易燃大倾角厚煤层综放面停采撤架期间综合防灭火技术＊

金永飞 李海涛 王 栋 纵 峰

（1.西安科技大学教育部工程研究中心，陕西省西安市，710054；2.西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西省西安市，710054；3.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；4.陕西煤化集团崔木煤矿，陕西省宝鸡市，721599）

大倾角厚煤层自燃具有火源隐蔽，不易发现，煤层自燃过程发展期较长，一旦发现高温或明火，周围煤岩层已处于较高的温度，储存热量大，高温范围大，立体分布，产生贫氧氧化放热的特点，导致封闭灭火的周期长，且易复燃。从人为能够控制的角度考虑，煤层自燃火灾的防治主要需从降氧（封闭、减漏风、惰化）和降温两个方面着手。对于已形成的自燃高温和隐患区域，必须采取以降温为主的防灭火技术手段，否则极易复燃。

1 回撤面CO 超限过程

1.1 回撤面概况

崔木煤矿21302工作面采用综合机械化放顶煤开采工艺，工作面斜长200m，采高4m，放顶煤高度8m。工作面采用U 型通风，正常生产期工作面风量为2400m3／min。2014年2月24日，该工作面停采，工作面顶部挂网且不放顶煤，开始施工撤架通道；2月25日工作面开始回撤，在撤架期间由于回风流中多次出现CO 超限情况，采取通风风量调整后暂停撤架。

1.2 回撤期间防灭火技术措施

参照21301 工作面 “三带”测试结果，确定21302工作面自燃带范围为16～81 m。工作面在距停采线30m 左右开始挂网、做大棚，推进速度较慢。21302工作面收尾期间主要采取束管分析、钻孔定位、黄泥灌浆、氮气置换、端头堵漏的综合防灭火措施。

（1）束管监测。工作面距停采线回风巷50m、20m，进风机巷50m、30m 处，分别在21302进风机巷、回风巷采空区内预埋束管采样头，高度为1.5m，对采空区气体进行束管气样分析。

（2）氮气置换。距停采线20m、40m 处，在21302进风机巷预埋一趟注氮管路，工作面向采空区连续注氮，氮气浓度不低于97%。

（3）黄泥灌浆。在工作面推采至距停采线15m、60m 处在进风机巷预埋灌浆管路进行采空区灌浆，水土比为4∶1。

（4）端头封堵。工作面停采前在推进缓慢期间，每班必须在上隅角和下隅角垛袋封堵，减少采空区漏风量。

（5）降低风压。回采期间21302工作面配风量在1500m3／min 左右，停采后，在保证风排瓦斯不超限的情况下，将工作面供风降为800 m3／min左右，以降低进、回风侧的压差，减小采空区漏风。

1.3 CO 气体浓度超限过程

21302工 作 面 于2014 年2 月24 日 到 达 停 采线，由于矿压较大，顶煤散落极多，工作面上覆岩层破坏现象严重，支架未能在预定时间内及时回撤。2014年4月3日发现第100＃支架冒热气、挂汗，在上隅角、回风流、液压支架架间发现CO 气体浓度异常且呈上升趋势。为给制定技术措施提供依据，安排人工每天对CO 气体浓度较高的90＃～116＃支架架间进行重点监测，结果如图1 所示。由图1可见，自2014年3月26日发现CO 升高至2014年4月4日共经历10d，10d中100＃～104＃支架间CO 气体浓度上升趋势最为明显，最高处由0.000006%上升至0.000137%，回风流中CO 气体浓度略有上升。

图1 回风流、支架架间CO 气体浓度

2014年4月3日，21302工作面回风巷撤架期间，工作面90＃支架、99＃～100＃支架、116＃支架架间最高温度42℃，并伴有水雾出现，人工检测CO浓度最大0.00006%，在90＃～116＃支架间打眼插管，注高压水进行处理，并加大进风机巷和回风巷灌浆量。

2 CO 超限原因分析

（1）具备遗煤条件。崔木矿放顶煤开采，采4m放8m，正常生产期间工作面中部遗煤少，但两道顶煤可达8 m 厚，收面期间整个工作面顶煤不回收，松散煤体的大量堆积为自燃创造了条件。

（2）具备供氧条件。该工作面正常生产期间工作面风量达2400 m3／min，回撤期间进行了调风，风向反转，风量调节为1600m3／min。采空区大范围内氧浓度仍较高，具备自燃的供氧条件。

（3）煤层具备自燃的时间。崔木矿开采的3＃煤层自然发火期在1个多月。该矿从2月底停采至4月初，工作面支架后及架间残煤没有及时清除，因此，大量采空区遗煤具备自燃的发展时间。

（4）采空区顶板淋水对自燃有抑制作用。正常生产期间，采空区顶板淋水严重，对煤层自燃起到抑制作用。到达停采线时，顶板淋水减少，对煤层自燃的抑制作用减少。同时，该工作面回风隅角出气温度较高，煤壁挂汗，隅角后上部CO 浓度较高，最高接近0.0002%，并且检测到乙烯。

可以判断21302工作面采空区局部区域温度已经有所升高，有煤层自燃的倾向，必须采取必要的防灭火技术措施。

3 综合防灭火技术治理及效果分析

3.1 加强煤自然发火监测预报

（1）停采期间，工作面上隅角、回风流及18＃～78＃支架、90＃～116＃支架架间瓦斯浓度、CO浓度、空气温度，每小班人工检查3次；上隅角气体每天采用束管、气体色谱分析一次，并绘制气体变化曲线图。

（2）加强上隅角、回风流的一氧化碳、温度、瓦斯传感器的调校工作，确保传感器实时在线监测。

（3）利用红外线测温仪测量工作面支架后、支架顶及钻孔中的温度，并绘制温度监测曲线。

（4）利用KJ90安全监控系统对21302工作面回风流及上隅角的CO、温度和CH4进行实时监测，撤架期间保证安全监控系统的正常运行。

3.2 综合防灭火技术治理过程

工作面停采撤架期间，除继续采取以上检测、堵漏等措施外，防灭火重点工作转移到工作面上、下隅角及支架向后3～6m、距底板向上8～10m位置，主要采取以下方案。

3.2.1 双通道回撤支架

在发现局部支架上部出现CO 浓度上升、冒青烟情况后，为了不影响整体回撤速度，在78＃与79＃支架之间建2m 厚密封墙，将支架分别从工作面两巷道依次撤出，如图2所示，截至4月4日，回撤面两端已经撤出17架支架。

3.2.2 工作面火区封闭

2014年4 月6 日，架间束管检测检查发现，97＃～98＃支架、99＃～105＃支架、116＃支架架间煤壁温度最高58℃，并伴有大量的水雾出现，人工检测CO 浓度最大0.0001%，对温度高的支架架间气样分析后发现99＃～100＃支架处乙烯浓度为0.000023%、乙炔浓度为0.000003%，其他架间发现CO 浓度最大0.000186%，表明架间遗煤已发生自燃。为了保证矿井其他工作面安全生产，2014年4月7日，对21302进风机巷和回风巷各设一道密闭墙，墙上预留注氮、注浆管路，并用黄泥将封闭墙周围及墙体抹匀，确保严密不漏风，封闭墙示意图如图3所示。

图2 21302回撤面双通道回撤示意图

图3 21302进风机巷、回风巷封闭墙示意图

3.2.3 注浆和注高分子胶体

（1）支架前打钻注高分子胶体。针对21302工作面的实际情况，在撤架期间，从工作面上隅角往下每隔2台支架之间灌注高分子胶体，并在支架后部未冒落巷道处用碎煤堆垛墙体，封堵漏风通道。用锚杆钻机自工作面回风侧向采空区打钻，钻孔内下套管，并沿钻孔向采空区注高分子胶体。钻孔终点位于工作面尾梁后2～4 m，煤层顶板以上1～2m，钻孔间距为3 m 左右，工作面回风侧需打约5个钻孔，每个钻孔注胶量为50～80m3，工作面停采期间架前注胶情况见图4所示。

图4 工作面停采期间架前注胶示意图

（2）邻近工作面运输巷高位钻孔注浆。在21301工作面运输巷设置钻场，同时向21302工作面采空区胶体隔离充填带打钻，钻孔终孔位置为距离工作面停采线10～30m，钻孔间距3 m，共施工钻孔7个，孔高度为煤层顶板处至其上1 m 范围。每个孔注胶50～80m3，如图5所示。

3.2.4 高温区域架间注水降温措施

工作面停采撤架期间，在21302工作面进风机巷及回风巷施工钻场，向下隅角及工作面支架后施工防灭火注浆钻孔，终孔点控制在下隅角及25＃支架、50＃支架、75＃支架向后3～6m、距支架顶板向上2 m 位置，共计施工10 个注浆钻孔；启封302高抽巷封闭墙，在高抽巷内施工防灭火注浆钻孔，终孔点控制在上隅角及75＃支架、95＃支架向后3～6m、距支架顶板向上2m 位置，共计6个注浆钻孔，如图6所示。

图5 邻近工作面运输巷道注胶平面示意图

图6 工作面停采线架后注水平面示意图

3.3 治理效果

通过实施上述防灭火措施，21302回撤面封闭火区内工作面支架间温度异常点的煤自燃情况得到了有效控制，工作面支架间CO 浓度恢复到了正常范围，回风流及支架间CO 浓度低于0.000024%并保持稳定。2014年4月28日对火区进行启封并将剩余支架成功有效撤出工作面。

4 结论

（1）大倾角厚煤层开采过程中，由于采空区停采线遗煤量较多，煤氧化热量易于积聚，具有较大的自然发火危险；回撤期间，由于停留时间较长，漏风严重，导致深部煤层二次氧化，容易造成工作面CO 气体浓度升高，影响回撤工作。

（2）煤自燃隐患治理比较复杂，不能单一地强调对高温隐患的根除，应根据实际情况对异常区域进行有效地控制，以保障煤矿的正常生产；停采后，应尽快回撤，并对工作面CO 气体浓度进行监测，采取相应措施进行提前预防，如架后钻孔注胶、上分层两巷灌浆等。

（3）大倾角厚煤层综放面停采撤架期间，应时刻对采空区气体进行检测，一旦发现异常，应对支架后部及支架之间遗煤及时处理，防止自然发火；应迅速采取相应措施延长自然发火期，减缓煤自热氧化作用，防止由于支架后局部碎煤氧化导致氧化进一步加深而影响撤架工作；撤完支架后应迅速有效封闭火区。

（4）通过采空区灌浆并及时对上下巷道进行封堵，能有效抑制煤与氧气的接触，并能填堵采空区遗煤的缝隙，从而抑制煤的自热，有效控制采空区火灾的发生。在重点时期，对采空区进行钻孔和胶体压住，严防遗煤自燃。

（5）21302开采工作面因停采线局部碎煤氧化升温导致工作面架间CO 气体浓度升高，采取整体火区封闭、支架后钻孔注防灭火材料、高温支架间煤层注水及两巷灌浆等措施，效果明显，抑制了遗煤自然升温过程，保证该工作面安全回撤。

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