特厚煤层松软顶板综采工作面自燃煤层火害防治研究

梁建国 余小柳

（1、晋能控股煤业集团潞新公司，新疆 哈密 839003 2、中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

随着煤炭开采深度不断增加，开采条件越来越复杂，自燃灾害愈发严重且相互叠加，治理难度不断加大[1]，绝大多数厚煤层都有自燃倾向性，且许多矿井为高瓦斯矿井[2]。在开采高瓦斯易自燃特厚煤层过程中面临着煤炭自燃以及自燃引起瓦斯灾害的严重威胁[3-4]，特别是工作面在特厚煤层松软顶板复杂赋存环境下，火害防治难度更大，因此本文针对综采工作面在特厚煤层松软顶板复杂赋存环境下火害防治展开研究。

1 工程背景

砂墩子煤矿位于新疆哈密市三道岭矿区后窑井田西部，井田内煤层赋存于侏罗系中统西山窑组（J2x），侏罗系中统西山窑组平均厚度331.22 m，含煤层13层，煤层总厚0～32.48 m，平均总厚20.19 m。

矿井目前开采煤层为4号煤层，4号煤层最大厚度在18.25 m，最小厚度在0.39 m，平均厚度在5.61 m，最大可采厚度18.25 m，最小可采厚度1.26 m，平均可采厚度6.89 m，属特厚煤层。

4号煤层顶板多为粉、细、中、粗砂岩，局部地段为砂砾岩，饱和状态下单向抗压强度仅个别为44.84 ～45.8 MPa，其余多为2.9 ～27.9 MPa＜29.42 Mpa，属不稳定型顶板；天然状态下单向抗拉强度仅个别为7.4 MPa、，其余多为1.2 ～4.9 Pa；软化系数仅个别为0.77 -0.91 ，其余多为0.06 ～0.68 ＜0.75 ，岩石质量等级为易软化的较软岩-极软岩，围岩稳固性差，其围岩多为细粒相粉、细砂岩，结构面为层理面，次为局部地段的节理及裂隙。

4号煤层具有自然发火倾向性，属Ⅱ类自燃煤层，自然发火期最短时间为36天。

2 采空区顶板冒落特征及自燃“三带”研究

2.1 采空区顶板冒落特征

砂墩子煤矿4号煤层属特厚煤层，顶板松软，工作面回采采用放顶煤综采开采工艺，放煤厚度大，煤体不易完全放出，顶板冒落不充分，形成“O形圈”，漏风通畅，供氧充分，且采空区“两道两线”遗煤较多，；在巷道布置时，在巷道顶部留有大量遗煤，由于顶板松软，造成顶板受压力影响易破碎，易造成巷道顶煤氧化自燃。

2.2 采空区自燃“三带”

根据砂墩子煤矿综放工作面回采期间冒落特征，考察采空区自燃“三带”分布范围，通过自燃“三带”测定及已回采综采工作面采空区束管监测数据，采空区三带分布情况基本如下：

从图1和表1可以看出，根据采空区自燃“三带”分布结果中自燃带分布范围，N4105工作面采空区在注氮条件下自燃带深度的分布较广，沿进风侧采空区达到27m，回风侧采空区自燃带宽度达到15.1 m。

表1 工作面采空区“三带”划分表

图1 工作面采空区“三带”划分图

3 工作面综合防灭火防治研究

根据以上特厚煤层松软顶板综采工作面自燃煤层采空区冒落特征及自燃“三带”研究结果，为了实现工作面火害有效防治，采用4种方式开展。

3.1 氮气防灭火

氮气防灭火为矿井主要防灭火工艺。

矿井氮气源由地面八套1500m3/h同等能力的地面制氮机经风井已铺设好的∮273mm主管路至综放工作面胶带顺槽与回风顺槽开口处，其中胶带顺槽注氮支管路采用∮159mm的无缝钢管铺设至开切眼以外200米处，回风顺槽的注氮支管采用∮159mm的无缝钢管铺设至开切眼以外200米处，注氮支管至综放工作面采用∮75mm的焊管连接，采用上、下端头同时铺设“双L”型注氮管路，各沿倾向延伸30m，注氮管路间距为25m，共计铺设3趟，实现24小时不间断注氮的方式将氮气注入到采空区以达到防灭火的目的，其中氮气纯度不小于97%。

图2 综放工作面注氮管路布置图

3.2 灌浆防灭火

灌浆防灭火为矿井的一种辅助性防灭火工艺，是对综放工作面一般采用回采过程中的高位灌浆和最终回收后进行封闭性注浆措施。具体实施方案为：①在综放工作面采空区上隅角的高位灌浆孔进行埋管灌浆；②高位灌浆孔每隔8米施工一个，孔深见矸为准、远、中、近三趟灌浆管轮流灌浆；③工作面最终回收完封闭后通过进、回风收作密闭向采空区实施注浆。

灌浆材料用黄土，矿井防灭火灌浆的土水比例为1:4。制浆方法：黄泥浆的制浆方法是采用定量给料机将土料配给胶体制备机（ZJ-60），胶体制备机根据给土量自动控制水土比，制好的泥浆再经滤浆机（LJ-60）过滤，再经缓冲池输入灌浆管路。

图3 综放工作面灌浆管路布置图

3.3 凝胶防灭火

顺槽隐患点和工作面前方高温点对放顶煤工作面威胁很大，使用凝胶防灭火技术堵漏和灭火效果很好。

3.3.1 凝胶防灭火机理

基料和促凝剂按一定比例混合配成水溶液后，发生了絮凝作用，形成凝胶。胶体内部充满水分子和一部分Na2CO3、NaCI，硅胶起框架作用，把易流动的水分子都固定在硅胶内部。成胶过程是吸热过程。NaHCO3相比于NH4HCO3反应不生成氨气，减少对空气污染，避免氨气对人员伤害，产生凝胶效果与NH4HCO3相同，故选用NaHCO3做凝胶剂。

3.3.2 凝胶材料的选择及配比

基料（A）硅酸钠（泡成碱）。分子式：Na2SiO2（液态）

胶体水溶液中的SiO2浓度越高，凝胶越好，强度也越大，胶体强度与促凝剂用量无关，基料浓度（总比重）应小于9%。

促凝剂（B）选用NaHCO3。

3.3.3 具体实施方案：

3.3.3.1 对工作面上隅角采取预防性注胶，可在工作面上隅角前顶板向煤体打φ25mm钻孔，注胶孔排距1.5 米、每排3个眼，孔深见矸为准。

3.3.3.2 在工作面进回风巷里发现煤体氧化自燃，挂汗，高温等异常情况时，布置探火钻孔，取样分析化验，如发现有自燃发火倾向，必须向巷道顶板煤柱进行注胶，做好煤体漏风氧化通道的堵漏工作，杜绝煤炭氧化，彻底消除巷道煤柱发火隐患。

3.3.3.3 开采过程中，认真开展防灭火预测预报工作，对综放工作面进、回风、综放工作面上隅角、周边采区收作密闭情况进行检查，一旦发现隐患立即进行处理。

3.4 气体监测

3.4.1 综放工作面上隅角每10米预埋束管一趟，每30米甩掉一趟，并保证三趟束管能够正常交替检测气体，任何一路束管出现堵管、出水等问题不能正常检测时，应立即重新布置一趟束管；如图4所示。

图4 综放工作面采空区束管测点布置图

3.4.2 工作面束管监测系统（GC-4085B）在工作面上隅角与提前预埋的10米、20米、30米束管连通，每天在地面通过气体采集泵对工作面采空区气体采集1次。

4 结论

通过研究特厚煤层松软顶板综采工作面自燃煤层在特殊赋存环境下采空区顶板冒落特征及自燃“三带”分布特征，为了实现工作面火害有效防治，建立了特厚煤层松软顶板综采工作面自燃煤层“氮气防灭火+灌浆防灭火+凝胶防灭火+气体监测”的综合防灭火防治体系。