复杂条件下边角煤工作面缓推期间自然发火的治理

李志勇，上官良良，刘星乐

（兖州煤业股份有限公司兴隆庄矿，山东 兖州 272102）

1 矿井概况

兴隆庄煤矿位于山东省兖州区境内兖州煤田东北部。井田走向长约13.1 km，倾斜宽约6.8 km，矿区面积56.234 6 km2。矿井于1975 年2 月份破土动工，1981 年12 月建成投产，年设计能力300 万t，设计服务年限97a，2015 年核定生产能力为650 万t。地质储量约 7.35 亿 t，可采储量 21 862.5 万 t，主要可采煤层为3 煤层，埋深240~580 m，煤厚平均8.65 m，煤种主要以气煤为主。矿井采用竖井开拓，现生产水平为-350 m 水平。采用综采放顶煤开采工艺。矿井通风方式为两翼对角抽出式，共布置4个井筒，其中主、副井进风，东、西风井回风。矿井水文地质类型中等，低瓦斯矿井，煤尘有爆炸性。

2 自燃倾向性鉴定

1）3 煤的自燃倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。3 煤的最短自然发火期为44 d。

2）煤炭自燃氧化自燃热解的气体产区随矿井和煤质的不同而异，而且出现气体产物的热解温度相差甚大。因此在利用标志气体进行煤炭自然发火进行预测预报，关键是检测出本矿煤层标志气体。由山东鼎安监测技术有限公司出具的煤层自然发火标志气体检测报告，显示检测结果：CO、C2H4、C2H2、C3H8为煤自然发火的标志性气体，CO 出现表明煤炭已经开始氧化，C2H4出现且变化速率明显加快是煤炭进入加速氧化阶段的标志，其出现的临界温度144℃ ~ 160℃ ，C2H2出 现 的 温 度 超 过 350℃ 。C2H2/C2H6比值的出现是煤炭进入加速氧化阶段的标志，其峰值出现的温度为257℃，C3H8/C2H6比值的出现是煤炭进入剧烈氧化阶段的标志，其峰值出现的温度是300℃，C2H4/C2H6和C3H8/C2H6可作为判别煤反应程度的辅助指标。

3）矿井防灭火系统。矿井建有井下消防供水系统、注浆系统、注氮系统、注液态CO2系统、束管监测预报系统、阻化与凝胶防灭火系统。

4）B4328 工作面位于4 采区下部，北西部为切眼与4326 下顺槽相邻，南西部为B4328 运顺与4328 停采线相邻，南东为设计停采线与B4328 运煤巷（设计）相邻，北东侧为B4324 轨道顺槽与八采二阶轨道下山相邻。工作面内有4328 撤除巷、4328 运顺及四采下部运煤巷等老巷道。

该工作面第1 段净面长148 m，推进长度125.2 m，第2 段为边采边撤，工作面面长148~93.4 m，工作面推进长度98.4 m，工作面总推进长度为213.2 m，工作面面积：28 695.92m2。

工作面采用“U”型通风，轨顺进风，运顺回风，设计风量1 226 m3/min。

图1 B4328 综放面位置示意图

3 自然发火风险分析

B4328 切眼与4326 采空区相邻，留设5m 煤柱，4326 上顺槽内已充填粉煤灰，切眼向沿空侧漏风的可能性较小，自然发火风险相对较小。

B4328 运顺与4328 停采线相邻，留设25m 煤柱，煤柱较大，漏风可能性较小，自然发火风险相对较小。

B4328 切眼后方联通4326 运煤巷、四采下部集运巷，周围闭墙多，闭墙不严密、老巷封堵充填不严实，容易向采空区漏风供氧，是导致采空区出现自然发火的重要因素，自然发火风险相对较高。

工作面推进长度125.2 m，进入边采边撤阶段，工艺复杂，采空区丢煤多，推进速度较慢，自然发火风险较高。

工作面停采撤除造条件，工作面上网不再放煤，采空区内丢煤多，撤架期间，顶板破碎，容易漏风供氧，采空区自然发火风险相对较高。

综合分析研判，工作面自然发火的重点是与采空区联通的老巷、工作面边采边撤期间及工作面停采撤除期间。

4 工作面推进情况及自然发火经过

4.1 回采前老巷封闭

工作面回采前，在B4328 切眼尾巷施工1 道0.5 m 闭墙，在4 采下部集轨巷与B4326 运煤巷三叉口施工1 道1m 厚水泥浇筑墙，在4 采下部集轨巷与 B4328 轨顺三叉口施工 1 道 0.5 m 砖闭，在B4326 运煤巷门口施工1 道1m 厚砖闭，完成对工作面周围多条老巷封闭。

4.2 工作面推进情况及自燃经过

工作面 1 月 2 日开始回采，4 月 28 日停采，回采期 4 个月，1 月份推进 27 m，2 月份推进 49.6 m，3月份推进 54 m，4 月份推进 70 m，平均月推进50 m，推进速度较慢。

2 月18 日，工作面推进78 m 后，通过气体检查发现，工作面5 号架后CO 浓度为4×10-6，回风隅角挡风帘以里CO 浓度为145×10-6，回风隅角CO为 30×10-6，回风流 CO 为 9×10-6。至 2 月 23 日，B4326 运煤巷内检测出CO 浓度为58×10-6，回风流CO 升高至 22×10-6，工作面 CO 扩散至 30 号架，浓度为 20×10-6，到 2 月 28 日 B4326 运煤巷 CO 浓度达到峰值165×10-6，且出现乙烷、乙烯指标气体。通过采取综合防灭火措施后，回风流CO 浓度下将至10×10-6，B4326 运煤巷运煤巷内 CO、C2H6、C2H4指标气体消失。

4.3 自然发火点及漏风通道分析

工作面切眼处无法放顶煤，大量的浮煤遗留在采空区，为浮煤自燃埋下了隐患。同时，工作面推进距离短，顶煤跨落不充分，进风隅角、四采下部集轨巷处于进风侧，切眼尾巷B4326 运煤巷处于回风侧，实测两侧压差接近100 Pa，构成了良好的漏风通道，使得切眼处浮煤具有较好的漏风供氧的条件。工作面推进速度慢，切眼丢煤氧化蓄热达到自燃，综合分析研判，自然发火点在切眼靠近轨顺处。

图2 B4328 综放面漏风通道示意图

5 自然发火防治措施

5.1 工作面升压

利用回风侧风门调节控制，给工作面升压，抑制采空区CO 外泄至回风流，同时调整回风侧风门构筑位置，改建至B4326 运煤巷与4 采下部集运巷三叉口以上，调整老巷两侧闭墙压力分布，降低B4326 运煤巷负压，进一步减少漏风。

5.2 隅角封堵

工作面每推进10 m，在进回风隅角施工全断面隔离垛，隔离垛墙接帮接顶，厚度不低于3 m，并在工作面进、回风隅角挂设挡风帘。隔离垛外挂金属网，隔离垛全断面喷涂SFT 封堵漏风。回采期间，两端头隅角共计施工隔离垛22 道。

5.3 进风端头注胶隔离

在轨顺安设1 台2ZBYSB9.0～2.4/1～18-18.5型号的双液注胶泵，敷设2 路Ф25 高压胶管至工作面进风隅角。在进风端头隔离垛顶板下0.5 m 处留设3 条Φ42 防火套管，向进风端头隔离垛内注胶分段隔离，减少进风端头向采空区漏风。

5.4 向采空区压注氮气

利用轨顺隅角预留至切眼的3 寸注氮管路，通过地面制氮机连续大量向采空区压注浓度不低于97%氮气，置换采空区氧气，对采空区进行惰化处理。2-4 月份累计向采空区压注氮气181 520 m3。

5.5 向采空区压注液态CO2

利用移动液态CO2罐车，通过轨顺隅角预留至采空区内的管路，向切眼处压注液态CO22 000 m3，向B4326 运煤巷压注液态CO22 000 m3, 对采空区进行降温、惰化处理。

5.6 加固联通采空区的老巷闭墙

对4 采下部集轨巷三叉口处闭墙进行喷浆加固，同时在距原闭墙1m 位置再施工1 道0.5 m 厚砖墙，形成夹心隔离墙，并向2 道闭墙内注胶充填,累计注胶60 m3。

对B4326 运煤巷闭墙喷涂SFT 封堵漏风。

5.7 向老巷内注浆充填封堵漏风

利用B4326 运煤巷闭墙内预留注浆管路向老巷内充填粉煤灰浆，累计向B4326 运煤巷注浆13 800 m3。

5.8 加强气体观测分析

工作面回采期间，加强气体观测分析，定期取样化验，在两端头隅角预留监测束管，定期抽气化验采空区气体情况。每班至少检测1 次B4328 工作面进、回风隅角、回风流及工作面架间自然标志性气体情况，并取样化验分析。

在B4328 工作面进回风隅角预留2 路束管接入矿井束管监测系统，每天连续抽气至少6 h，进行气体化验分析。

6 治理效果分析

通过采取两端头密集施工隔离垛、进风端头注胶隔离、老巷闭墙加固、充填粉煤灰、采空区压注氮气、液态CO2进行惰化处理等综合防灭火措施，采空区自然隐患得到有效控制，B4326 运煤巷内CO、C2H6、C2H4等自然发火指标气体逐渐消失，回风流CO 浓度持续下降，稳定在10×10-6以下，保证了工作面缓慢推进期间的安全回采。

图3 B4326 、B4328 回风隅角CO 浓度曲线图

7 结 论

边角煤工作面位于采空区周边，不规则布置，回采工艺复杂，推进速度缓慢，采空区丢煤多，特别是边角煤地质条件复杂，与边角煤工作面联通的老巷闭墙较多，漏风条件十分复杂，要加强漏风通道排查和分析研究，在治理过程中重点封堵漏风通道，减少向采空区漏风供氧。

对于复杂条件下自然发火防治，单一的防灭火措施难以有效治理消除自燃隐患，要综合运用端头隔离、压注凝胶、均压、注氮及液态CO2等防灭火技术，才能彻底治理消除自燃隐患，保证工作面安全生产。