综采工作面采空区遗煤自燃防治技术研究

李永强

（晋能控股煤业集团泰山隆安煤矿，山西 保德 036600）

采空区遗煤自燃防治是回采工作面开采过程中的一项重要工作。泰山隆安煤矿11下301综采工作面因易发生采空区遗煤自燃，导致温度偏高，CO浓度超限，严重影响安全生产，亟需研究遗煤自燃原因并采取有效防治措施。

1 工程概况

11下301综采工作面为11号煤三采区首采工作面，上覆11上煤层遗留在采空区，且上覆为原金义煤矿和原晋豫煤矿旧小窑采空区。11下号、11上号自燃倾向性等级均为Ⅱ级，属自燃煤层。11下301工作面所采掘的11下号煤为石炭系太原组二组中部，上距11上号煤层1.57～4.73 m，平均2.41 m，煤层厚度0.81～6.91 m，平均1.95 m，煤岩层总体近南北走向，呈向西倾斜的单斜构造，煤层倾角为2°～8°，平均4°左右。

工作面回采期间主要采取注氮和喷洒阻化剂、两巷隅角处垛带隔离等防治措施，但回采期间仍常发生采空区遗煤自燃导致CO超标现象，亟需研究遗煤自燃原因及有效防治措施。工作面煤层及顶底板岩性特征见表1。

表1 煤层及顶底板岩性物理力学参数表

2 煤层特征

2.1 煤层自燃倾向性

根据矿方委托相关资质单位对11上、11下号煤层进行的煤层自燃倾向性及煤尘爆炸性鉴定报告可知，矿井主采的11上、11下煤层属自燃煤层，自燃倾向性为Ⅱ类自燃，发火期为2～3个月。

2.2 煤尘爆炸危险性

根据11下煤层自燃倾向性及煤尘爆炸性鉴定报告，11下煤层火焰长度大于400 mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉量为80%，煤尘具有爆炸危险性。11下煤层自燃倾向性、爆炸危险性检测结果见表2。

表2 11下煤自燃性、爆炸性检测结果

2.3 煤层自然发火标志性气体

根据11下煤层低温氧化检测结果，煤层加速氧化的拐点温度为约198 ℃，煤层自然发火标志性气体为CO，临界值6.1×10-5，且出现C2H4、C2H2等气体时，则说明采空区遗煤已经自燃，甚至出现明火。

3 采空区发火原因分析

3.1 现场监测及结果分析

（1）测点安设及监测方案

为准确分析工作面回采后采空区内温度及标志性气体变化情况，以此推断采空区大致发火范围距工作面的距离，监测点布置方式为：在工作面两巷分别布置3个监测点，第一个监测点布置在上、下隅角，其余两个监测点向外每50 m布置一个。各监测点安设一个温度传感器及气体采集器，安设位置为两巷非回采侧距巷底2 m的巷帮，并使用刚性材料保护，温度传感器使用监测线连接，气体采集器使用单芯束管连接，线、管沿途均穿过钢管并铺设于巷道底角处，向外延伸至人工取样位置处。工作面回采过每个监测点后，开始每天对监测点的温度进行记录，并使用气囊通过单芯束管进行采集并送实验室检测。当氧气浓度低于4%（不具氧化燃烧性）后即可停止采集观测。现场监测点布设如图1。

图1 现场监测点布设示意图（m）

（2）监测结果分析

通过对11下301工作面布设监测点并定期进行温度记录及气体采集、检测后，将各监测点气体浓度变化情况绘制曲线图。部分监测点可能因气管损坏数据异常，需筛选出变化正常的监测点数据进行分析。经筛选后4号测点较为符合要求，图2为4号测点各气体变化曲线图。

图2 4号测点气体浓度变化曲线图

根据各监测点温度及气体浓度检测结果得知，多个监测点均监测出距工作面45 m以内的采空区内各标志性气体随工作面回采有轻微增高趋势，但温度基本稳定在35 ℃以下，表明工作面回采后，采空区45 m范围内遗留煤体开始氧化，但未发生自燃现象。距采空区45～70 m段，因采空区老顶来压，CH4浓度增高，但温度及其他标志性气体变化不大。距采空区70～85 m段，CH4浓度出现大幅降低，同时温度及其他标志性气体浓度均呈现明显上升趋势，表明该区域内采空区遗煤处于氧化自燃状态。由此分析可知，距回采工作面70～85 m范围内的采空区为煤层氧化自燃的高发区，回采期间应加强对该区域的遗煤自然发火防治管理。

3.2 采空区遗煤自然发火原因分析

（1）煤具有自然发火倾向性，在采空区具有一定量的遗煤及空气条件下，易发生煤层自燃。

（2）工作面埋深650 m，埋深较深，加上工作面属大采高工作面，回采期间顶板压力较大，采空区顶板垮落带高度较高，产生较大范围的漏风裂隙。

（3）工作面回采进度快，遗煤处理不够细致，导致采空区遗留煤体较多。

（4）距回采工作面70～85 m范围内的采空区为煤层氧化自燃的高发区，在该区域执行防灭火措施难度较高，常因防灭火措施不到位导致煤层自然发火严重。

4 综合防治措施及其效果

4.1 综合防治措施

（1）安设采空区温度传感器及气体采集器，每天采集采空区内温度及气体浓度变化情况。

（2）加强回采期间采空区喷洒阻燃剂及工作面上、下隅角处垛带封闭管理。

（3）回采期间加强原煤回收管理，提高原煤回采率，尽量减少采空区遗留煤量。

（4）回采期间每隔10 m从进风巷侧沿工作面预埋一根注氮管路，管路向工作面延伸长度不低于30 m，每隔10 m在注氮管两侧开一个漏氮孔。回采期间监测到温度或CO浓度升高的区域及时进行注氮灭火，并根据注氮期间采空区温度、CO及氧气浓度变化情况控制注氮强度，同时要注意监视注氮期间工作面氧气浓度，防止氮气溢出导致工作面氧气浓度降低现象。

4.2 应用效果分析

在11下301工作面采取防治采空区遗煤自燃的综合防治措施后，监测距离工作面100 m范围内的采空区未发生温度明显升高，气体采集测试结果均显示煤层自燃标志性气体无明显增加，工作面及回风流CO浓度均在1×10-5以下，采取的综合防治措施效果显著，采空区遗煤自燃情况得到有效控制。

5 结论

分析了11号煤层自然发火原因，安设采空区温度传感器及气体采集器来监测采空区煤层自然发火情况，采取采空区喷洒阻燃剂及提高原煤回采率、工作面上下隅角处垛带封闭可减少采空区漏风、采空区注氮等措施，可有效防治采空区遗煤自燃。