经正巷拆出，40#～147#支架经副巷拆出（147#支架在拆除后部运输机前已提前拆出）。将40#支架作为副巷拆架方向的木垛架，依次往外进行拆架。将39#支架作为正巷拆架方向的木垛架，依次往外进行拆架。

（3）工作面拆架期间，在29406正巷皮带头（距29406正巷回风联络巷20 m处）安装2台功率为22 kW的局部通风机，对正巷（1#～39#支架）拆架工作面拆架处进行供风；在29406副巷（距29406副巷口20 m处）安装2台功率为30 kW的局部通风机，对副巷（40#～96#支架）拆架工作面拆架处进行供风。29406工作面(1#～39#架；40#～96#架)拆架工作面通风系统见图3。

图3 29406工作面(1#～39#架；40#～96#架)拆架工作面通风系统

（4）在29406工作面1#～39#支架拆除完毕后，提前在正巷口构筑永久密闭。而29406工作面40#～96#支架的拆除则继续利用副巷局部通风机进行供风，该拆架过程工作面通风系统见图4。

图4 29406工作面1#～39#支架拆除、封闭后通风系统

（5）当支架拆除到97#支架时，停止局部供风，将通风系统调改为由29406副巷进风、工作面中部回风联络巷回风的全负压“U”型通风方式。29406工作面97#～146#支架拆除期间通风系统见图5。

图5 29406工作面97#～146#支架拆除期间通风系统

（6）29406工作面97#～146#支架拆除完毕后，在29406副巷口、29406工作面中部回风联络巷口构筑永久密闭。

3.4 合理调整通风系统，降低采空区漏风

工作面拆架期间风量配备须考虑为满足稀释瓦斯等有害气体、满足人员呼吸作业、满足最低风速等要求即可[4]，工作面回撤期间风量由正常回采时的风量1 200 m3/min降低为400～500 m3/min。通过降低配风量使后部采空区氧化带的含氧量降低，使氧化带提前进入窒息带，有效防止后部采空区遗煤自然发火。

3.5 采空区持续注氮

工作面拆架期间，仍使用回采期间的注氮系统，氮气释放口在距工作面收尾断面扩削前30 m处埋入采空区，并用木垛加以保护，注氮释放口距底板高度控制在300 mm以上。通过24h持续不间断地向29406采空区注入浓度大于97%的氮气来降低采空区内的氧气含量，从而降低煤层自然发火的概率。

3.6 引进新材料，加快封闭速度

工作面正、副巷及中间巷利用传统的两边构筑石墙、中间充填黄土的封闭方式，存在着工人劳动强度大、工序复杂、效率较低等缺点。为此，本文提出在封闭巷道时，先用料石构筑密闭前后墙，密闭墙中间的充填材料通过泥浆泵将速凝固化剂直接注入墙体内，不仅节省了人工运料距离，提高了封闭速度（比传统封闭所用时间节省了5天），作业工序更为简单，充填密闭效果更好[5]。

4 治理效果

29406综放工作面在收尾拆架期间采取了预防性灌浆、采空区注氮气惰化、自然发火预测预报、优化工作面通风系统设计、改变工作面拆架工艺、降低采空区漏风、采用新材料进行密闭充填等综合防灭火措施后，在自然发火观测点进行人工取样、束管化验分析未发现有CO气体，并且工作面整个收尾拆架封闭期间监测监控系统未监测到CO气体，综合防灭火措施效果显著。

5 结语

1）29406综放工作面采用正、副巷同时拆架工艺，支架拆除用时仅仅26天，大大缩短了拆架时间，降低了煤层自然发火的危险性。

2）2940综放工作面采用了预防性灌浆、采空区注氮气惰化、自然发火预测预报、优化工作面通风系统设计、改变工作面拆架工艺、降低采空区漏风、采空区实施采后快速封闭等综合防灭火措施后，工作面在回撤后期回风流内CO浓度为0 ppm，防灭火治理效果较显著。