“孤岛”综放面“立体”综合防灭火技术的应用

赵喜红

(大同煤矿集团 忻州窑煤矿，山西　大同　037003)

大同煤矿集团忻州窑矿属于高瓦斯矿井，具有百年开采历史，目前处于矿井开采后期，11#层309盘区8939面是该盘区煤层的最后一个厚煤层回采工作面，属于“孤岛”开采，回采工艺为低位放顶煤开采。本工作面地质构造复杂，断层破碎带贯穿整个工作面，受矿压因素影响，应力显现强烈、集中，巷道变形较大和片帮冒落多发，支架压架，工作面推进速度慢，采空区遗留的较多松散浮煤长期处于通风供氧状态，增加本面煤层自然发火的危险。另外，“孤岛”工作面矿压较大，煤柱易于压碎，顺槽顶煤易于离层、压裂冒落，与同煤层临近采空区连成一片，漏风规律复杂多变，造成临近采空区长时间堆积的遗煤有自然发火隐患。该矿11#层309盘区2004年发生过煤炭自燃事故，造成较大的经济损失。

1　工作面概况

8939工作面地面标高1 303.5～1 331.0 m，井下标高956～998 m.8939工作面东部为采空区，北部为云冈矿井田及矿界保护煤柱，南接901轨道、皮带及回风大巷，西部为8937面采空区。工作面可采走向长度1 227.8 m，工作面长度94.5 m，面积116 027 m2.煤层中部低，两翼高，大致呈一向斜构造，煤层倾角1°～9°，平均3°.煤层厚度最大为8.9 m，最小5.2 m，平均7.2 m.工作面绝对CH4涌出量4.69 m3/min，CO2绝对涌出量1.5 m3/min，煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，自燃倾向性为容易自燃，煤层自然发火期为50天。煤尘爆炸指数为24.32%，有爆炸危险。工作面4巷布置，一条运输巷、一条尾回风巷、一条措施巷、一条内错顶回风巷，采用“U+Ⅱ”型通风。8939工作面通风系统图见图1.

图1　309盘区8939工作面通风系统示意图

2　回采期间漏风及自然发火原因分析

2.1　回采期间存在漏风通道分析

1) 根据《8939面地质说明书》，工作面基本顶为灰白色中砂、细砂岩，直接顶底板均为灰色及灰白色粉、细砂岩，煤层顶、底部均属于超硬、低透气性岩层，并且煤层中部低、两翼高，整个工作面位于区域向斜轴部，有一条68～70 m宽的大断层破碎带贯穿整个工作面，当推进到断层破碎带影响区域时，煤柱承压大，裂隙大量发育，煤体酥软存在气隙，与采空区存在漏风通道。

2) 工作面为“孤岛”开采工作面，工作面东、西、北部均为采空区，周围封闭了大量的采空区，周围采空区及煤体受孤岛工作面采动应力集中作用，造成采空区存在压裂、煤体有裂隙，与采空区构成漏风通道。

2.2　回采期间自然发火原因分析

1) 工作面回采率为80%，工作面后古塘有遗煤堆积，遗煤长期氧化产生蓄热高温。

2) 断层破碎带处的碎煤呈破碎状态则使煤的吸氧表面积增大，着火点明显降低，使其自燃性显著提高。

3) 工作面东、西、北部封闭了大量的采空区，采空区内有年限长久的遗煤长时间氧化产生高温。

3　“立体”综合防灭火治理技术

3.1　随采随向后古塘遗煤喷注氯化镁阻化剂

该矿在回采过程中选用来源广泛、无毒无害的吸水类阻化剂、水解时呈中性、对设备腐蚀性小、经济实用的氯化镁作为阻化剂。喷洒氯化镁与工作面回采同步进行。该矿合理配置浓度为15%的氯化镁溶液。每班安排专人实施喷注工作。利用头巷随串车移动的储液箱和雾化泵，喷雾泵出口接d25 mm高压胶管至皮带转载机处，通过异径三通(25/16)接15 m d16 mm高压胶管2根与布置在进风上隅角，1#支架、1#支架与2#支架之间的两个雾化器(QWF-Ⅲ型)相接，在d25 mm和d16 mm高压胶管接头处分别安设阀门。将阻化剂变为阻化汽雾，阻化汽雾以漏风为载体，向采空区飘移，漏风风流飘落在容易自然发火的煤体表面，增加了煤体的外在水分，降低了煤体温度；形成液膜包围煤块，并从空气中吸收水分，使煤体表面较长时间处于湿润；降低了煤在低温氧气时的氧化速度，延长了煤的自然发火期。

3.2　断层带注永固S封堵漏风通道

5939巷860～970 m通尺点段、2939巷790～900 m通尺点段，在掘进和回采过程中，受孤岛面集中应力挤压作用，煤柱整体性变形位移严重，断层破碎带受影响出现裂隙沟通采空区。该矿由里向外施工钻孔并注永固S，钻孔设在5935巷、2939巷靠采空区侧，巷帮与顶板交界处，施工钻孔和注永固S同步进行。在破碎带处超前注永固S，通过专用气动注浆泵和混合枪按1∶1配比注入到松散或破碎的煤岩体裂隙中,产品能渗入较细岩缝中，反应迅速，能够把原来松散破碎的煤岩体围岩胶结成连续完整的受力体，减少采空区漏风； 注永固S可超前加固5939、2939巷临空煤柱间的破碎煤岩体，减少破碎带煤的吸氧表面积，提高着火点，降低破碎带处碎煤自燃性。8939面煤柱固注永固S钻孔技术参数见表1.

表1　8939面煤柱加固注永固S钻孔技术参数表

3.3　注氮气

井下建立独立注氮硐室，布置膜式分离DM-1000/8制氮机主、备用两套，用每根6 m长的4英寸无缝钢管连续埋管敷至头巷采空区氧化自燃带内，间歇式连续不间断向工作面采空区提供氮气，消除采空区遗煤自然发火隐患。工作面回采后退至30 m时，开始注氮工作。工作面回采注氮期间，在头、尾巷上、下隅角用黄土装袋砌墙进行封堵，减少氮气向工作面泄露，保证采空区氮气浓度始终不低于97%.将不燃烧、不助燃的氮气注入采空区后，可置换出空气，氧气含量下降至3%以下，使采空区的浮煤缺氧而处于窒息状态，达到防止采空区遗煤自燃的目的。工作面间歇式注氮示意图见图2.

图2　工作面间歇式注氮示意图

3.4　煤体注水

从距8939中间巷切眼南帮10 m开始施工注水孔，最后一组孔施工至停车线前10 m处，按(表2)技术参数早、二、三班实施注水。超前工作面80 m开始注水。注水后煤体的温度不易提高，冒落的矸石湿润，膨胀成再生顶板，覆盖浮煤，减少漏风，抑制了采空区的浮煤氧化，延长煤炭自然发火期。

表2　8939面注水孔技术参数表

3.5　邻近采空区灌注黄泥浆

8939“孤岛”工作面周围全部是采空区，周围的采空区受地表裂隙、矿井应力显现等影响造成漏风通道，长期堆积的浮煤发生煤体自燃隐患后，会造成全矿井309盘区大面积煤炭自燃，影响8939“孤岛”工作面的顺利开采。所以，该矿在刘官庄建立地面灌浆站，在回采期间对8939“孤岛”工作面进行预防灌浆。地面建立200 m3的水池，用抽水泵将水引至预先按土水比1∶3倒入黄土的泥浆池内，搅拌成黄泥浆液靠泥浆泵流入深350 m，d108 mm的灌浆管路与井下4英寸灌浆主管路对接，依次与采空区预留的4英寸灌浆管路连接进行灌浆。黄泥浆液进入采空区后会堵塞煤体中的裂隙，防止氧气与煤体的大面积接触，湿润的水分降低煤体的温度，达到防治采空区遗煤自然发火。

4　技术措施效果分析

8939综放面开采中通过“立体”综合防灭火治理技术后，有效防止了8939“孤岛”本面采空区遗煤自燃，同时预防本煤层临近采空区遗煤自燃，实现了8939“孤岛”综放工作面的安全开采。

8939开采期间，自然发火的预测预报作为自然发火观察的重要手段，每天在本面上隅角及本层相邻采空区取样并进行化验分析，为自然发火预防提供理论基础数据。8939回采期间本面上隅角及本层临近采空区自然发火标志性气体取样化验分析数据见表3.

表3　自然发火标志性气体取样化验分析数据表

通过表3分析可知，11#层8939工作面开采遇地质构造带及矿压显现等诸多不利因素，推进速度慢，月推进小于50 m，采用立体综合防灭火技术措施后，彻底解决了这一技术难题。开采期间本面上隅角自然发火标志性气体一氧化碳维持在0～20×10-6，本煤层相邻8937采空区未出现一氧化碳气体，治理取得明显效果，值得在同样条件下推广此项防灭火技术。

5　结　语

8939“孤岛”工作面通过以随采随向后古塘遗煤喷注氯化镁阻化剂、断层带注永固S封堵漏风通道、注氮气、煤体注水为主，邻近采空区灌注黄泥浆为辅的“立体”综合防灭火治理后，309盘区采空区、8939“孤岛”工作面采空区未出现遗煤自燃现象，保证了工作面的安全生产。

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