综放工作面停采撤架期间煤自燃防治技术研究

邢立杰，刘华，刘芬,3，王帆，权岩萍

（1.陕西郭家河煤业有限责任公司 陕西 宝鸡 721500；2.西安科技大学安全科学与工程学院 陕西 西安 710054;3.江苏能源股份有限公司陕甘分公司安全生产指挥中心 陕西 宝鸡 720000；4.靖远煤电股份有限公司红会一矿 甘肃 白银 730614）

0 引言

随着我国现代综放式开采技术和工艺的发展，综合机械化在矿井开采中应用广泛，采空区遗留煤量较少、工作面向前推进速度加快等逐渐发展为一种趋势，煤炭自燃的危险性在一定程度上有所减轻[1-2]。但在综放工作面的撤架期间，由于受到采空区遗煤、顶板管理等因素的困扰造成工作面回撤时间过长而直接导致采空区或局部地区遗煤氧化升温，进而引发煤自燃[3]。郭家河煤矿在1803工作面停采收作过程中，出现了CO浓度超出安全范围的现象。对于此类特殊情况，应根据现场的实际情况，通过采取局部正压通风、封堵减漏、架间插管注凝胶、高位钻孔灌注高分子材料等综合性预防灭火技术和措施，提前预防采空区域内的遗煤发生自燃，确保工作面之间的支架能够顺利进行撤架工作，对相似工作面的采空区域内煤自燃早期预警与防治措施具有重大借鉴价值。

1 工作面概况

郭家河煤矿井田所处范围位于黄陇侏罗纪煤田永陇矿区北部。1308工作面可采走向长2 280 m，倾斜长290 m，面积94.64 km2。主采3#煤，3#煤厚度0.55 m~26.83 m，平均煤厚为11.57 m，最短的自然发火周期一般为37天，为易于自燃的煤层。

2020年4月20日的日常记录显示，在上隅角、回风流、液压支架架间发现CO浓度异常且呈上升趋势。为此，安排人工每天对CO浓度较高的60#~100#、110#~145#支架架间进行重点监测，结果如图1所示。

图1 2020年监测的支架架间CO气体浓度

2 CO浓度超限原因分析及治理方案

2.1 CO浓度超限原因分析

依据现场实时监测的结果可知，1308工作面在停采收作期间CO浓度超出安全范围的主要原因如下：

（1）地质构造复杂。复杂的煤层地质条件会大大降低煤层工作面推进速度，导致煤的温度上升，CO浓度也大幅提升。

（2）采空区遗煤较多。综采放顶煤工作面大量顶煤遗留在采空区中，并且煤体会呈现为松散的状态，更容易快速氧化，为煤炭的自然发火提供了条件。

（3）隅角存在漏风通道。工作面采空区冒落不密实，空隙较大，导致进入采空漏风地带的煤柱漏风侧力量相对较大，影响范围相对较深。

2.2 治理方案确定

结合1308综放工作面的实际情况及现有防灭火措施的特点，按照快速减少采空区漏风、隔绝采空区中的氧气、消除采空区中的高温等危险性区域的基本原则，确定了综合防灭火措施。即：采用局部通风的方式，封堵采空区的上、下隅角，并借助进回风巷提前预埋好的管路来进行对采空区域的灌浆；在工作面的支架旁边打钻孔，向采空区域内灌注高分子胶体和三相泡沫，防止遗留煤层的氧化，消除高温区域，并在采煤工作面的架间形成一个隔离带；同时在高位钻孔进行凝胶泡沫的灌注，漏风通道应进行严密的封堵，高温区域应及时治理消除以防止煤自燃，对综放工作面进行综合治理等[4-5]。

3 防灭火技术应用

3.1 加强自燃监测预报

（1）加强对所在工作面上、下隅角、隅角束管、各个支架间的气体安排专人进行监测，每天三班分别进行一次人工监测。

（2）对采煤工作面的架间、架顶及钻孔内采用红外线测温仪来测量其工作面空间中的温度，做好标记并绘制温度监测曲线。

（3）使用型号为KJ-335X的安全监控系统，在线实时监控回风顺槽回风流中的CO、温度和CH4等数据。

3.2 综合防治技术

3.2.1 实行正压局部通风

正压通风是综合治理的关键。需要在采煤工作面的运输巷通道处施工堆砌两道严密的封堵墙，进而封堵住采煤工作面运输巷，这样才能有效地保证采空区在最大程度上减少漏风的情况出现。在已经构筑好的两道密封墙中，其中有一道墙要堆砌成永久密闭型，并在墙面之上提前预留埋好注氮、注浆的管路；另一道墙则是要保证其厚度为1 m的用黄泥密封堆砌的快砌墙，要确保其严密不漏风。

在1308工作面的回风巷外端安装一台局部型的通风机（2×45 kW），一用一备，配备ϕ800 mm的风筒以此来进行供风；在采煤工作面的平巷处要事先安装相同规格的局部型通风机，同样也是一备一用，保证有足够的风量来为工作面的运输巷提供充足的风量。在回撤过程中，调整局部通风机，确保巷道通风的稳定性，可以有效减少采空区域的CO、CH4等气体的涌出[5]。

3.2.2 上、下隅角封堵措施

（1）减小采煤工作面的风量。在停采撤架期间，应及时降低采空区域的漏风，工作面风量应下降至1 060 m3/min左右，及时地调整工作面风的量，可根据现场对气体测定和实际使用情况做出适当的调整，以此来防止瓦斯等有害气体不超过安全范围。

（2）进、回风巷隅角施工编织袋装碎煤隔墙。工作面停采后立即在进、回风巷隅角各施工一道封堵墙，墙面喷涂艾格劳尼防火材料，同时向墙内注高分子胶体材料进行封堵，防止采空区漏风。

（3）1308工作面停采后在上、下隅角悬挂挡风帘，最大限度减少采空区漏风。

（4）工作面的支架到达停采线的位置后，在扩大架空棚期间，安排专人在后尾梁老塘侧和架间缝隙处喷涂艾格劳尼，封堵煤体裂隙，减少对整个采空区的漏风。

3.3 注氮惰化

利用进风巷提前预埋注氮管路并及时地向采空区注氮，当提前预埋的注氮管路全部进入采空区10 m后，开启1台氮气流量为1 200 m3/min的注氮机全天向采空区域内进行持续注入氮气，可迅速有效地抑制遗留在采空区域内的煤进一步氧化的速度。

3.4 注高分子材料

针对郭家河煤矿1308采煤工作面停采收作期间，每五台支架间需要向采空区域灌注一层高分子胶体材料用来封堵防止漏风。同时，对处于异常的位置，要重点加注三相泡沫和灭火剂，防止每层因氧化发生自燃。工作面支架前钻孔位置及参数见图2。

图2 工作面支架前钻孔布置及参数

3.5 高位钻孔注浆

为防止撤架期间工作面支架顶部浮煤自燃，在撤架前提前施工高位钻孔注浆。在工作面扩大棚的过程中，先在采煤工作面1#~50#之间每隔4架打一个专用的注浆钻孔，50#~153#每2架架前向架后打一个注浆钻孔，钻孔内下DN40套管，并且每根套管的长度为2 m，使用聚氨酯材料对其开采的孔进行封堵。钻孔参数：钻孔深度为14.9 m~12.5 m；钻孔倾角为10°~14°；钻孔直径为63 mm，架前钻孔施工示意图如图3所示。

图3 架前注浆钻孔施工示意图

3.6 其他防灭火措施

在实际工作中，撤走支架后，应随时注入防灭火材料。当拆除支架时，每隔10 m的地方需要用装碎煤的编织袋组成一堵墙，在墙体喷涂艾格劳尼材料，同时还需要进行预埋注浆管。对已经拆除支架的部位，要及时注入高分子胶体，以有效减少漏风，防止浮煤进一步被氧化。对采煤工作面的支架每架间、后尾梁上部、架后安排专业人员进行插DN15注浆管，注浆管的尾部使用1 m钢管来进行套接，架后的尾梁将会插入长度为3 m～5 m，仰角为40°～45°的管子，架间后的立柱上方要插入仰角为70°~80°的范围才可以（如图4所示）。

图4 架后顶注浆锚杆布置图

4 应用效果

2020年4月17日至5月7日撤架期间，对工作面架间CO体积分数进行统计，其变化规律如图5所示。

图5 1308工作面架间CO体积分数变化曲线

由图5可以清楚地看出，4个架间测点、进风隅角和回风隅角测点经过一系列防灭火措施，煤炭自燃情况已经得到了有效地控制。其中，60#~100#间CO数据波动较大，但整体呈现下跌趋势，到5月3日之各测点CO数据趋势比较稳定，降至安全范围2.4×10-5p以下，说明煤自燃状况已经基本得到控制。

5 结语

（1）综放工作面停采撤架期间极易造成采空区遗煤量较多，加上撤架期间在工作面停留的时间较长、漏风较为严重，会导致遗煤氧化，容易使工作面CO的浓度在一定的时间内呈现上升的趋势，影响安全回撤。

（2）工作面收作期间，必须及时、适时地对其进行通风和排水系统的调整。

（3）采空区及架后钻孔注高分子胶体是防治自然发火的有效措施，该方法可以封堵住采空区遗留煤层的间隙，从而起到抑制煤发生自热，迅速有效地防止煤自燃。

（4）由于采空区煤炭发生自燃所造成的发火原因相同，依据工作面现场实际情况，制定有效地预防灭火的技术措施，快速治理采空区发生自燃。