高阳煤矿综放面回收“三道线”防灭火技术

武文庆

(汾西矿业集团 高阳煤矿， 山西 孝义 032300)

矿井火灾是危害矿井安全生产的主要灾害之一,由煤炭自燃引起的火灾占矿井火灾总数的90%以上。常规的矿井防灭火措施有注浆、注氮、洒阻化剂等，主要应用于工作面采煤时采空区的防灭火。山西焦煤汾西矿业集团公司大多数矿井开采煤层有自燃倾向，工作面在正常开采推进的过程中，常规的防灭火措施效果较为明显，但在工作面回收期间，常规措施不能有效杜绝煤炭自然发火，严重危害矿井安全生产。

1 概 况

汾西矿业集团高阳煤矿31108工作面位于孝义市贤者村北约900 m，西曹村西南约1 000 m，地表有黄土覆盖。地面标高+885～+950 m，工作面标高+540～+660 m，盖山厚度平均为317 m. 开采太原组9-10-11#煤层，煤层最小厚度8.04 m，最大厚度9.36 m，平均厚度8.7 m. 煤层结构复杂，煤岩层倾角平均为8°. 煤种为瘦煤，稳定可采。工作面绝对瓦斯涌出量为0.79 m3/min；煤尘具有爆炸性，爆炸性指数为22.63%；煤层自燃倾向性为自燃，倾向性等极为Ⅱ类，最短自然发火期为83天。

采用倾向长壁综合机械化低位放顶煤采煤法，割煤高度2.7 m，放煤高度6 m，采放比为1∶2.2. 工作面共有135台支架，当工作面采至距停采线位置20 m时停止放顶煤。

2 煤炭自然发火的防治原则

煤炭自燃的3个必备条件中，仅切断其中一个条件就能有效预防煤炭自燃。3个条件中，第一条“易于低温氧化的粉煤或碎煤呈堆积状态存在”，为客观存在的不可消除因素。因此，预防煤炭自燃控制的条件关键在于控制第二条“存在适宜的通风供氧条件”及第三条“煤体中存在的热量不易散发”，即降低煤体中的含氧及给煤体降温，就可有效防止煤炭的自燃。

3 采空区“垂直三带”的划分

采空区“三带”一般划分为通风散热带、氧化带、窒息带。

“垂直三带”的测试：在31108运输巷(回风)距停采线20 m处的巷道煤帮(面对工作面)掘一个2.1 m×2.1 m×2.1 m的钻场，从钻场施工2号、3号两个取气钻孔，钻孔终孔分别位于停采后支架上部10 m和20 m. 1号钻孔垂高较低，直接用锚杆机对支架上方打钻(孔深5 m)取气。钻孔内插入d25 mm套管，下到终孔位置，套管出口端1 m加工成花管，套管内插入束管，封严钻孔，封孔长度不小于1 m. 当工作面停采时开始取气，并记录数据，见表1.

表1 支架上部钻孔气体浓度表

通过数据汇总分析，得出31108综放工作面距煤层底板20 m以上高度的氧含量为6.7%，该高度以上空间为窒息带；距煤层底板4 m(支架上方1 m)的氧含量为18%，该高度以下空间为通风散热带；煤层底板以上5～20 m的空间氧含量为17.8%～6.7%，该空间为氧化带。

4 综放回收工作面易自然发火地点“三道线”确定

1) 第一道线。

第一道线为采空区氧化带与窒息带交界带。根据2018年高阳煤矿采空区“三带”研究结果，综放工作面在不采取注氮措施时“三带”划分为通风散热带0～28 m，氧化带为28～105 m，窒息带为105 m以内；在采取注氮惰化的情况下，采空区约30 m以里为窒熄带，15～30 m为氧化带，0～15 m为散热带。如停采、回撤支架时间过长，采空区氧化带与窒熄带交界带(采空区内15～30 m)的浮煤将进一步氧化，极易自燃，一旦这些地点自燃，其升高的一氧化碳气体将很快涌入工作面，造成一氧化碳超限。“第一道防火线”示意图见图1.

图1 “第一道防火线”示意图

2) 第二道线。

第二道线为采空区冷却带上方的氧化带。由于综放工作面做停采工序时20 m以外不放顶，工作面推进后造成采空区0～20 m大量碎煤堆积，碎煤不仅在水平方向堆积，而且在垂直方向也有一定量的堆积，虽然工作面切顶线以里15 m范围为采空区冷却带，其下部浮煤不易自然发火，但其上部堆积的碎煤处于漏风较小、供氧适宜、氧化生成的热量不易被带走的氧化带中，容易自然发火。特别是切顶线以里10 m范围内的区域，采空区更易自然发火。

3) 第三道线。

第三道线为支架上部1 m以上存煤带。高阳煤矿31108工作面平均煤厚8.7 m，采高2.7 m，结合“垂直三带研究”结论得出支架上方1 m以上，顶煤氧含量一般为15%～18%(该含量是最易氧化的氧含量范围)，因此支架上方1 m至顶板8.7 m处的碎煤带为31108工作面第三道线。

“第二、三道防火线”示意图见图2.

图2 “第二、三道防火线”示意图

5 综放回收工作面“三道线”防火技术

1) 第一道防火线。

第一道防火线为采空区埋管注氮防灭火。根据上述分析，支架回收时，采空区氧化带与窒息带交界处最易氧化自燃，注浆时浆液不易到达，最有效的防火方法是用氮气降低该处的氧气含量，抑制其氧化。因此，回收期间利用采空区埋管连续注氮气，直至全部回收完毕[1].

为了能有效惰化采空区氧化带，向采空区埋入两根注氮管，一根注氮管埋入采空区进风侧以里30 m处，主要降低氧化带和窒息带交界处浮煤的氧含量;另一根注氮管埋入采空区进风侧以里20 m处，主要降低氧化带前半部氧含量，两根注氮管注氮总流量不少于600 m3/h，氮气纯度为98%，注氮方式为连续注氮气。第一道防火线注氮防火示意图见图3.

图3 第一道防火线注氮防火示意图

为及时掌握第一道防火线内的气体情况，便于调整注氮量，有效保证防灭火安全，在工作面回风顺槽，沿上隅角向采空区留设20 m束管，束管监测示意图见图4. 每天对采空区气体进行自动采样分析，每3天进行人工采样对比分析。人工采样数据分析结果见表2.

图4 第一道防火线束管监测示意图

表2 人工采样数据分析表

由表2可知，采取防火线技术措施后第一道防火线内CO浓度由0.014 2%降到0.002 1%，O2浓度由17.6%降到6.9%，温度由32 ℃降到19 ℃，将防火线内CO、O2浓度及温度控制到防灭火技术要求范围内。

2) 第二道防火线。

第二道防火线是高位钻孔注水、注氮防灭火。每5台支架向支架尾梁上方打钻孔1个，开孔位置距前梁端头2.2 m，d50 mm，钻孔分为26°、36°两个角度交替进行。钻孔角度为26°时，孔深13 m，钻孔终孔位于切顶线后10 m的煤层顶板中；钻孔角度为36°时，孔深10 m，钻孔终孔位于切顶线后5 m的煤层顶板中，以打透到采空区为准。钻孔施工到位后，不拔钻杆，进行注水、注氮，特别是有异常的支架还必须补充钻孔。钻孔完成后先进行注水，直到采空区遗煤全部湿润后，改注水为注氮，煤层干燥后再进行注水，注氮、注水依次交替进行。根据高阳煤矿21103、31108、31114等多个回收工作面对注水后数据的统计分析，每个注水钻孔可以覆盖直径约5 m的范围。第二道防火线高位钻孔注水、注氮防火示意图见图5.

图5 高位钻孔注水、注氮防火示意图

第二道防火线内的气体监测方法，每10台支架打一个角度30°，孔深11 m的钻孔,钻孔终孔位置位于切顶线后5～10 m的煤层顶板中，钻孔施工到位后，不拔钻杆，在钻杆内安设束管，并封堵好孔口。每天对采空区气体进行自动采样分析，每3天对人工采样数据进行对比分析，见表3.

表3 人工采样数据分析表

由表3可知，采取措施后第二道防火线CO、O2浓度控制到防灭火技术要求范围内。

3) 第三道防火线。

第三道防火线为支架上部打钻注水、注氮。在支架上方打钻进行目标注水降温和注氮降氧，其方法为：每隔1架支架从架缝向支架上方打钻，钻孔角度为60°、50°交替进行，钻孔d50 mm，终孔位置以打到采空区顶板为准。每个钻孔每天注水30 min，注水期间随时观察水温，如果水温超过28 ℃，则说明这架支架上方浮煤正在氧化升温，立即对支架进行注氮降氧[2]. 第三道防火线小钻孔注水、注氮防火示意图见图6.

图6 小钻孔注水、注氮防火示意图

6 效果分析

1) 采空区“垂直三带”的确定，为支架上部防灭火提供了理论支持。

2) 31108工作面回收时，利用“三道线”防灭火技术，有效防止了工作面的自然发火，确保了工作面安全回收。

3) 31108工作面回收期间，在采空区进风顺槽30 m和20 m处(第一道防火线)分别埋设一根注氮管进行注氮，完全惰化自燃带，有效防止了采空区自然发火。

4) 对31108工作面第二、三道防火线进行目标注水降温配合目标注氮降氧，有效治理了工作面出现的自然发火异常点。

5) 工作面采用一天一次束管自动采样分析和三天一次的人工取样对比分析的防灭火监测方法，提高了监测数据的准确性，有利于及时发现采空区气体异常，为治理采空区自燃提供了可靠的依据。

6) 注氮防火措施效果明显，管理方便，但如果注氮量过大，将会降低工作面氧气浓度，因此应掌握好注氮量，才能确保作业人员的安全。

7 结 语

以采空区“垂直三带”“三道线”作为回收工作面防灭火工作的理论依据，并针对各道防线采取了针对性的防灭火技术措施。工作面回收时采用立体防火技术，建立三道防火线，能有效地防止工作面的自然发火，保障工作面安全回收，但采空区自然发火防治是一项复杂的系统工程，只有及时回收支架并封闭采空区，才是防止采空区自然发火的根本措施。