易自燃厚煤層綜采工作面收作階段防滅火技術(shù)研究

劉雪莉，游繼軍

(1.安徽新華學(xué)院 土木與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230088；2.淮南礦業(yè)集團 泊江海子礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

煤炭自燃是我國煤礦安全生產(chǎn)面臨的一大突出災(zāi)害，中國大型礦井中約有72.1%的礦井存在煤層自燃災(zāi)害[1]。煤礦井下自然發(fā)火易誘發(fā)火災(zāi)、瓦斯爆炸等事故，產(chǎn)生的有毒有害氣體，嚴(yán)重威脅礦工生命安全，惡化自然生態(tài)環(huán)境，其中采空區(qū)遺煤是誘發(fā)煤礦火災(zāi)的主要原因之一[2-4]。對于采煤工作面而言，防止煤層自然發(fā)火的重點區(qū)域為“兩道兩線”，兩道即工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷；兩線為工作面的開采線、停采線。其中開采線在工作面收作階段已進(jìn)入到窒息帶，不會存在自然發(fā)火隱患，而工作面進(jìn)、回風(fēng)巷及停采線在工作面收作階段就成為防火重點區(qū)域，尤其是當(dāng)工作面停采線附近煤層頂板破碎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，直接影響工作面的開采速度及設(shè)備回撤進(jìn)度，進(jìn)而延長了工作面封閉時間，增加了采空區(qū)防火的難度，因此研究工作面在收作期間采空區(qū)自然發(fā)火的防治措施具有極其重要意義[5-9]。

1 煤層自然發(fā)火研究現(xiàn)狀

根據(jù)自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)理論，當(dāng)空氣中氧氣被煤體表面各種活性自由基團吸附時，即產(chǎn)生過氧化物自由基，并放出熱量，同時與煤中氫化芳核進(jìn)一步反應(yīng)，生成氫化過氧化物，遇熱分解生成新的自由基，從而導(dǎo)致煤體自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)連續(xù)不斷地進(jìn)行[10]。防滅火措施通過破壞或終止煤自燃發(fā)生的條件，從而達(dá)到防與治的效果[11-12]。灌漿和注高分子材料措施是針對煤體吸附氧氣發(fā)生自由基反應(yīng)這一特性，將具有一定粘性且覆蓋和包裹能力較強的漿液灌注在浮煤堆中，隔斷煤體表面活性自由基團與氧氣的直接接觸，破壞活性基團對氧氣的吸附。在水中按比例加入極少量的滅火劑，即可形成高分子膠體，從而實現(xiàn)水的液固轉(zhuǎn)化，使其能夠在指定地點停留，包裹高溫煤體、堵塞煤體縫隙隔絕氧氣、降低煤溫、撲滅火源，并防止復(fù)燃[13-14]。注入氮氣等惰性氣體防火措施的機理就是沖淡浮煤堆放空間的氧氣濃度，當(dāng)氧氣濃度下降到一定程度(小于7%)時，煤體表面的自由基鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將會中止，從而起到阻止煤炭自燃的目的[15-17]。采空區(qū)端頭施工沙袋隔墻是最經(jīng)濟的一種防火措施，在進(jìn)風(fēng)端頭施工沙袋墻，可以減少進(jìn)風(fēng)端頭向采空區(qū)的漏風(fēng)，起到堵漏作用，在回風(fēng)端頭施工的沙袋墻，可以起到增阻的作用，降低采空區(qū)內(nèi)部與工作面之間的壓差，從而減小采空區(qū)漏風(fēng)量[18-20]。

2 工作面概況

泊江海子礦113101工作面為該礦井第一個綜采工作面，工作面可采長度2600m，寬度200m，采用傾斜長壁后退式綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面主采煤層為3-1煤，煤層傾角1°～3°，煤厚3.2～6.4m，平均厚度5.3m，3-1煤層為低變質(zhì)煤，煤類以不粘煤為主，含少量的長焰煤，屬Ⅰ類容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期29d。工作面停采線位于退尺點2575m，停采線附近3-1煤層厚度3.4～4.4m，煤層中部發(fā)育一層夾矸，夾矸上部煤層厚度0.7～1.2m，局部發(fā)育一層偽頂，由3-1煤上分層分岔后與夾矸組成；煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖、厚層狀，局部夾細(xì)砂巖薄層及煤線，層理極為發(fā)育，直接頂巖層厚0.9～1.1m；煤層基本頂為厚層的細(xì)砂巖、層厚8.0～9.0m；煤層底板以砂質(zhì)泥巖為主，3-1煤與下伏3-1下煤層間距3.8～4.3m，3-1下煤厚0.80～1.5m。停采線附近煤層柱狀圖如圖1所示。當(dāng)工作面開采至2560m位置時開始鋪網(wǎng)上繩，開采至2575m時上繩結(jié)束，開始刷面，刷面寬4.5m、高4m。工作面距離停采線100m位置時開始進(jìn)入收作階段，工作面距離停采線40m位置開始，為了頂板管理需要，開采時跟3-1煤層中部夾矸回采，致使夾矸上部0.7～1.2m的煤體全部垮落至采空區(qū)中，其中靠近進(jìn)風(fēng)巷丟頂煤更多，該部分煤體在采空區(qū)內(nèi)氧化，是導(dǎo)致后期液壓支架頂部出現(xiàn)高濃度CO的直接原因。

圖1 113101工作面停采線附近煤層柱狀

3 工作面收作期間防治自然發(fā)火措施

3.1 加強預(yù)測預(yù)報

(1)設(shè)點觀測 加強工作面回風(fēng)流、回風(fēng)隅角、采空區(qū)預(yù)埋設(shè)的束管防火檢查，同時在工作面設(shè)置27個防火觀測點，分別是：工作面回風(fēng)流，工作面液壓支架(10，20，30，40，50，60，80，100號)前探梁頂部、支架頂部以及支架后方采空區(qū)各設(shè)置1個觀測點；進(jìn)、回風(fēng)巷端頭沙袋墻后各1個測點，每小班安排專職人員對所有測點全面檢查一次。

(2)取樣分析 每天早班對工作面回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷(距停采線25m，75m，125m)、進(jìn)風(fēng)巷(距停采線15m、45m、105m)采空區(qū)束管觀測點、回風(fēng)流的測點取樣，利用氣相色譜儀進(jìn)行化驗分析。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測 利用工作面回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷安設(shè)的傳感器24h連續(xù)監(jiān)測CO，O2，T等參數(shù)變化情況。

(4)防火預(yù)報、預(yù)警 每天設(shè)專人分析工作面防火指標(biāo)氣體及預(yù)警指標(biāo)變化，繪制指標(biāo)氣體動態(tài)變化曲線圖，根據(jù)氣體指標(biāo)變化情況開展防火預(yù)報、預(yù)警工作。

3.2 封堵減漏

(1)進(jìn)、回風(fēng)巷施工沙袋墻。在工作面進(jìn)風(fēng)巷退尺點2480m，2530m(距離停采線95m，45m)、回風(fēng)巷退尺點2530m(距離停采線45m)位置各施工一道沙袋墻；工作面開采至停采線(2575m)后，在進(jìn)、回風(fēng)巷液壓支架后部再各施工一道沙袋墻，墻厚3m。墻體施工結(jié)束后利用隔膜泵和壓風(fēng)管對墻體及周邊噴涂LFM輕型充填材料，進(jìn)、回風(fēng)巷共計噴涂LFM材料0.3t，同時利用沙袋墻上預(yù)埋設(shè)的φ25mm鐵管向進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)注入MEA-1膠體以及高分子膠體防火劑，共計注入MEA-1膠體2t，高分子膠體防火劑1t。

(2)工作面停采后在進(jìn)、回風(fēng)巷端頭20架范圍以及兩端頭懸掛風(fēng)障，風(fēng)障到頂?shù)降?，敷設(shè)嚴(yán)密。

(3)工作面液壓支架架間注水、MEA-1膠體。利用錨桿機在工作面液壓支架(105，100，80，79，56，50，40，30，20，10號)側(cè)護板后方施工鉆孔，鉆孔角度45°，孔深4m，然后插入φ25mm的鐵管進(jìn)行注水、MEA-1膠體。

3.3 控風(fēng)降壓

工作面停采后，及時對工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，通過在進(jìn)、回風(fēng)巷各施工2道臨時通風(fēng)設(shè)施，將工作面的風(fēng)量從1720m3/min降至700～900m3/min。

3.4 注氮抑氧

利用工作面進(jìn)風(fēng)巷預(yù)埋設(shè)的注氮管路(停采后采空區(qū)內(nèi)的2根注氮管氮氣釋放口距停采線分別為50m，15m)向采空區(qū)注氮，從8月13日(距離停采線630m)～10月22日(距離停采線0m)，制氮機房開啟1臺制氮機，每天注氮24h，采空區(qū)注氮量30800～33300m3/d，從10月23日開始至工作面進(jìn)、回風(fēng)巷完成臨時封閉期間，開啟2臺制氮機，24h連續(xù)注氮，采空區(qū)注氮量51402～64227m3/d。

3.5 噴灑阻化劑、MEA-1隔氧降溫

113101工作面距停采線40m開始每天早班對進(jìn)、回風(fēng)隅角、液壓支架間的浮煤區(qū)噴灑CaCl2·2H2O，工作面開采至停采線后對液壓支架后的遺煤噴灑MEA-1膠體，封堵煤體表面裂隙，增加煤體蓄水能力，同時水分蒸發(fā)吸熱降溫，從根本上降低煤的氧化速度，延長自然發(fā)火期。

3.6 鉆孔注MEA-1膠體

10月23日開始對113101工作面自然發(fā)火隱患較大區(qū)域(52～53號架、56～57號架、62～63號架之間)進(jìn)行打鉆注膠體，鉆孔采用φ75mm的鉆頭施工，開孔位置位于兩液壓支架伸縮梁間的夾縫，鉆孔終孔點位于液壓支架后方采空區(qū)頂板向上5m處，終孔平面投影點位于液壓支架后方采空區(qū)10～15m，鉆孔施工至采空區(qū)后停鉆(不反水)，然后向鉆孔內(nèi)下φ50mm的鐵管，鐵管長度至孔底，3個防火鉆孔累計灌注MEA-1膠體2t。工作面收作期間防火系統(tǒng)布置如圖2所示。

圖2 113101工作面收作期間防火系統(tǒng)布置

4 防火措施效果評價

工作面于9月23日距停采線100m開始進(jìn)入收作階段，10月7日開采至停采線位置，11月7日工作面設(shè)備全部拆除完畢，并開始施工永久封閉墻。圖3和圖4分別為113101工作面收作期間回風(fēng)隅角CO濃度及火災(zāi)系數(shù)變化趨勢圖。根據(jù)113101工作面整個回采期間回風(fēng)隅角CO濃度及火災(zāi)系數(shù)變化規(guī)律得出，當(dāng)工作面回風(fēng)隅角的CO濃度小于200×10-6且火災(zāi)系數(shù)(100×(ΔCO/ΔO2))小于2時，采空區(qū)內(nèi)不會出現(xiàn)自然發(fā)火隱患[21]。由圖3和圖4可知：113101工作面整個收作期間回風(fēng)隅角CO濃度和火災(zāi)系數(shù)均呈下降趨勢，CO濃度前期在(55～149)×10-6之間，10月12日之后降至60×10-6以下，10月14日后降至24×10-6以下；火災(zāi)系數(shù)前期最大值僅為1.11，10月12日之后降至0.4以下，10月14日后降至0.2以下；這是由于工作面執(zhí)行24h連續(xù)注氮，每天注氮量30800～33300m3，降低了采空區(qū)內(nèi)的O2濃度，最大限度地抑制了采空區(qū)浮煤氧化，其次工作面進(jìn)、回風(fēng)巷施工的沙袋墻，減小了采空區(qū)的漏風(fēng)強度。

圖3 收作期間回風(fēng)隅角CO濃度隨O2變化關(guān)系

圖4 收作期間回風(fēng)隅角火災(zāi)系數(shù)變化

113101工作面收作期間50號液壓支架頂部出現(xiàn)高濃度CO(10月22日最大值553×10-6)，存在重大發(fā)火隱患，其原因有以下幾點：

(1)采空區(qū)丟煤過多，從9月30日(距離停采線40m)開始，工作面為了頂板管理需要，開采時沿著3-1煤中部夾矸回采，致使夾矸上部0.7～1.2m的煤體全部垮落至采空區(qū)中，呈松散狀態(tài)，該部分浮煤在采空區(qū)內(nèi)氧化，是導(dǎo)致50號液壓支架頂部出現(xiàn)高濃度CO的直接原因。

(2)通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重是采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火隱患的重要原因。

(3)防火管理不到位，現(xiàn)場預(yù)測預(yù)報未做到定點、定時、定人。

(4)防火預(yù)案準(zhǔn)備不充分，對于應(yīng)急措施中的防火材料、設(shè)備準(zhǔn)備工作滯后。

(5)工作面收作期間設(shè)備拆除工作進(jìn)展緩慢，時間過長，加劇了采空區(qū)的浮煤氧化程度。通過在52～53號架、56～57號架、62～63號架之間打鉆注MEA-1膠體，最終將液壓支架頂部的CO濃度降至20×10-6以下。圖5和圖6分別為液壓支架頂部CO濃度及火災(zāi)系數(shù)變化趨勢圖。由圖5和圖6可以看出，CO濃度及火災(zāi)系數(shù)都呈快速下降趨勢，這是由于通過鉆孔注入膠體后有效地封堵了通向液壓支架架后方遺煤區(qū)的漏風(fēng)通道，最大程度地降低了采空區(qū)的漏風(fēng)；其次，通過第2根注氮管路(注氮出口位于液壓支架后15m處)注氮，直接降低了液壓支架后方采空區(qū)的O2濃度，抑制了遺煤的氧化速度，從而使得CO濃度呈快速下降趨勢，最終消除了自然發(fā)火隱患。

圖5 113101工作面收作期間50號液壓支架頂部CO濃度隨O2變化關(guān)系

圖6 113101工作面收作期間50號液壓支架頂部火災(zāi)系數(shù)變化

5 總 結(jié)

(1)由工作面收作期間回風(fēng)隅角CO濃度及火災(zāi)危險系數(shù)的變化趨勢得出，控風(fēng)、堵漏、注氮是工作面收作期間最有效的防火措施。

(2)通過成功處理工作面收作期間液壓支架頂部出現(xiàn)的重大自然發(fā)火隱患，得出向采空區(qū)打鉆注膠體效果明顯，同時工作面在長時間停采情況下(靜態(tài)環(huán)境下)，氧化帶范圍向工作面方向收窄，在液壓支架后10～30m范圍內(nèi)。因此，在采空區(qū)遺煤較多、停采時間較長或收作情況下，要對深部采空區(qū)氧化帶(約40～60m)及進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)10～30m范圍采取注氮措施。