综放工作面采空区遗煤自燃发火防控技术研究

陈军章

【摘 要】 为提高综放工作面安全生产保障能力，降低采空区遗煤自燃发火给煤炭开采带来的影响，文章以11301综放工作面为工程实例，采用现场实测法对采空区三带进行测定，并依据测定结果提出针对性防灭火技术措施。研究结果表明：1）11号煤层自燃发火期最短为36d，煤层自燃发火临界氧气浓度为10.0%;2）依据采面实际情况对测点布置方案进行设计，并依据测点获取到的采空区氧气、一氧化碳浓度判定采空区散热带、氧化带、窒息带范围为0～45m、45～73m以及73m以里;3）采用理论计算方法确定采面最小安全推进速度为1.88m/d，并提出注氮、减少漏风以及喷洒阻化剂等综合防灭火技术措施。现场应用显示未监测到采空区遗煤自燃发火征兆，取得显著防灭火防治效果。

【關键词】 采空区;遗煤自燃;气体成分;防灭火技术;氧气浓度

【中图分类号】 TD75+3 【文献标识码】 A 【文章编号】 2096-4102（2021）05-0014-03

随着矿井综合机械化设备的应用推广，煤炭采掘效率不断提升，采空区范围不断增加。当回采煤层顶板存在有薄煤层或者受开采工艺影响导致采空区内遗煤较多时，遗煤自燃发火危险性显著增加，给矿井生产安全带来威胁。文章在以往研究成果基础上，以11301综放工作面为工程实例，采用现场实测法对采空区三带范围进行测定，并依据测定结果提出综合防灭火技术，以期能在一定程度上提高矿井综合安全生产保障能力。

1 工程概况

11301综放工作面采放比为1∶1，采用U型通风（进风量为1880m3/min），切眼斜长、走向长分别为120m、890m。11号煤厚5.6m，瓦斯含量6.3m3/t，距11号煤层上部3m、6m距离分别为10号煤（厚0.45m）和9号煤（厚0.32m）赋存不稳定。

2 采空区三带测定方案与测定结果分析

2.1 煤层自燃参数测定及三带划分标准

按照煤样采集标准（GB/T482-2008）要求，采集11301综放工作面回采的11号以及顶板10号及9号煤层煤样送有资质检验单位进行自燃发火实验，测定发现取样煤层均有自燃发火倾向，其中11号、10号以及9号煤层自燃发火期分别为36～102d、42～121d、48～95d，煤层自燃发火临界氧气浓度均为10.0%。

结合煤层自燃发火临界氧气浓度测试结果，采空区三带按照下述标准判定，即散热带：氧气浓度≥18%，氧化带：氧气浓度介于10%～18%，窒息带：氧气浓度≤10%。

2.2 测定方案布置

沿着11301综放工作面布置束管采样器对采空区内气体成分进行分析，从采面回风巷向下每间隔30m均布置一个测点，具体现场布置情况见图1所示。

普通束管在采空区顶板冒落时容易砸断，从而导致数据测量精度偏低，为此本次测量使用高压软管代替传统束管。在测定期间每天取样并用色谱分析仪分析取样气体成分，通过气体成分数据确定采空区“三带”分布范围。

2.3 测定结果分析

11301综放工作面于2020年5月开始试生产，并于同年6月中旬布置测点进行测定分析。通过分析5个测点内氧气、一氧化碳浓度判定采空区三带。具体氧气浓度、一氧化碳浓度随工作面距离的变化曲线见图2所示。根据煤层自燃参数测定数据及三带划分标准，各个测点位置三带范围确定情况见表1所示。

测点1与其他测点（测点2～测点5）确定的采空区三带范围相差较大，原因主要是受到回风上隅角位置采空区埋管影响。从图2的（a）和（b）中可看出，随着采面推进采空区内一氧化碳浓度在散热带由于采空区内漏风率较大、温度较低，遗煤自燃条件不足，从而浓度相对较低;进入到氧化带后，由于遗煤氧化自燃氧化条件相对较好，使得一氧化碳浓度较高;进入到窒息带后，氧气浓度在10%以内，采空区遗煤不具备自燃氧化条件，从而使得一氧化碳基本消失。从图2及表1确定散热带边界为采空区45m深位置，氧化带边界为采空区73m深位置，73m以里均为窒息带，具体确定的采空区三带分布范围示意图见图3所示。

3 综合防灭火技术措施

3.1 工作面安全推进速度

可通过下述公式确定工作面安全推进速度Vmin：

[Vmin=1.5Lmaxτ] （1）

其中Lmax为采空区氧化带宽度，取45m;τ为煤层最短自燃发火期，取36d。

通过公式（1）计算得到Vmin=1.88m/d。即采面推进速度在1.88m/d以上时采空区内遗煤无自燃发火危险性;当采面持续停采超过36d或者推进速度在1.88m/d以内时则采空区内遗煤自燃发火风险较高。

11301综放工作面正常回采期间推进速度为4.0m/d，正常回采时采空区遗煤无自燃发火危险，但是采面回采范围内地质构造复杂，采面推进受地质构造影响，因此在采面生产过程中应注意地质构造探测并根据探测结果采取针对性措施降低地质构造给采面推进速度影响。

3.2防灭火措施

现阶段防灭火技术主要以灌注黄泥浆、注氮、喷洒阻化剂以及减少采空区漏风等为主，针对11301综放工作面采空区三带测定结果，提出以下防灭火技术措施：

采空区内注氮。根据矿上实际情况选择注氮方式降低采空区内氧气浓度，从而防止采空区内遗煤氧化自燃。布置的注氮管路沿着进风上隅角铺设，深入到采空区深度为45m。

减少漏风。常用技术有增阻法、均压法、堵漏法等，其中以堵漏法应用最为方便且经济投入较小。为此，在11301综放工作面采用堵漏法降低采空区漏风量。工作面漏风主要集中在采面进风、回风隅角位置，为此可在采面进风、回风隅角位置砌筑密闭墙，通过封闭漏风通道来降低采空区漏风量，减少采空区内氧气浓度弱化采空区遗煤氧化自燃。采面施工的密闭墙应严格依据设计施工，并对密闭、漏风巷道等位置使用全面喷浆封堵漏风裂隙，减少采空区漏风量。

喷洒阻化剂。在采面正常回采时向顶板、底板喷洒阻化剂，避免遗煤出现氧化自燃问题。

4 结论

对采面采空区内遗煤进行自燃发火试验，确定采空区内遗煤自燃最短发火时间为36d、氧气浓度下限为10%;根据11301综放工作面实际情况对采空区三带测量方案进行设计，并通过分析采空区内氧气、一氧化碳浓度确定三带分布，具体采空区内散热带、氧化带以及窒息带范围分别为0～45m、45～73m以及73m以里。

根据开采的11号煤层自燃发火特性以及采空区三带测定结果，对采面安全推进速度进行确定，即采面推进速度在1.88m/d以上时，采空区内遗煤不会出现自燃问题;并提出注氮、降低漏风量及喷洒阻化剂防灭火措施，提出措施投入小、防灭火效果显著，可满足采面安全生产需要。

【参考文献】

[1]陈瑞锋，王金贵.井下注氮结合地面钻孔抽放置换采空区瓦斯技术研究[J].煤炭技术，2021，40（4）：74-76.

[2]巨涛.三交河煤矿2-502工作面采空区综合防灭火技术研究与应用[J].煤，2021，30（4）：66-68.

[3]赵鸿亮.皇后煤业15105工作面采空区自燃三带划分技术研究[J].现代矿业，2021，37（2）：210-213.

[4]王飞，谷晓玲.综放工作面采空区抽放注氮与遗煤自燃三耦合关系研究[J].煤炭技术，2021，40（2）：145-147.

[5]吴玉才.采面采空区漏风对遗煤自燃影响的分析[J].山西能源学院学报，2020，33（6）：7-9.

[6]王雪江.采空区注氮防灭火和束管监控系统联合使用研究[J].当代化工研究，2020（24）：95-97.

[7]邓照玉.近距离自燃煤层回采工作面合理通风研究[J].中国矿山工程，2020，49（3）：35-37，61.

[8]李跃.某矿上覆采空区自然发火现状与防治措施[J].中国矿山工程，2019，48（3）：62-63，68.