潞宁矿22116工作面采空区自燃“三带”分布及防灭火技术应用

贾春林

（山西潞安集团潞宁煤业公司，山西 忻州 036000）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业公司22116综采工作面位于井田二二区采区中下部，上部为二二采区22114采空区，煤柱12 m，下部为二二采区22118回采工作面，西南为2号煤层采区三条下山，东北部为矿井二二采区三条下山巷道。22116工作面开采2号煤层，煤层平均厚度3.5 m，平均倾角4.5°，煤层结构简单，局部含有不连续薄层炭质泥岩夹矸，工作面煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板岩层特征表

根据矿井地质资料可知，22116工作面回采期间瓦斯绝对涌出量为8.45 m3/min（取相邻工作面回采期间最大值），相对涌出量为2.74 m3/t，2号煤层挥发份指数为38.5%,火焰长度为400 mm，水份、灰份较低，煤尘具有爆炸性，煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，煤层自然发火期为80 d，现为防止工作面采空区出现自燃现象，特进行采空区自燃“三带”分布规律的分析，并对采空区采取有效的防灭火措施。

2 采空区自燃“三带”分布规律

根据目前规程中规定的采空区“三带”划分标准为：

1）基于漏风强度划分：漏风强度>0.24 m/min时为散热带，漏风强度在0.24～0.1m/min时为氧化升温带；当漏风强度<0.1 m/min时为窒息带。

2）基于氧气浓度划分：氧气浓度>18%时为散热带，氧气浓度在10%～18%时为窒息带，氧气浓度<10%时为窒息带。

目前在进行采空区“三带”划分作业时，由于采空区内的漏风强度很难检测到，同时结合潞宁矿2号煤层属于易自燃中厚煤层的特点，并参考国内众多相似工程背景矿井的特点[1-2]，确定以氧气浓度作为三带的划分标准。

为有效掌握22116工作面采空区“三带”的分布规律，以更好的指导采空区防灭火方案的实施，在工作面辅运顺槽和胶运顺槽之间的密闭联巷内布置气体采样观测孔，具体采样地点位置如图1所示。

图1 22116工作面采空区气体采样点示意图

随着工作面回采作业的进行，持续进行采空区内气体的监测作业，主要监测的指标有：O2、温度、CO、CO2及CH4，具体监测结果见表2。

表2 22116工作面采空区气体监测数据表

根据22116工作面的特征及所采2号煤层的厚度（平均厚度为3.5 m），采用综合机械化开采方法进行回采作业，采空区内大致会有0.2～0.3 m左右的遗煤，现考虑到浮煤的厚度、上限漏风强度学说，综合确定采空区内的氧化升温带仅分布在进风巷和回风巷两侧，在每条巷道的宽度为7 m左右，其余区域为散热带和窒息带，“三带”分布规律见表2，具体工作面采空区的自燃“三带”分布如图3所示。

表3 采空区自燃“三带”划分数据表

根据上述划分结果可知，采空区氧化升温带的最大值为180 m，根据2号煤层的最短自然发火期为80 d，基于此可计算出工作面的极限推进速度为：

图2 22116工作面采空区自燃“三带”划分结果示意图

式中：v为工作面的极限推进速度；Lmax为氧化升温带的最大宽度；τmin为最短自然发火期；根据式（1）中计算结果可知，工作面的极限推进速度为2.25 m/d，若连续80 d工作面的回采推进速度小于2.25 m/d，此时工作面将存在着自然发火的危险性；根据工作面的特征可知，工作面的循环进度0.8 m，日进6个循环，据此计算出日推进速度为4.8 m/d，远高于规定的限值，故工作面的正常的回采推进速度下不会出现自燃现象。

3 防灭火方案及效果

3.1 方案设计

根据众多理论研究和工程实践表明[3-4]，工作面回采期间防灭火重点区域主要为工作面进风巷、回风巷采空区区域和工作面开切眼和停采线区域，具体这2处危险性较大的因素主要为：

1）工作面开切眼和停采线处：由于工作面属于开采的煤层属于中厚煤层，在工作面两侧端头支架区域的煤炭资源基本不会被开采，进而导致会在工作面开切眼和停采线的区域遗留大量的煤炭，为遗煤的自燃留下了隐患，另外由于工作面开切眼的断面相对较大，在矿山压力作用下煤体易被压裂破碎，进而致使采空区存在着漏风的问题，进一步增大了采空区自燃的危险性。

2）进、回风侧采空区：该区域为主要的漏风通道，氧气浓度较高，会大大增加采空区内浮煤的氧化时间，进而增大采空区自燃的危险性；另外在回风巷的上隅角区域其负压最大，该位置采空区深部存在着较大的作用下，会有效的延长浮煤进入窒息带的时间，故该区域也需要加强防灭火工作。

基于上述分析结合工作面的特征，现将工作面回采期间的防灭火工作划分为3个阶段，分别为开切眼处防灭火、正常回采期间防灭火和停采线区域防灭火，具体防灭火设计如下：

1）开切眼处防灭火：在工作面开切眼区域采用注胶防灭火，本次注胶材料采用质量70%的膨润土和30%的羧甲基纤维素钠调配而成，该胶结材料具有悬浮效果好、稳定性好的特征。在注胶作业开始前，为防止工作面回采后两回采巷道冒落不实导致胶体泄露，先在工作面两端头沿走向方向充填厚度为3 m左右的沙袋，直至沙袋接顶，再通过注胶钻孔进行注胶作业，如图3所示。

图3 采空区两道沙袋充填示意图

工作面回采过程中，在工作面两端头的位置向采空区顶部各布置2个注胶钻孔，钻孔的终孔位置位于煤层顶部，距离工作面之间的水平距离为6 m，其中1号注胶钻孔布置与回风巷与运输巷顶部的中间，2号钻孔布置与运输巷与回风内3m的位置。在进行注胶作业时，根据工程经验[5-6]取注胶长度为10 m，布置两侧隔离墙的厚度为5 m，注胶时间在工作面距离开切眼10 m时开始，具体注胶范围及区域如图4所示。

图4 工作面注胶范围示意图

2）正常回采期间防灭火：在工作面每推进60～100 m，分别在工作面进风巷和回风巷区域堆架3 m的砂袋墙体，实现对未垮落巷道的封堵，在工作面推过砂袋墙一端距离后，待工作面进风巷端头垮落袋与砂袋墙充分接触后进行注胶作业；在工作面进风巷和回风巷采空区侧的堵漏隔离墙内压注复合胶体以形成隔离带；工作面回风巷内的注胶作业随着回采的进行持续进行。

3）停采线注胶：在工作面回采至接近停采线时，此时在两顺槽后方采空区内堆积砂袋进行隔离和堵漏，并在停采线处打设钻孔向采空区内注入胶体材料，以在停采线区域形成胶体隔离带。

3.2 效果分析

为验证分析22116工作面注胶防灭火效果，在回采期间采用束管监测系统进行采空区内CO浓度监测，根据监测数据得出CO浓度曲线如图5所示。

图5 采空区CO浓度曲线图

分析图5可知，工作面在采用注胶防灭火后，随着工作面回采作业的进行，采空区内的CO浓度始终处于较低的水平，CO含量在4～18×10-6之间，工作面回采推进过程中，采空区内各项气体含量均在合理范围内，未出现自燃现象。

4 结论

根据22116工作面地质条件，通过现场采样测试的方式进行采空区自燃“三带”分布规律的分析，基于分析结果设计工作面防灭火方案划分为开切眼处、正常回采期间和停采线处，实施后的监测分析可知，注胶防灭火效果显著，无自燃现象出现。