煤矿工作面上覆采空区发火与有害气体综合防治技术

范康

（晋神沙坪煤业有限公司，山西 忻州 036500）

1 概 况

沙坪煤业为生产矿井，核定生产能力400万t/年，采用综合开拓方式，其中主斜井、副平硐及进风斜井进风，回风立井回风。目前矿井开采水平标高为+790 m，开采13号煤层；矿井通风方式为中央分列式，通风方法为机械抽出式。

13103综放工作面为13号煤层首采工作面。井下位于13号煤主运大巷以南，井田南部边界距13 103切眼28.6～58.6 m。13103综放工作面推采长度为1 674 m，工作面长度为240 m，煤层可采面积为401 760 m2。13103综放工作面煤层厚度为8.4～21.4 m，平均厚度为13 m，平均倾角3°。13103工作面采用走向长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法，日产出煤量为12121 t。

13103综采工作面上覆原火山煤矿8号、9号煤层采空区、南正沟煤矿8号煤层采空区，间距同层500 m范围内无其它小窑及采空区。

2 上覆采空区探测情况

沙坪矿开展自燃隐患区域的火源精确探测，进行了测温、测气和同位素测氡工作。氡值异常区均在13号煤层开采巷道和南正沟煤矿废弃巷道附近，氡值异常区主中心位置氡值均超过10 000 Bq/m3，远远大于发火氡值临界值，因此该区域为发火异常区，如图1所示。

图1 1 31 03工作面上覆采空区发火异常区示意Fig.1 13103 working face goaf fire anomaly area indication

通过井下向8号煤层采空区探查钻孔，分析钻孔内气体组份，显示存在较高浓度CO气体。探测结果表明沙坪矿煤层自燃危险性大、老窑采空区疑似火区较多、煤层埋藏浅、煤层数量多、层间距小，井下巷道走向、采空区分布状况掌握不够精确，矿井负压通风易将气体从漏风通道抽入井下。

3 煤层发火隐患治理

3.1 注氮治理技术

3.1.1 注氮管径

按经济流速采用下式计算：

式中：d为注氮管内径，mm；Q为管内混合氮气流量，取10 m3/min；V为管内混合氮气经济流速，m/s，一般为10～15 m/s，取12 m/s。

经计算，d=132.98 mm。

考虑到注氮管需要埋设在工作面采空区内，所以选择外径为150 mm，壁厚8 mm的无缝钢管。3.1.2 供氮管路压力计算

式中：P1为管路初端的绝对压力，MPa；P2为管路末端的绝对压力，取0.2 MPa；Qmax为最大输氮流量，取600 m3/h；D0为基准管径，取150 mm；Di为相同直径的输氮管径，mm；Li为相同直径管路的长度，考虑到最大的输氮压力，取2 km；λi为实际输氮管径的阻力损失系数，取0.025；λ0为基准管径的阻力损失系数，取0.026。

由于设备布置在大巷的端头，向工作面输氮要有一些拐弯，因此考虑20%的局部阻力，即0.25 MPa，因此，对于布置于采区的最远端工作面也有足够的输氮能力。

3.1.3 输氮管路铺设

①管路的铺设应尽量减少拐弯，要求平、直、稳、接头不漏气，每节钢管的支点不小于两点，不允许在管路上堆放他物。低洼处可设置放水阀；②输氮管路的分岔处应设置三通和截止阀及压力表；③输氮管路应进行防锈处理，表面涂黄色油漆；④定期对输氮管路进行试压检漏。

结合目前实际情况，注氮管路路线可以布置为：注氮机组（主斜井工业场地）—主斜井—13号煤主运大巷—13103胶运顺槽、13103辅运顺槽—10-2号钻孔—10-1号钻孔—17号钻孔—16号钻孔—18号钻孔—19号钻孔—20号钻孔—21号钻孔—22号钻孔，注氮管路如图2所示。

图2 注氮管路示意Fig.2 Nitrogen injection pipeline

3.2 均压通风技术

均压防灭火的实质是利用风门风窗、风机等调压设施，改变漏风区域的压力分布，降低漏风压差，减少漏风，从而实现控制遗煤自燃、惰化火区、熄灭火源的目的。

矿井采用负压通风，采空区漏风造成CO涌出。漏风通道一是邻近煤矿越界开采造成8号煤采空区与13103工作面导通漏风，二是工作面供风量最大时，造成采空区漏风量增大，使CO涌出。

均压采用风门—局扇联合降压调节。通风队必须在胶运顺槽设置好两道调节风门，在辅运顺槽安装好两台局部通风机（一用一备），按照风量分配方案进行风量调节，确保工作面风流的压能比原来有所降低，减少或杜绝风流涌向采空区。选用4台FBD№11.2（2×75 kW）局部通风机，“两两并联”起来使用，其中两台运行，两台备用。

13103回采工作面均压设施（风机、风门）全部安装完毕，工作面及顺槽人员全部撤出。风机使用前，必须经机电部检修完好后方可入井使用。试验“双风机双电源自动切换”及“两闭锁”功能完好。调风前及时汇报调度室，并清点当班井下人员人数，确定工作面及两个顺槽无人之后，关闭工作面所有电气设备电源。

启动均压风机，同时设专人关闭13103辅运顺槽的两道调节风门，工作面均压系统通过调整调节窗的面积应由大到小逐渐调控，掌握风量及压力变化情况，保证均压通风系统效果。通过调节13103辅运顺槽风门调节风窗的面积，调节均压工作面的风量和风压，且胶运顺槽与辅运顺槽风门压差差值均衡。待工作面风量风压稳定、且有害气体浓度得到控制后，确认工作面CH4浓度小于0.8%，CO2浓度小于1.2%，CO小于24×10-6，且O2大于18%时，方可给13103回采工作面送电。

4 低氧隐患治理

4.1 抽采治理技术

由于13号煤层为长焰煤，低温氧化现象非常明显，造成采空区氧气被消耗，同时上覆采空区有害气体涌入，在通风负压作用的影响下，易造成工作面上隅角低氧现象。

抽采泵选择2BEC72型水环式真空泵，额定抽气量为583 m3/min。机械效率50-80%，取60%，实际抽采量可以达到350 m3/min。采空区有害气体来源于上覆及本煤层采空区，在矿井负压作用下，沿上隅角涌出，造成低氧，采取治理瓦斯相同方法，在大流量条件下进行采空区抽采，形成上隅角呈微入风状态，解决上隅角低氧问题。

在胶运顺槽空间条件允许情况下，采取两排φ426 mm管路交替埋设，即在超前支护段接设两排φ426 mm，分管路加设阀门。第一排管路进入采空区5 m时，开始抽采，进入采空区10 m时，埋入第二排管路；第二排管路进入采空区5 m时，打开第二排抽采支管，断开第一排抽采支管，并回撤5 m管路；第二排抽采支管进入采空区10 m时，第一排管路继续埋入，进入采空区5 m时，断开第二排抽采支管，并回撤5 m管路。超前支护段接设两排管路350 m左右，在350 m位置设置三通，与巷道内支管路连接。管路沿巷道中下部接设，吊挂在巷道煤壁。13103工作面回采至管路三通位置，再根据采空区CO情况，重新接设三通及分管路。埋管抽采如图3所示。

图3 埋管抽采示意Fig.3 Schema of buried pipe drainage

4.2 控制漏风技术

4.2.1 设置挡风帘

在工作面上下隅角悬挂挡风帘，对工作面风流起到导风的作用。另外，对隅角进行喷浆处理，减少向采空区漏风。

4.2.2 打隔离墙

将水玻璃按一定比例在井下采用移动式注浆设备直接加入到灰水比1∶4～1∶5的粉煤灰浆后，形成混合溶液，经矿井防灭火注浆管路将其输送至充填地点，与放置于充填地点附近的充填泵所压入的促凝剂水溶液充分混合后，经预先布置的充填钻孔进入碎煤体中，发生化学反应形成含水量较大的胶体泥浆。

采用进风隅角封堵长度5 m，回风隅角封堵7.5 m。根据粉煤灰凝胶在破碎煤体中流动性进行布钻孔，进风隅角布置3个钻孔，回风隅角布置2个钻孔，孔间距1.5～2.5 m。根据采空区顶板冒落情况，向采空区施打钻孔应尽量靠近采空区顶板。

如果两道冒落不实，为减少压注材料泄漏，首先用沙土袋（或碎煤袋）封堵端头支架（或过渡支架）后部末冒落实的空洞，如图4所示，沙土袋的厚度（沿走向）为1～2 m，高度接顶，然后再通过钻孔压注材料。

图4 采空区两道沙袋充填示意Fig.4 Filling instructions of two sandbags in goaf

5 结 语

沙坪煤业采取注氮气、均压通风等治理措施后，通过施工钻孔探测观察到采空区内CO浓度下降，高温点消除；通过控制漏风、抽采治理等技术降低了上隅角CO浓度，改变了上隅角风流状态，增大上隅角氧气含量，CO、O2气体浓度均达到标准要求。

目前13号煤首采工作面已顺利推进700 m以上，后部上覆采空区内CO浓度普遍不高，工作面已经推过自然发火威胁区域，上述措施有效消除了采空区高温氧化点，控制上隅角低氧隐患，实现了13号煤层首采工作面的安全回采。