采煤工作面注惰-凝胶协同防灭火技术研究

韩 明 唐 礼

（1.山东唐口煤业有限公司，山东 济宁 272100；2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 266590）

目前，注惰防灭火技术是最主要的井下防火技术之一，邵昊、张春等学者就对注惰防灭火技术及其防灭火机理进行了深入的研究。但受工作面负压通风的影响，惰性气体注入采空区之后极易被采空区风流所带出，同时在采用两隅角埋管注惰防火技术时，靠近注惰口附近区域遗煤自燃危险得以消除，但期间工作面中部区域氧化带宽度通常较大，自然发火情况较为严重，且架间遗煤自燃灾害难易防控。因此，针对上述问题，提出了注惰-凝胶协同防灭火技术，在两隅角埋管注惰的基础之上，于工作面中部架间CO浓度较高的区域，采取高位孔注凝胶、低位孔注惰气的方式，在支架后面形成惰气隔离墙，有效阻止工作面向采空区漏风及减少惰性气体向工作面漏失，并实现对采空区中部及架间遗煤自燃的有效防控，达到快速、高效抑制采空区煤自然发火灾害的目的。

1 矿井概况

唐口煤矿位于山东省济宁市境内，属于山东能源集团，矿井设计生产能力为300万t/a，设计服务年限为71.2 a。5305工作面是530采区的第5个回采工作面，5305工作面（轨顺里段）为沿空掘巷，北面与5304采空区留有5 m隔离煤柱，东面为南部回风、南部胶带、南部轨道大巷，西面、南面为未开拓的实炭区。该工作面煤层厚度3.0～5.5 m，平均煤厚4.5 m，煤层倾角在1°～14°之间，平均6°，埋深为-936.3～ -879.0 m，面长110 m。工作面煤体以气煤为主，硬度为2～3。5305煤层属于Ⅱ类自燃煤层，自然发火期范围为69～159 d，最短自然发火期为69 d，属于深井自燃厚煤层。

2 采空区自燃危险性分析

受特殊的地质赋存条件的影响，5305工作面采空区遗煤易发生自燃的主要因素体现为：

2.1 煤层自身具有自然发火倾向性

5305煤层属于Ⅱ类自燃煤层，自然发火期范围为69～159 d，最短自然发火期为69 d。工作面遗留煤体自身具有较强的自然发火倾向性是导致该工作面易发生自燃火灾的根本原因。

2.2 千米深井加剧遗煤自燃危险性

5305煤层埋藏深度近千米，煤层所受地压较大，煤体在高地压、高应力的作用下破碎情况加剧，加大了煤氧接触的面积。同时，煤体及煤壁在高地压采掘活动下容易产生压塑变形，从而产生大量漏风通道，加强了采空区内氧气的供应。伴随着深度的增加，地温逐渐增加，5305工作面采空区后部温度为30°～40°。高地温使得采空区内部具有较好的氧化蓄热条件，进一步增大了采空区内发生自然发火的危险性。尤其是在停采撤面期间，采空区遗煤长时间处于供氧充分的条件下，极易诱发遗煤自燃灾害。

3 注惰-凝胶协同防灭火技术

开采有自燃倾向性的煤层时，常采取注惰为主的综合防灭火措施。现有常见的惰性气体包括CO2、N2。N2密度与空气相近，注入采空区后容易随着风流而被带出采空区。CO2密度为空气密度的1.5倍，受采空区负压通风影响相对较小，且CO2的吸附性要优于N2，注入CO2后CO2能够更多地吸附于煤体表面，占据更多的吸附位，从而抑制煤氧反应。对于低阶煤而言，煤对CO2及N2两种气体吸附量的差异最大可达到10倍。因此相对而言，CO2具有更好的防灭火效果，故选用CO2用于采空区遗煤自燃的防治工作。

由上述对于5305工作面采空区自燃灾害的特点及仅采用隅角注惰的不足分析可知，5305工作面在停采撤面期间自然发火灾害较为严重，而仅采用隅角注惰的防火方式存在对工作面中部遗煤自燃防治效果差、架间遗煤自燃灾害难以控制等缺点。因此为了加强防灭火效果，在常规隅角注惰防灭火措施的基础之上，提出了注惰-凝胶协同防控措施，即在架间设置高位和低位钻孔，采取高位孔注凝胶、低位孔注CO2的方式进行防火，其示意图如图1。

图1 注惰-凝胶协同防灭火技术示意图

高位孔压注凝胶：煤层开采之后，在支架后方存在着大量的破碎矸石，成为重要的漏风通道。高位孔压注凝胶后凝胶在重力作用下不断下移，从而逐渐填实、封堵支架后方垮落矸石裂隙，有效地减少惰性气体由于负压通风而外溢至工作面的情况。并且工作面向采空区的漏风情况也将由于架间孔隙的减少而得到有效控制，采空区内部氧气浓度将得到进一步降低。

低位孔压注CO2：高位孔注凝胶已经使得支架后方矸石孔隙得到了有效封堵，漏风及惰气流失情况得到了有效的控制，因此架间CO2注入后能更长时间且更有效地发挥其防灭火作用，在支架后方形成惰气气体隔离墙，增大采空区内部压强，进一步减小采空区内部压差，控制采空区漏风情况。同时，低位孔压注CO2地点更为灵活，针对架间及采空区中部的自然发火，可以在隅角注惰的同时依靠架间留设的低位钻孔向架间CO产生量高的区域附近进行注CO2，从而有效地对工作面中部区域、架间遗煤自然发火进行更有针对性的控制。相对于仅采用隅角注惰而言，其防火地点更具有针对性，防火效果更佳。因此该技术要求在常规隅角注CO2的基础之上，在工作面架间每隔一段距离设置高位及低位钻孔，如图2。

图2 架间钻孔设置图

4 防灭火效果分析

唐口煤矿5305工作面于2018年12月28日开始撤面，撤面期间工作面回风流中CO浓度如图3所示。由图3可以看出，工作面12月28日停采后，回风流CO浓度不断升高，至1月14日CO浓度达到13.8 ppm，说明此时采空区后方遗煤自燃威胁已十分严重。故自1月15日开始采取了注惰-凝胶协同防灭火技术，工作面回风流中CO浓度迅速下降，5天后工作面CO浓度已降至0 ppm左右。且通过对工作面架间的CO监测数据表明，采用该技术后，架间CO量始终处于0～1 ppm左右。上述数据说明注惰-凝胶协同防灭火技术有效地控制了采空区内部尤其是中部的遗煤自然发火灾害。

图3 架间钻孔设置图

5 结论

（1）分析了唐口煤矿5305工作面停采撤面期间采空区遗煤自然发火的危险性，并根据其采空区自然发火防治的需要及现有注惰防灭火技术的不足，提出了注惰-凝胶协同防灭火技术。

（2）唐口煤矿5305工作面停采撤面期间工作面回风流中CO浓度数据表明，采用注惰-凝胶协同防灭火技术5 d后，回风流中CO浓度迅速降低至安全水平，且架间CO量始终处于极低的水平，说明采空区内部尤其是中部、架间处自然发火危险均得到了有效控制，保证了工人和设备的安全，确保了工作面的正常接续。该技术对类似深井自燃煤层采空区自然发火的防治工作具有借鉴意义。