特厚煤层孤岛面“呼吸效应”影响下煤自燃防控技术

郁亚楠 赵庆伟 程明 王新堂 郭军

摘 要：为预防唐家会煤矿61102特厚孤岛工作面煤自燃隐患发生，保障工作面的安全收作，通过监测61102工作面进回风顺槽与相邻采空区间的气压变化，分析进回风顺槽与相邻采空区存在“呼吸”现象及规律，结合煤自燃理论基础，从遗煤堆积、漏风供氧及氧化蓄热等方面，研究在“呼吸效应”影响下工作面收作期间煤自然发火原因及特点，提出以“控氧控温、减氧降温”为主的防火思路，制定了“三位一体”的煤自燃预测预报体系，构建了以“煤柱加固、建隔离带堵漏控氧、注氮惰化降氧及注胶降温”为主的综合防火方案。现场实践表明：在工作面收作期间，通过采取煤柱破碎带加固、隅角建隔离带、区域控风、注氮降氧及注胶降温等针对性防控措施，使工作面回风隅角CO浓度降至10×10-6以下，火灾系数R2×100降至0.1以下，有效预防了采空区遗煤自燃，保障了工作面的安全回撤。实践成果为其他矿区类似工作面的防火提供了参考依据。

关键词：煤自燃;孤岛工作面;特厚煤层;监测预报;防火技术

中图分类号：TD 752.2

文章编号：1672-9315（2022）01-0076-07           文獻标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0111开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Prevention and control  techniques against coal spontaneous

combustion under the influence of “breathing effect”

in isolated island working face of extra-thick coal seam

YU Yanan1，ZHAO Qingwei1，CHENG Ming2，WANG Xintang3，GUO Jun4

（1.Tangjiahui Coal Mine，Ordos Huaxing Energy Co.，Ltd.，Ordos 017000，China;

2.Xi’an Tianhe Mining Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China;

3.Xiashijie Coal Mine，Tongchuan Mine of Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.，Ltd.，Tongchuan 727101，China;

4.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to prevent the spontaneous combustion of coal in the 61102 extra-thick isolated island working face of Tangjiahui Mine，and ensure the safe harvest of the working face，the change of air pressure is monitored between the inlet and return airflow trough and the adjacent goaf section of 61102 working face，and  the phenomenon and law of “breathing”is analyzed between the inlet and return airflow

trough and the adjacent goaf area.

Then based on the theory of

coal spontaneous combustion，

the causes and characteristics of coal spontaneous combustion at the working face under the influence of “respiration effect”are examined from the aspects of coal accumulation，air leakage，oxygen supply and oxidation heat storage.The fire prevention ideas “oxygen control and temperature control，oxygen reduction and temperature reduction” are proposed，formulating the “Trinity” forecasting method.

A comprehensive fire prevention scheme is constructed of

“coal pillar reinforcement，construction of isolation belts to stop leakage and oxygen control，nitrogen injection for inerting oxygen and temperature reduction and glue injection”.The on-site practice shows that：During the harvesting period of the working face，targeted prevention and control measures are adopted such as reinforcement of coal pillar broken belts，construction of isolation belts，regional wind control，nitrogen

injection to reduce oxygen，and glue injection to reduce temperature，the CO concentration in the return air corner drops below 10×10-6，and the fire coefficient R2×100 drops below 0.1，which effectively prevented the spontaneous

combustion of the remaining coal in the goaf，and ensured the safe recovery of the working face support.The research results provide a reference for the fire prevention of similar working faces in other mining areas.

Key words：coal spontaneous combustion;isolated island working face;extra-thick coal seam;monitoring forecast;fire prevention technology

0 引 言

我国是煤炭生产及消费大国，在相当长时间内煤炭依然是我国最重要的能源资源[1]。随着煤炭开采强度的不断增强，需要新建及扩建矿井来应对煤炭需求量增加的问题，这样势必造成煤矿灾害增多[2-4]。在矿井五大灾害中火灾事故最为突出[5]，其主要表现形式为煤自燃灾害[6-8]。据统计因煤自燃导致的火灾占矿井火灾总数的为70%[9-12]。矿井一旦发生煤自燃火灾，轻则影响生产，重则造成人员伤亡，严重威胁着矿井安全生产，因此，防火工作在矿井生产过程中显得尤为重要[13-16]。近年来，学者们在煤自然发火防控理论及技术等方面已经做了大量的研究[17-21]。金永飞等通过分析花山煤矿4238工作面高冒区的发火原因、过程及治理难点，基于液态CO2汽化吸热及惰化降氧的原理，采用井下注液态二氧化碳的方法成功治理了高冒区的发火隐患[22];邓军等对孟巴矿特厚煤层1210孤岛工作面在高温高湿环境下可能导致煤自然发火的原因进行了分析，采用监测、胶体堵漏及注氮惰化等措施保证了工作面的生产[23];常绪华等通过对现场数据实时监测，分析了采空区漏风范围、浮煤厚度及气体浓度变化规律，进而划分出孤岛面煤自燃危险区域确定了煤自燃氧化升温带范围，为防火工作提供了帮助[24];杨焱等分析运河矿1302孤岛综放面在回采过程中，会产生多种漏风源及漏风汇，形成复杂的漏风通道问题，针对多源多汇问题通过现场数据监测及数值模拟相结合的方法判定该工作面的“三带”分布规律，为孤岛工作面防火提供指导[25]。上述学者均以堵漏惰化为思想，提出注水注浆及喷阻化剂等多种防治技术且取得成效，但不同条件下采取的措施不尽相同。唐家会煤矿61102工作面为孤岛工作面，在回采过程中揭露断层，地质构造复杂，在回采过程中受采动及冲击地压的影响，煤柱和顶板容易被压酥、压裂产生裂隙，导致61102进回风巷道与相邻采空区相互贯通形成漏风通道。在顶板跨落及失稳特性的影响下，工作面推进速度缓慢，给遗煤自燃提供了氧化时间，增大自然发火的几率。针对唐家会煤矿61102孤岛综放面实际情况，提出了“控氧控温、减氧降温”的防火思路，通过采取煤柱加固、封堵漏风、惰化降氧及注胶降温等综合防火措施，为工作面的安全收作提供了保障。

1 工作面概况唐家会煤矿为了不受相邻工作面生产影响及煤层瓦斯防治需要，工作面之间采用跳采的方式进行生产，这样就形成了孤岛工作面。唐家会煤矿首采面61101工作面采完后直接回采61103工作面，导致61102工作面相邻两侧均为采空区，形成孤岛工作面，如图1所示。

61102工作面北部为61101工作面，南部为61103工作面，标高为+774.5～+798.2 m，走向长度1 007.1 m，倾斜宽度233.8 m。煤层倾角0～4°，煤厚13.7～22.2 m不等，平均厚度18.3 m。工作面采用长壁后退式综合机械化放顶采煤法，采高约4 m，采放比约为1∶3，回采率约为93%。煤层顶底板属中硬型岩体结构，具有典型脆性岩石变形破坏特征，受采动影响破坏范围大，影响程度高。煤层为长焰煤煤种，属于Ⅰ类容易自燃煤层，最短自然发火期为35 d。工作面采用“U”型通风方式，运输巷进风、轨道巷回风。

2 收作期间煤自燃原因分析根据煤自燃特性及现场工作面环境因素，对造成采空区煤自燃的原因进行分析。

2.1 遗煤堆积61102工作面采用综放开采技术，采放比约为1

∶3，回采率约为93%，对于大采高综放而言回采率较低，致使采空区内有大量遗煤。根据现场观察，在采掘过程中受到冲击地压的作用，煤体跨落，容易形成松散状态，堆积在两顺槽内，随着工作面的推进，遗煤进入采空区深部，在一定的漏风供氧条件下，遗煤蓄热升温达到煤的着火点，引起煤自燃灾害。

2.2 相鄰采空区呼吸作用61102工作面南北两侧均为采空区，受冲击地压的影响，煤柱容易破裂形成漏风通道，在主扇风压和自然风压的作用下，工作面与相邻采空区会出现“呼吸”现象（即随着外界风压、气压等因素影响，本孤岛工作面与相邻采空区气压存在差异，通过破碎煤柱进行气体交换现象）。在“呼吸”作用下，破碎的煤柱及煤柱侧采空区内的浮煤受到漏风供氧的影响，容易氧化自燃，大大增加了自然发火的危险。唐家会煤矿61102进风顺槽与61103采空区、回风顺槽与61101采空区煤柱内安设U型水柱计同步观测内外压差变化数据，如图2所示。

从图2可知，若当内外压差为正值时，说明采空区内的气压大于顺槽内的气压，相邻采空区的有毒有害气体会通过漏风通道涌入顺槽内，对现场工作人员造成威胁;当内外压差为负值时，采空区内的气压小于顺槽内的气压，顺槽内的气体流入采空区，为采空区浮煤提供了良好的供氧条件。且内外压差绝对值越大，说明相邻采空区与进回顺槽之间的压差越大，呼吸现象越明显。在长期“呼吸”作用下煤体破碎区内漏风供氧，容易发生自燃。

2.3 氧化时间61102工作面煤层属于Ⅰ类容易自燃煤层，其最短自然发火期为35 d。工作面在末采阶段推进速度相对较慢，在受采动覆岩垮落、冲击地压及过断层的影响，推进速度变得更加缓慢，采空区氧化带宽度大，其中6月份推进速度约为1.2 m/d;此外6月15日工作面临时停采10 d。都为遗煤氧化蓄热创造了条件。

3 收作期间煤自燃综合防控技术61102工作面在停采收作期间，工作面相当于处在静止状态，此时，往往会发生煤自燃危害。为了防止采空区遗煤自燃，需采取一系列防火措施。通过对61102工作面煤自然发火原因及特点分析，确定以“控氧控温、减氧降温”为主的防火思路，采取建隔离带煤柱加固、堵漏控氧、注氮惰化及注胶降温等综合防火措施，预防采空区遗煤自燃危害，确保工作面的安全收作。

3.1 煤柱加固61102工作面受采动影响形成“C”型覆岩空间结构，导致煤柱产生不同程度的变形，根据对61102进风顺槽与61103采空区、回风顺槽与61101采空区内外压差数据分析，确定相邻采空区存在“呼吸”现象。因此，需要对沿空巷道及联络巷存在的破碎区域喷涂KA-DL材料进行加固堵漏处理。其中，距离主回撤巷道40～60 m处至主回撤巷道范围内，3#，2#，2#～1#联巷两帮及破碎带分别喷涂KA-DL材料960，1160，800，580 kg，喷涂位置为红色区域如图3所示。通过喷涂KA-DL材料不仅保证了煤柱不会因冲击地压而压裂又很好的预防了相邻采空区之间的相互贯通现象。

3.2 堵漏控氧

3.2.1 建隔离带在工作面上、下隅角建沙袋密闭墙，表面进行喷涂堵漏形成临时隔离墙;两端支架20 m范围内布置风帐形成挡风墙，以防大量风流漏入采空区。沙袋密闭墙及挡风墙示意图如图4、5所示。

3.2.2 控制风量

1）采空区整体控风：工作面回采至停采线时，调整工作面的通风系统，将风量由停采前1 400 m3/min，降低到600 m3/min，并根据回撤实际进度及工作面气体指标的实际情况，对通风量做出相应的调整。2）重点区域控风：在工作面距停采线约30 m处后，开始停止放煤，并在30 m处及终采位置液压支架架尾5 m位置处各施工一道防火隔墙，其厚度为3 m。且对最后一道墙体喷涂KA

-DL矿用堵漏剂，达到固化堵漏风的效果。3）局部控风：当工作面与主回撤通道相贯通时，将主回撤通道的控风设施进行拆除，采用局部通风的方式对拆架过程中顶板垮落导致通风不畅的地方进行送风。并对采空区所对应的地面位置进行沉降观测，对大于50 mm的裂隙进行填埋处理，减少地表漏风的概率。

3.3 惰化降氧针对61102工作面现场环境及遗煤自燃特点，对采空区实施注氮措施。在工作面运输顺槽预埋3趟注氮管路，1#注氮管：释放口距停采线85 m，2#注氮管：释放口距停采线45 m，3#注氮管：释放口距停采线20 m。共注氮量约537 600 m3，其中，1#注氮管于12月10日～12月19日累计注氮量约为

172 800 m3;2#与3#注氮管于12月17日～1月23日累计注氮量约为364 800 m3。

3.4 注胶降温针对工作面防火需求，施工巷道防火孔（主回撤通道及联巷）和支架防火孔（架间、架顶及架后）2种防火孔，总计施工钻孔约215个。采用西安科技大学研发的井下移动式注胶机和XKM16高分子材料，通过防火孔治理隐患区，以达到降温隔离的作用，保证工作面收作的安全。钻孔施工图及注胶工艺图如图6、7所示。

巷道防火孔：61102主回撤3条联巷周围共计施工了38个防火孔。其中帮部4 m深防火孔20个，顶部8 m深防火孔18个。支架防火孔：61102工作面运順到回顺方向每5架架顶、架尾各施工1个1.5 m浅防火钻孔，105#～133#架每架架顶、架尾各施工1个1.5 m浅防火钻孔，约为96个。补打4 m深防火钻孔81个，其中，架间6个（运顺端头1#，2#，3#支架架间各2个）;架顶54个（50#～55#，70#～79#，98#～108#，110#～133#架）;架尾21个（16#～31#，86#～89#，109#～119#架）。于12月19日正式向防火钻孔注高分子材料，巷道防火孔注胶4 137 kg，支架防火孔注胶5 955 kg，累计注胶约为10 092 kg。

4 监测监控及防火效果分析

4.1 煤自燃监测监控为进一步对煤自燃动态进行实时监测，采用“三位一体”（即监控系统、定期取样及人工检测）方法对采空区气体及温度等数据进行检测，根据气体及温度数据对采空区煤自燃情况做出预测，进而采取相应防火措施，保证工作面安全收作。

4.1.1 束管布置工作面与主回撤通道贯通前，在运顺距停采线100，50，10 m处预留束管，回顺距停采线60，

30，10 m处预留束管，束管利用D25钢管进行保护，安设滤水器，束管埋入采空区后每天取气分析。

4.1.2 监控系统

停采后将传感器移至安全区域，利用运顺退尺1 015 m、回顺退尺986 m的2个防火观测点，通过煤火灾害监测预警系统对相邻采空区防火指标实现24 h在线监测。工作面回采至距停采线100 m开始，每天有专人对相邻采空区密闭墙完好程度、墙内气体情况及墙内水压进行检查，发现异常情况立即采取措施。

4.1.3 人工日常巡检测点设置：工作面2#，14#，16#，120#，24#，28#，30#，31#，35#，40#，44#，50#，55#，60#，65#，69#，70#，75#，80#，85#，89#，90#，94#，100#，105#，108#，110#，114#，120#，126#，128#支架顶部采空区;进、回风顺槽端头隔墙内;回风隅角;回风流;拆架处。检测参数主要包括CO，O2，CO2，CH4和T（温度），工作面测点每小班检查2次。

4.2 防火效果分析61102孤岛工作面于12月14日推至停采线位置。通过数据实时监测得到工作面回风隅角11月14日～12月29日CO，O2浓度及火灾系数R2（R2=（+ΔCO）/（-ΔO2））变化规律如图8所示。

从图8可知，61102工作面回风隅角、采空区气体浓度和火灾系数R2均比较稳定，表明防火措施效果良好。当工作面推采至停采线后，氧气浓度维持在16%～19%，回风隅角CO浓度由前期的20×10-6～50×10-6降至10×10-6～20×10-6;火灾系数R2×100由前期的0.1～0.3降至0.1以下。

5 结 论

1）通过监测61102进回风顺槽与相邻采空区的气压变化，分析了与相邻采空区存在“呼吸”现象，并从遗煤堆积及氧化蓄热方面阐述了61102孤岛工作面遗煤自燃的原因。2）基于61102孤岛工作面遗煤自燃特点，以经济高效防火为出发点，提出了“控氧控温、减氧降温”为主的防火思路，制定了“三位一体”煤自燃预测预报方法及多技术协同的综合防火措施，为工作面的安全收作提供了保障。3）通过采取煤柱加固、建隔离带堵漏控氧、注氮惰化降氧及注胶降温等针对性防火措施，并对现场实时数据进行监测监控。实践证明，所制定的防火方案有效地预防了收作期间煤自燃灾害的发生，为其他矿区类似工作面的防火工作提供了参考依据。

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