姚桥煤矿7013工作面撤架期间自燃隐患点防灭火技术的研究及应用

梁红立

(上海大屯能源股份有限公司姚桥煤矿，江苏 徐州 221611)

0 引言

综采放顶煤技术的应用，导致采空区漏风通道增多，增加了煤与氧气反应的机率[1-5]。工作面的推进速度是煤自燃的因素之一，速度的大小决定采空区三带位置，采空区任何一点在氧化带中停留时间不能超过煤自然发火天数，工作面的推进速度必须让氧化带在自然发火期间改变位置[6-8]。特别是工作面接近停采线或者撤架时，工作周期较长，为了防止遗煤自燃[9-12]，通常会对漏风通道充填防灭火材料，实现充填、降温、隔氧和堵漏的作用。

拆除液压支架时，会出现冒顶，导致顶板煤体松散，形成更多的固定漏风通道，增加了煤氧化的氧气条件。现阶段对于煤自燃都采用综合防治技术，包括封堵漏风通道、注惰性气体和降温等防灭火技术[13-17]。堵漏技术通过向采空区、火区或裂隙灌注阻化剂、泡沫、惰化和胶体等防灭火材料，阻止煤氧化的条件[18-20]。姚桥煤矿与徐州吉安矿业科技有限公司开展了研究与应用合作，研制了普瑞特Ⅱ型防灭火材料，该材料集凝胶、黄泥灌浆、两相或三相泡沫、惰性气体和阻化剂的防灭火优点于一体，为煤矿企业提供了新的防灭火技术。

2020年7月上旬，姚桥煤矿7013综放工作面在撤架期间回风流出现CO气体，并有逐步升高的趋势，可能存在煤自燃的现象。为防止7013工作面撤架期间煤自然发火，提出了撤架期间综合防灭火方案，分析研究隐患点充填防灭火材料的规律。

1 工作面概况

姚桥煤矿7013工作面走向长度1114.3 m，倾向长度189.4 m。所开采煤层为7#煤层，煤层厚度2.8～6.8 m，平均厚度5.1 m，煤层倾角7.5°～12.5°。煤层最短自燃发火期为28 d，自燃倾向等级为Π类自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。工作面采用综采放顶煤采煤方法，选用ZF6800型液压支架，该支架平均控顶距为5.261 m，采用全负压“U”型通风方式。

2 煤自燃影响因素及防灭火方案

2.1 撤架期间煤自燃影响因素分析

煤自燃是煤与氧气发生氧化反应，产生一定的热量，一部分热量通过风流热交换转移，另一部分热量会积聚，煤体长时间处在有氧的环境中，可能出现煤自燃的现象。煤自燃现象在工作面正常推进时发生机率低于工作面停采或撤架期间。撤架期间煤自燃的影响因素，如下：

(1) 顶板松散煤体。工作面液压支架撤架时，顶板煤体因支架和停采线的煤壁的支撑，以及顶板上部的压力，相互作用，导致顶板破碎，出现裂隙。随着撤架工作的进行，原本欲裂的顶板煤层，倾向于破碎或冒落，增加了遗煤量，也增加了煤氧化后产生的热量，大量遗煤长时间的氧化，易出现煤体自燃。

(2) 采空区遗煤。工作面回采过程中存在放煤不干净现象，导致采空区遗煤量较大，且遗煤松散，再加上液压支架支撑，遗煤未压实，漏风通多，特别是上下隅角处，采空区遗煤在撤架期间长时间处在氧化蓄热环境中。

(3) 漏风增加。撤架期间工作面风量一般从1200 m3/min调节到300～600 m3/min，降低了通风量，理应漏风减少，但随着支架的撤除，顶板裂隙增加，煤体冒落，扰乱通风风流，增加风阻，导致更多新鲜风流漏向采空区。

(4) 撤架速度慢。工作面撤架都需要一个较长周期，极有可能超过煤自然发火的周期。撤架时经常会出现顶板冒落，增加撤架时间，再加上通风量降低，员工工作环境温度较高，加大体能消耗，工作效率降低。

2.2 撤架期间综合防灭火方案

撤架期间，工作面环境更不稳定，为防治煤自然发火，需采取综合防灭火技术，保障工作面撤架的顺利以及工作面防灭火安全。

(1) 上下隅角封堵技术。“U”工作面上下隅角属于瓦斯浓度聚集区和漏风严重区，撤架期间需要特别关注。上下隅角因靠近煤柱，垮落的煤岩体之间的间隙较大，导致漏风通道多、大，根据通风风流运移规律知，上下隅角存在涡旋，为瓦斯等有害气体提供了固定储存场所，易引起瓦斯等有害气体积聚超限等事故。针对7013工作面，采取现场取材，用细煤块或粉制作煤袋，封堵上下隅角，并在封堵后挂上挡风帘，双重措施，降低了大部分漏风量，缩小了采空区漏风范围。封堵位置如图1所示。

图1 煤袋和挡风帘封堵位置

(2) 支架顶部压注防灭火材料技术。支架的拆除，引起顶板的不稳定，出现冒落、裂隙等。为了有效防止漏风，选取普瑞特Ⅱ型防灭火材料，向缝隙或钻孔进行灌注，7013工作面使用此种防灭火材料后，快速降低了通风风流中CO的浓度，说明灌注普瑞特Ⅱ型防灭火材料能有效防止煤自燃。

(3) 稳定通风系统。撤架时产生冒落现象，增加了遗煤量和风阻。对7013工作面采取钻锚杆铺锚索方法，布置方案为两排铁锚杆之间布置一排锚索，锚杆间距和支架宽度相同，间距1 m，如图2所示，并对煤帮采用木锚杆支护。为了保障撤架期间工作面风流稳定，在溜子道与工作面的转角处开始，靠着煤壁构筑木垛，木垛宽2 m，间距2 m，木垛布置俯视图如图3所示。日常工作中保护和维护好外围各类控风设施，使支架撤除期间，工作面的风流稳定，既保障工作面需风量满足作业要求，又能满足防灭火需要。

图2 锚杆和锚索布置示意图

图3 木垛布置俯视图

(4) 快速撤架方案。遗煤不能长时间处在氧气充足的环境中，所以需要严格控制撤架周期。通过24小时轮班制进行支架撤除，工作面撤架从溜子道向材料道方向作业，风流从上往下流，人员在上巷工作，工作环境相对凉爽，相对提高了人员的工作效率，缩短了撤架周期。

(5) 定期向采空区压注惰气或注浆充填。通过向采空区定期(每周2-3次)压注惰气，进一步降低采空区氧气含量、惰化采空区，延长采空区遗煤氧化周期；不注惰气时坚持注黄泥浆措施，浆液将采空区遗煤进行包裹，形成一层隔氧膜，阻止煤炭氧化。

3 普瑞特Ⅱ型防灭火材料性能分析

普瑞特Ⅱ型防灭火材料JTF-Ⅱ，属于一种新型双组份材料，灌注时按1∶1比例混合，具有发泡温度低，发泡速度快，发泡倍数大等优点，可用作快速有效封堵漏风的材料，此外还具备双组分材料反应温度低；抗静电性能好，泡沫生成过程中伴生少量水分，具备天然的抗静电性能；阻燃性能好，生成的泡沫不燃烧也不助燃，是阻燃的最高级别。相比姚桥煤矿以前使用的罗克休泡沫，普瑞特Ⅱ型防灭火材料是一种更为理想的防灭火材料，可广泛应用于煤矿井下防灭火充填工程。对比技术指标见表1。

表1 罗克修泡沫与普瑞特技术指标

3.1 普瑞特Ⅱ型防灭火材料应用领域

(1) 空气阻流。可用于快速封堵工作面采空区、火区、沿空留巷支架的壁后和支架回撤时产生的煤岩裂隙，可以有效阻止采空区漏风。

(2) 有害气体治理。有害气体常在高冒孔洞区、工作面上下隅角、煤岩体裂隙、瓦斯抽排巷和石门等地，通过封堵和隔绝采空区，防止有毒气体向外涌出，保障人员安全。

(3) 普瑞特Ⅱ型防灭火材料还能隔绝高温，防止高温转移扩散。

3.2 普瑞特Ⅱ型防灭火材料使用注意事项

(1) 原材料在密闭桶内，内部有一定的压力，在开桶使用时先释放压力，防止液体飞溅；

(2) 在温度低或水多的环境中，普瑞特Ⅱ型防灭火材料反应时间相对延长；

(3) 人员施工必须佩戴护目镜，不慎接触皮肤或眼睛，应就地及时使用大量清水冲洗，然后再就医；

(4) 普瑞特短距离输送(0～50 m)时，连接混合器输出管路不能超出10 m，远距离输送(50～100 m)时，连接混合器输出管路不能超出4 m，否则容易堵塞。

4 现场应用分析

4.1 压注工艺

普瑞特Ⅱ型防火材料灌注流程简单，只需一台气动双液注浆泵和一台混合器，混合树脂和催化剂，通过输出管路注入到相应位置，压注工艺如图4所示。

1.树脂 2.压风管路 3.气动双液注浆泵 4.催化剂 5.普瑞特输出管路 6.混合器 7.输出管路

7013工作面停采位置的顶板在支架17#和支架26#存在明显的断层，如图5所示，导致工作面停采后顶板破碎严重，支架定位后挑顶期间出现多个高冒点，2020年7月上旬开始出现CO气体，并有逐步升高的趋势，经束管取样化验，CO最高达到113 ppm，O2体积分数在15%左右，随即对高冒点采取远距离充填普瑞特Ⅱ型防灭火材料，见表2所示。

图5 7013撤架期间工作面剖面图

表2 7013拆除工作面顶板冒落一览表

4.2 效果分析

7013工作面在充填普瑞特后，采样分析各隐患点预埋束管内的气体成分，绘制出CO、CO2、O2的体积分数变化示意图，如图6所示。从图可知，CO作为煤自燃的主要指标性气体之一，压注普瑞特材料后，各隐患点预埋束管内CO的体积分数呈下降趋势，说明煤氧化程度在降低，没有出现加速氧化的现象。CO2的体积分数变化呈现上升的趋势，有利于阻碍煤氧化现象。O2的体积分数由原来的20%降到10%左右，是由于普瑞特材料在膨胀过程中，排挤了顶板裂隙中的氧气，有效阻止了煤体进一步氧化。

图6 充填后各支架处气体体积分数变化

图6 充填后各支架处气体体积分数变化(续)

5 结论

(1) 通过在工作面各个隐患点、高冒区、采空区沿空侧、上下隅角压注普瑞特II型防灭火材料，阻止了隐患点煤体进一步氧化，该项防灭火技术的应用取得成功。

(2) 工作面撤架期间采取综合防灭火技术，包括上下隅角封堵及沿空侧技术、支架顶部隐患点压注防灭火材料技术、稳定工作面通风系统、快速撤架方案及采空区注浆或注惰气，7013工作面回风流中的气体浓度降为正常水平，有效防范了采空区及工作面各个隐患点煤炭自燃，确保了安全生产，此种综合防灭火技术为大屯公司乃至国内类似条件下的煤炭开采提供了重要借鉴，推广应用价值较高。