综采工作面过断层期间防灭火技术研究

吴胜明

【摘 要】 为研究综采工作面过断层期间防灭火技术，本文选取典型矿井3110工作面作为工程背景，对其自然发火机理进行分析，发现受断层影响，工作面推采速度放慢，使采空区煤体与氧气能够发生充分接触;断层带附近煤岩体较为破碎，在推采后采空区遗煤量增加;同时受断层及开采扰动影响导致采空区与工作面间存在多条漏风通道;发火监测设备陈旧等因素导致其具备发火条件，存在发火倾向。根据发火机理分析，进一步设计了防灭火措施，主要包括了在上隅角及支架间隙处设置阻风设施、向采空区进行注氮处理、改良过断层开采设计等，并对监测系统进行升级改造。通过监测发现采空区内CO浓度由0.0077%降低到0.0015%，O2濃度由16.3%降低到4.7%，防控效果良好。

【关键词】 断层;综采;防灭火;机理;措施

【中图分类号】 TD75 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）06-0007-03

煤矿火灾作为煤矿常见的五大灾害之一，据不完全统计，我国具有自然发火倾向的煤矿超过80%，而其中发生的事故绝大多数又是由于采空区遗煤自燃引起的。因此受煤层自然发火影响，矿井的高效安全生产受到极大制约，我国科技工作者也就此针对煤矿自然发火的机理及防控技术进行了大量工作。张东坡、郝宇等针对综放工作面煤层厚度大、易发火等特征提出采用注氮对采空区发火进行控制。文虎、徐精彩等针对厚煤层采空区遗煤发火问题，提出采用隔氧、降温、堵漏效果更佳的凝胶加以控制。张丹等则对凝胶材料进行了改性，提出采用高分子凝胶进行防灭火控制，并在实践中取得较好效果。翟小伟等针对综放面推进速度慢，遗煤易发生自燃等问题，提出使用胶体隔离采空区并辅以注氮、阻化剂等措施来缓解控制煤层自燃。刘军、陈贵、祝明亮等通过进一步分析煤层自然发火机理，针对性地提出了使用固、液、气三相混合后的发泡防灭火技术，通过实践该方法能够较好地解决遗煤自燃问题。而在综采工作面揭露断层后，过断层期间推采速度放慢，采空区遗煤与氧气结合时间充分，煤层易发生火灾事故。张兵等通过采取降低工作面准入风量、使用三相泡沫封堵采空区遗漏风通道及喷洒阻化剂等多维防灭火技术对金凤煤矿过断层期间易发火问题进行治理。陈鹏辉等通过注浆堵漏并进行注氮降氧浓度，辅以安装自燃发火束管监测系统等技术对过断层期间采空区遗煤自燃问题进行预防与治理。马奎综合分析了在综采工作面过断层期间使用灌浆、注氮、注CO2、注凝胶等方法的适用性。现有技术在现场实践中均取得了较好效果，但受限于使用条件，且未见对工作面隅角、支架连接处等遗漏失风量位置的处理，尚不能完全解决此类问题，因此本文以山西某矿3110工作面为工程背景，对其开采过断层防灭火控制技术进行研究。

1工程背景

3110工作面位于3煤层1采区，走向长度1000m，倾向长200m，煤层厚5.8～6.9m，平均厚度6.35m。该煤层属Ⅱ级自燃，发火倾向Ⅱ，发火期为34d。该工作面采用U型通风方式。工作面开切眼后能够正常推采，推采至55m处揭露一条隐伏断层F1，断层落差5m，倾角55°，受F1影响，现推采位置岩体质量较差，顶板破碎、支护困难，难以快速推采过断层，在开采时采用留底煤仰斜开采方式，倾角为7°，如图1所示。在过断层期间对工作面周围监测发现，工作面上隅角处CO浓度由第三天的0.0054%达到第七天的0.0077%，并呈现上升趋势。

2过断层期间煤层发火机理

2.1推采速度慢，煤体与氧气充分结合氧化

3110工作面在切眼形成后设备安装到开采期间共计需要35d，此间煤层与氧气充分接触，在工作面正式回采后，推采至55m揭露隐伏断层，对开采计划进行调整，为保证安全生产，降低了推采速度，且受断层影响，断层带周围岩体较为破碎，煤体在时间与空间上进一步发生氧化，易发生煤层自燃现象。

2.2推采后采空区遗煤多

由于工作面在过断层时采用了留底煤的仰斜开采方式，随工作面推进，顶板破碎煤体及遗留底煤沿倾角向采空区滚落，导致采空区遗留松散煤体大大增加，且断层附近岩体破碎，采空区遗漏风量较大，采空区内煤体能够充分氧化，造成较为严重的安全隐患。

2.3采空区围岩破碎，阻风设施不完备，漏风量较大

3110工作面在设计时选用了“U”型通风，其上隅角进风巷与采空区之间无阻风设施布置，新鲜风流通过该通道及破裂围岩涌入采空区，同时支架间无阻风设施，造成新风遗漏，导致采空区内散落煤体能够充分接触氧气，为煤层发生自燃提供了必备条件。

2.4发火监测设备陈旧，监测灵敏度低

该工作面安装的监测设备为普通埋管监测设备，设备较为陈旧，且难以及时监测记录采空区内CO、O2准确浓度，当采空区内CO、O2浓度超标时不能及时报警，导致不能提前预知空区内煤层状态及制定防控措施。

3综采工作面过断层期间采空区遗煤防灭火技术

通过对3110工作面布置及发火机理分析发现该工作面已具备发火条件，存在自燃的倾向，需对其从控制、监测两方面进行防灭火设计。

3.1综采工作面过断层期间采空区遗煤防灭火方法

3.1.1通过分析发现，3110工作面遗留失风主要原因是在工作面上隅角处进风巷与采空区交界处无阻风障碍物及移架过程中缝隙漏风。对此，在回采过程中在机头距进风巷10m处安装“Z”型阻风屏障，阻断新风直接流入采空区通道。在两支架间安装阻风幕（柔性伸缩风幕），对两支架间漏失风量进行控制，以此阻断新风进入采空区的通道，减少采空区散落煤体与氧气接触量。

3.1.2采用采空区注氮的方式来减低采空区空气含氧浓度，同时将断层带破碎围岩中空气进行置换，降低采空区煤体与氧气接触发生氧化的可能。

3.1.3调整开采方式来控制推采过断层过程中采空区遗煤量较大的问题。将留底煤仰斜开采调整为伪斜回采方式，在推采至断层后进行工作面回转调整，平行断层走向进行进一步回采，并在过断层后进行调面，继续按原设计进行开采工作，详见图2。

3.2综采工作面过断层期间采空区遗煤防灭火措施

3.2.1对原有发火监测系统进行升级改造，使其监测灵敏度增加。由原有普通发火监测系统升级为JSG5型煤矿自然发火束管监测系统，使用该系统能够有效进行气体分辨、预处理，能够实现实时取样、分析处理及上传。当监测气体浓度超过设定阈值后，该系统在上传的同时能够发出警报对现场工人进行预警。改造后在工作面上隅角处、45#支架與46#支架间、125#与126#支架间进行安装，如图2所示。

3.2.2同时进行人工检测分析预警。在过断层期间，防火检查由原1次/天改为1次/班，重点对巷道高冒区、工作面上隅角处、围岩松散煤体处以及支架间进行CO浓度测定，并取样上井进行进一步分析记录直至过断层推采活动结束。

4工程应用

通过发火监测系统监测数据发现，3110工作面在过断层期间采取防灭火控制措施后，其漏风量及空区内CO、O2浓度均有下降，如图3所示。

CO浓度由0.0077%降低到0.0015%，O2浓度由16.3%降低到4.7%，可知采用采空区遗煤防灭火技术有效控制了新风流入量，降低了采空区空气含氧度，并减少了采空区遗煤量，避免了采空区火灾的发生，实现了工作面过断层的高效、安全生产。

5结论

文章分析了3110工作面自然发火机理，主要包括：推采速度慢，煤体能够发生充分氧化;推采后采空区遗煤量大;采空区与工作面间存在多条漏风通道;发火监测设备陈旧。通过分析发现煤层具备发火条件，存在发火倾向。

根据发火机理，进行针对性控制及监测措施设计。主要通过对遗漏失风量较为严重的上隅角及支架间隙处设置阻风设施，并向采空区进行注氮处理使采空区煤体与氧气隔绝，同时对过断层设计进行更改，由仰斜留底煤开采改为回旋调面直接过断层开采，大大减小了采空区遗煤量。通过新型发火监测系统监测发现CO浓度由0.0077%降低到0.0015%，O2浓度由16.3%降低到4.7%，效果良好。

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