复杂地质条件下自燃煤层切顶留巷防灭火技术研究

李国军

（中煤新集能源股份有限公司新集一矿，安徽 淮南 232180）

切顶开采全称工作面切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术，通过在工作面煤层回采前采用爆破技术，形成完整的采空区侧定向预裂顶板，在矿山压力作用下，顶板沿预裂切缝自动切落形成巷帮，能将传统一面双巷改变成一面单巷的采掘模式。目前，切顶开采技术凭借自身巷道掘进量低和资源回采率高等优势，被广泛应用在国内各大矿区。但从目前其实际应用情况来看，切顶开采后采用自动切落形成巷帮的形式漏风严重，不利于采空区防灭火管理，尤其在复杂地质条件下自燃煤层切顶留巷过程中表现的尤为突出。因此，有必要开展复杂地质条件下自燃煤层切顶留巷防灭火技术[1-6]研究工作。

1 工作面概况

360804 工作面是3608（6）采区首采工作面，其开采的8 煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，煤层自然发火期一般3～6 个月，最短自然发火期为34 d。工作面设计切眼至设计停采线范围，风巷可采走向长1 501.8 m，机巷可采走向长1 558.2 m，工作面平均可采走向长1530 m，工作面平均倾斜长180 m，工作面可采面积276 910.1 m2。根据360804 工作面煤层赋存情况、地质条件，并结合自身开采经验，确定在本工作面轨道顺槽外段停采线内进行切顶卸压沿空留巷开采。

2 地质构造

2.1 褶曲

结合实际揭露地质资料，该区域发育有平行正断层F10 的近乎东西延展向斜构造，受其影响煤岩层产状、厚度变化较大。360804 工作面与360802 工作面受向斜构造影响，其中360802 工作面受影响较大。360804 工作面实揭地质资料分析，3608 采区8 煤层总体为一向斜构造，煤岩层走向70°～95°，倾向340°～0°，倾角3°～26°，平均11°。

2.2 断层

360804 工作面北部为F10 断层，360804 工作面里段轨道顺槽位于谢桥向斜轴内，根据实际揭露的地质资料综合分析，结合以往实际经验验证，该区域地质构造极其发育。该区域8 煤断层主要以北东向断层为主。工作面北侧区域受F10 断层影响，其次生断层较为发育，落差相对较大的断层附近，断层组合现象较为明显，断层落差由南向北逐渐变大。从360804 轨道顺槽揭露f241107-28、F418-1、F360804-19、F041、F064 断层可以看出，该区域断层附近煤岩层产状和厚度变化较大，断层落差向南逐步减小至尖灭，向北逐步增大至F10 大断层相接，受F10 断层影响，断层延展较长，落差变化快。工作面围面期间共揭露42 条断层，影响本工作面回采影响较大的断层有13 条。

3 工作面切顶开采不同阶段防灭火措施

3.1 正常回采期间防灭火措施

3.1.1 回采管理

综采队及时调整回采，控制采空区丢煤，提高回采率，确保中厚煤层综采工作面回采率不低于95%，工作面月推进度不得少于60 m，有效消除煤层自然发火隐患（如图1 所示）。

图1 工作面束管监测系统示意图

3.1.2 防火监测

1）在工作面回风顺槽距回风巷口10～15 m 处设置安装1 台CO 传感器（报警值≤2.4×10-5）和1 台温度传感器（报警值30 ℃），对回风流CO 和温度实时连续监测。每周测定1 次防火观测站处风流中CO、CO2、CH4等气体参数，如发现异常情况，要查找原因，采取措施处理。

2）利用JSG6N 束管监测系统，在360804 轨道顺槽将束管埋入工作面回风隅角挡墙内深度分别约为20～40 m、40～60 m、60～80 m，连续监测采空区自然发火情况。

3）留巷段回采期间，利用柔模墙顶部每隔15 m 设置一个观测孔，每天对360804 轨道顺槽密闭墙、柔模墙观测孔与360802 外段风巷煤柱观测孔采集气样进行色谱分析，及时掌握采空区自然发火情况。

4）瓦检员每班3 次对工作面上隅角、最后一台支架后部、工作面回顺出口10～15 m 处的CO、O2、CO2、CH4和T（温度）进行检查。

3.1.3 漏风控制

1）切顶留巷回采期间，每10 m 在上隅角设置挡墙，实现对采空区分段封堵，减少采空区漏风。挡墙采用阻燃抗静电编织袋装煤（矸）垒设成墙，墙与顶、底和帮部要封实（如图2 所示）。

2）根据工作面瓦斯涌出量大小，合理调控回风隅角和钻孔抽采负压。调整期间，通风区做好工作面局部地点的瓦斯管理工作，防止瓦斯积聚。

3）柔模要进行及时浇注，滞后支架距离不得超过10 m。在柔模浇注前，为防止漏风，采用挂风筒布的方法进行临时封闭。

4）柔模端部采用月牙型结构，两柔模间有侧向绑扎条，能够保证在接茬处形成月牙型包裹，正常情况下满足采空区封闭的要求。特殊情况下，采用喷注充填材料进行封闭。

3.1.4 防灭火技术

与切顶留巷前相比，为保证工作面切顶留巷期间防火安全，采取以下措施：

1）以连续注氮为主，辅以预防性灌浆、预防性注液态CO2的综合防灭火措施。其中，注氮流量不少于10 m³/min；预防性灌浆每三天不少于1 次，每次不少于30 m³。

2）在360804 轨道顺槽增设一路注氮管路，根据柔模墙观测孔内气体与温度情况，对360804 采空区进行注氮。

3）在360804 胶带顺槽铺设一路注液态CO2管路，根据采空区气体与温度情况，对360804 采空区进行注液态CO2，切顶留巷期间每周灌注一次液态CO2，每次10 t（如图3 所示）。

图3 工作面注液态CO2 防灭火系统示意图

3.2 工作面过构造期间防火措施

1）工作面过断层期间，做好工作面采高调整的技术指导和遗煤量的预测预报工作，生产单位要提高煤炭回采率，严禁留顶煤开采。主要采取措施：① 准确描述断层的产状要素，研究方案，提出可行的措施，在保证安全通过的情况下，最大限度地回收煤炭资源；② 由职能科室负责检查生产单位的浮煤清理情况，浮煤平均厚度均不超过0.03 m，确保工作面回收率达标；③ 严格执行回采率奖罚制度，杜绝工作面丢顶、底煤现象。

2）工作面过构造期间，抽排综合队应加密对工作面回风隅角、回风流和抽采管内自然发火指标普查力度，对出现CO 的地点进行取样分析。

3）工作面过构造期间，当采空区出现自然发火隐患时（2.4×10-5≤CO 浓度＜5×10-5），对架后遗煤地点采取洒浆措施，消除采空区自然发火隐患（如图4 所示）。

图4 工作面注氮防灭火系统示意图

3.3 工作面回撤期间防灭火措施

1）停止工作面瓦斯抽采，以减少采空区漏风。停抽期间通风区要安排专人加强现场瓦斯观测及管理。若现场因瓦斯管理确需打开抽采系统，应控制抽采流量≯20 m3/min，同时防火队要密切关注抽采管内情况，当抽采管路内CO 气体浓度达到2.4×10-5且逐步升高时，应控制抽采流量直至停抽，并对采空区采取灌浆、注氮等有效措施处理，确定CO 降到2.4×10-5以下时方可逐渐恢复抽采。

2）每天对该工作面所有巷道进行不少于1 次的全面普查，对易出现自然发火隐患的托顶煤段、部分综采支架架间煤体、架后采空区等列为防灭火普查的重点，加强检查。每天对轨道顺槽挡墙内、柔模墙观测孔、采空区束管及360802 外段风巷小煤柱观测孔内气体情况进行1 次认真检查，并对气样进行色谱分析。

3）工作面每10 架布置一个观测孔，观测孔内CO 浓度高于2.4×10-5并有持续上升的趋势，对高温点应及时采取插管注氮措施或对该测点附近煤体采取注水、注防灭火材料、碳酸氢铵与水玻璃混合凝胶等防灭火措施，消除煤层高温点。

4）在轨道顺槽外口、距回风联巷口10～15 m位置设立自然发火观测站，悬挂CO 及温度传感器，对采面回风流中的温度及CO 浓度进行24 h 连续检测。当风流CO 浓度超过2.4×10-5时，必须立即停止工作，切断电源，撤出人员，并向矿调度汇报，检查原因，处理好后方可继续作业（如图5 所示）。

图5 工作面灌浆防灭火系统示意图

3.4 工作面封闭后防灭火措施

密闭墙构筑必须选定在距巷道口不大于5 m 的地点，构筑密闭墙时要选择巷道顶板支护完好、压力小且无淋水的地点。实施工序和施工要求如下：

3.4.1 准备工器具

1）准备便携式氧气、一氧化碳、甲烷检测仪。

2）准备铁锹、大铲、水桶、软管、断线钳、扳手等。

3.4.2 检查作业环境

1）检查作业地点通风及有毒、有害气体情况：保证通风良好，有毒有害气体不超限，符合规定要求。

2）检查作业地点巷道支护情况：巷道支护良好，无漏顶，无片帮；作业地点无杂物、无淤泥、无积水。

3.4.3 断开导电物体

断开密闭施工巷道内外相连的轨道、金属网、管路、电缆等导电物体。

3.4.4 砌筑密闭墙

1）360804 胶带顺槽

防爆墙：在360804 胶带顺槽与360804 胶带顺槽回风联巷三岔口以东约9 m 处向东设置一道防爆墙。防爆墙由黄沙组成，总长度为8 m，必须覆盖全断面，需设置观察孔1个、措施孔2个、放水孔1个。

永久密闭墙：在360804 胶带顺槽与360804 胶带顺槽回风联巷三岔口以东5 m 处设置1 道混凝土墙密闭（密闭厚度不小于4 m），需设置观察孔1 个、措施孔2 个、放水孔1 个。

2）360804 轨道顺槽

在360804 轨道顺槽柔模混凝土墙与360804 收作巷三岔口沿采空区侧向南施工1 道柔模混凝土墙（厚度不小于1 m，长3 m），接着拐弯施工1 道柔模混凝土墙将360804 收作巷封闭，需设置观察孔1 个、措施孔2 个、放水孔1 个，然后接着外口360804 轨道顺槽柔模混凝土墙继续往外施工，必须超过360804 收作巷5 m。同时将收作巷闭墙上各路预留管延接出来（两墙之间设置木垛或注浆充填实，封闭结束后对柔模墙四周喷注浆处理）。

3.4.5 封闭墙的设置要求

1）应建在无动压、围岩完整，避开破碎带的地点；密闭距全风压巷道口距离不大于5 m；所有导电体在密闭处断开，在用的管路采取绝缘措施处理除外。

2）密闭墙喷注浆标准：连通采空区、过老巷段等封闭区域存在自然发火隐患的永久密闭施工前需对施工地点前后10 m 范围围岩进行喷、注浆，喷浆厚度不得小于100 mm，注浆压力不得小于3 MPa。抹面的墙面要求1 m2内凸凹深度不大于10 mm；无裂缝、重缝和空缝。

3.4.6 密闭墙设置要求

密闭墙按规定留观测管、反水管、措施管，伸入采空区密闭墙内500 mm，如图6 所示。具体要求如下：

图6 密闭墙管孔设计示意图（mm）

1）反水管。封闭有流水的巷道时，在闭墙施工完毕后必须构筑反水池，并压设泄水管，用于观测水温、疏放密闭内积水。泄水管高度距巷道底板0.3 m，泄水管选用4 寸（外径108 mm）的铁管配U 型管闸阀。

2）观测管。观测管直径不小于25 mm，设在墙高的2/3 处，观测管口处用螺纹配接长度为70～100 mm 的胶管连接装置。胶管连接装置焊接外径4 mm 细铜管，用于观测压差、气温和取样。

3）措施管。措施管直径不小于100 mm，安设在密闭顶部（离顶板0.3 m 处），以备注氮或注浆用。

4 防灭火效果检验

4.1 柔膜墙测孔

4.1.1 柔膜墙1#观测孔

图7 是柔膜墙1#观测孔O2浓度随采空区埋深的变化情况。由图7 可知，由于柔膜墙的漏风较大，氧浓度在60 m 之间约为20.03%，后期随采空区埋深的增加，氧浓度逐渐下降；在74.7 m 处时，有最小值为10.75%。

图7 柔膜墙1#观测孔O2 浓度随进入采空区深度变化曲线

图8 是柔膜墙1#观测孔CO 浓度随采空区埋深的变化情况。由图8 可知，CO 浓度主要在30～90 m 间整体呈现出先增大后减小的趋势，当测点进入采空区深度约71.5 m 处时，采空区CO 浓度达到最大值1.2×10-5。

图8 柔膜墙1#观测孔CO 浓度随进入采空区深度变化曲线

4.1.2 柔膜墙2#观测孔

由于柔膜墙的漏风相对较小，随采空区埋深的增加，氧浓度基本呈现下降趋势，在40.5 m 处时，有最小值为16.32%。CO 浓度随采空区埋深的增加，整体呈现出先增大后减小的趋势，当测点进入采空区深度约40.5 m 处时，采空区CO 浓度达到最大值1.4×10-5。

4.1.3 柔膜墙3#观测孔

由于柔膜墙的漏风相对较小，随采空区埋深的增加，氧浓度呈下降趋势，在59.3 m 处时，有最小值为16.12%。CO 浓度随采空区埋深的增加，当测点进入采空区深度约38.3 m 处时，采空区CO 浓度达到最大值1.1×10-5。

4.1.4 柔膜墙4#观测孔

由于柔膜墙漏风与注氮的影响，随采空区埋深持续增加，氧浓度呈先增加后下降趋势，但整体波动范围不大；在37.9 m 处时，有最小值为18.28%。CO 浓度随采空区埋深增加，当测点进入采空区深度约20.1 m 处时，采空区CO 浓度达到最大值1×10-5。

4.1.5 柔膜墙5#观测孔

由图9 可知，由于柔膜墙漏风大，增加采空区埋深，氧浓度基本在17.2%～20.42%波动。

图9 柔膜墙5#观测孔O2 浓度随进入采空区深度变化曲线

由图10 可知，CO 浓度随采空区埋深的增加，整体呈现起伏变化。当测点进入采空区深度约32.6 m 处时，采空区CO 浓度达到最大值7×10-6。

图10 柔膜墙5#观测孔CO 浓度随进入采空区深度变化曲线

5 结论

采用现场观测和理论分析相结合的方法，进一步完善切顶开采时期的防灭火系统，制定切顶开采不同阶段的防灭火技术与管理措施，形成完整的防灭火技术体系，有效验证防灭火效果，结论如下：

1）工作面切顶开采前，在360804 轨道顺槽增设一路注氮管路，在360804 胶带顺槽铺设一路注液态CO2管路。正常回采期间，采取以连续注氮为主，辅以每3 d 预防性灌浆一次、每周预防性注液态CO2一次的综合防灭火措施。

① 当采空区CO 浓度＜2.4×10-5，采取向采空区注水或预防性注氮措施；

② 当采空区2.4×10-5≤CO 浓度＜5×10-5，采取连续性注氮或灌浆措施；

③ 当采空区CO 浓度≥5×10-5，出现C2H4气体时，或温度超35 ℃时，连续性向采空区灌浆和注氮，必要时采取灌注液态CO2或喷注阻化剂等防火措施。

2）工作面过构造期间，对架后遗煤洒浆或喷洒阻化剂，同时根据工作面瓦斯涌出量大小，调整工作面瓦斯抽采量，以减少采空区漏风。

3）通过柔模墙的观测孔，测定观测孔内气体浓度和温度变化，发现柔模墙均有不同程度的漏风，CO 浓度为最大值1.5×10-5，温度约在33 ℃。