皇后煤业15105综放工作面封闭防灭火研究

刘源远

（山西煤炭运销集团盂县恒泰皇后煤业有限公司）

采煤理论的日趋成熟，针对特厚煤层开采的综放技术应运而生，带来了巨大的经济效益。但放顶煤开采空间大，前后过渡段大量煤炭遗留到落山内，并且还存在顶板不塌、顶煤丢煤严重等现象，给综放面防灭火治理工作带来了不小的挑战［1］。山西煤炭运销集团盂县恒泰皇后煤业有限公司（简称皇后煤业）初采期间出现过一氧化碳严重超标，采取了全方位、科学化措施启封工作面，但采空区遗煤自燃问题一直存在。为了提高采空区安全性，以皇后煤业15105 综放工作面末采和封闭期间防灭火为例，对工作面停采前的预防与准备、停采撤架期间和封闭后这3阶段分别实施不同的安全技术措施，保障综放面停采、回撤面、永久封闭期间的安全管理。

1 工作面概况

皇后煤业位于山西省阳泉市盂县路家村镇刘家村，距离盂县县城16.8 km，皇后煤业15105 综放工作面所处水平为810 m，位于15#煤层南西部，工作面标高为790～820 m。煤层最大厚度为8.41 m，最小为6.3 m，平均煤厚7.51 m。总体位于单斜构造上，北高南低，倾角在3°～5°。经鉴定，15#煤吸氧量为0.72 cm3/g，自燃等级为Ⅱ级，为自燃煤层，最短自燃发火期为84 d。

本工作面初采后由于种种原因导致停产，停产后虽然采取了一些措施来避免采空区煤炭自燃，但停产时间超过4 个月，远远大于最短发火期，一氧化碳最高达到19 000 ppm，出现指数型增长，最后导致工作面全面封闭。矿山采取注入氮和二氧化碳等惰性气体联合降低各项指标，并联合多家科研单位研讨，采取气体置换、地面塌陷填充堵漏、气压观测、精准快速排放积水等措施。但多头作业恢复生产过程中，采空区内可燃性指标气体一直存在，并且也比以往工作面高很多，且封闭和撤除时间较长，存在再次自燃的可能性。

15105 综放工作面采用综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。该工作面采长为150 m，共布置有进风顺槽、回风顺槽、低位抽放巷和高抽巷4 条巷道，其中进风和回风顺槽沿煤层底板布置，低位抽放巷沿煤层顶板布置，高抽巷沿12#煤层顶板布置。15105工作面回收完毕后，在15105进、回风顺槽停采线附近构筑密闭设施，永久封闭此工作面。永久密闭位置如图1所示。

2 煤炭自燃条件及采空区三带划分

煤炭自燃是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。对于煤炭自燃的机理，各国学者进行了多年的探索和研究，提出了不少学说，包括黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说以及煤氧复合作用学说［2］。在上述学说中，煤氧复合学说得到了国内外大多数学者的认可。依据煤氧复合学说及煤自燃发火过程分析和实际生产经验，认为煤自燃必须具备以下条件：①开采的煤炭本身具有低温易氧化性能，即煤炭具有自燃倾向性，且以破碎状态存在；②有连续的供氧条件；③有积聚氧化热的环境，即煤炭氧化所生成热量速度大于散热速度；④上述3个条件同时存在，且时间大于煤炭最短自燃发火区；⑤上述4 个条件缺一不可，前3 个条件是煤炭自燃的必要条件，最后1个条件是充分条件。

按照上述煤的自燃假说，采空区一般划分为3个区域，即散热带、氧化带、窒息带［3］。

（1）散热带。此区域内虽然有浮煤堆积，但是风速较大，能及时带走煤氧化产生的热量，无法满足热量积蓄条件。

（2）氧化带。该区域相较于低温不自燃带风速较小，既能维持煤的氧化过程不断发展，又能使生成的热量持续积蓄，煤的温度不断升高，可能促使煤发生自燃。

（3）窒息带。与前2 个带相比，此区域内风速最小，风流中的氧浓度过低，不能维持煤的氧化，对于已经发生的自燃，也会因为缺氧而窒息。

本矿井工作面回采至末期，由于回采末期铺网、撤设备、加强支护等原因，导致工作面推进速度放慢，容易出现煤自燃和标志性气体涌出等情况，主要表现在上隅角以内大量一氧化碳超标，并且随着采空区风流涌出到回风顺槽和工作面，引起一氧化碳报警超限；或者容易出现落山内煤炭发热氧化自燃的情况。主要原因有几方面：①回采进入最后阶段，首先必须调整通风和抽放系统，调整后会引起一氧化碳等气体集聚，同时负压流场发生变化，也会出现上隅角反风等现象；②末采期间会使用大量木梁、木柱进行铺网和加强支护，最终埋入落山内，给煤炭自燃和木材自燃提供了条件；③本矿井目前开采煤层为15#煤，煤岩成分中丝煤结构松散，着火温度低（190～270 ℃），具有较强的吸氧性能，这些遗煤的存在大大增加了15#煤层氧化升温的危险性。

3 综合防灭火措施研究

3.1 自燃的特点、发生机理和环境情况

（1）停采前工作面推进至末期，需要提前在20 m左右开始铺网、支架顶部喂木梁和加强支护，推进速度变慢。顶煤不放导致顶部大量煤炭遗留在采空区，上下隅角由于应力分布失调，遗煤难以垮落，风流以大弧度进入采空区，引起采空区漏风量增大。

（2）撤架回收期间，设备回收和拉架道施工过程中，工作面支架停止前移，采空侧煤体和上下隅角落山长时间暴露在富氧空间中，给煤炭自燃创造了条件。这期间低位抽巷灭失，工作面风量降低，使防灭火工作难度增大。

（3）封闭工作面时，由于封闭工程量大、工期间断，往往会造成工程质量无法保证，密闭和四周煤体由于应力变化，会引起矿井全风压系统和采空区联通，氧气进入已采封闭区域，同时封闭区域煤体无法完全回收，也给遗煤自燃留下隐患。

3.2 停采前防灭火措施

（1）采煤工作面回采结束后，几个工作面密闭墙顶部留有大量顶煤，采用传统的双墙充填式密闭墙进行永久封闭后，由于密闭墙体及墙体周边原始煤体受停采线集中应力影响，墙体与原始煤体接缝及原始煤体本身易出现导通裂隙，受地表气温及大气压力影响，采空区与外界巷道空间出现气体“微循环”现象和虹吸效应，给采空区防灭火带来严重的威胁。针对此情况，对工作面停采线位置进行了优化，停采后使密闭位置处于岩石顶板段，确保了密闭后墙体的密封效果，保证了采空区的防灭火安全管理。

（2）工作面开始末采铺网阶段，每天对上下隅角和采空侧暴露的浮煤喷洒或灌注史达夫防灭火材料，同时尽量减少木料和易燃物品遗留在采空区。

（3）工作面推进至铺网阶段，及时降低高抽巷抽放量，工作面铺网结束停止推进时，立即停止高抽巷和低位抽放巷抽放系统，减少了采空区的供氧，降低采空侧浮煤的氧化反应。

（4）在工作面上下隅角利用堆设土袋（或砂袋），建立防火隔离墙（墙体厚度为1 m），必须接顶严密，减少采空区漏风。

（5）加强工作面顶板管理工作，提高支架的初撑力和支架支护质量，防止顶煤松动冒落遗留在采空区，确保工作面收面质量，以利于加快工作面回撤速度。

（6）建立完备的工作巡回制度，并严格落实。重点监测瓦斯浓度、CO浓度以及温度变化情况，一旦发现气体浓度或温度上升等异常情况，立即向通风调度室汇报［4］。

3.3 停采撤架期间防灭火措施

（1）工作面停采后，立即根据实际情况调整工作面通风系统，保证风量处在合理区间范围。日常加强工作面风量测定，至少每2 d 测定一次风量，并对老空区、架间、架后、回风流采集气样，同时对工作面泄水孔进行排查，防止向采空区漏风。

（2）工作面停止推进后，对上、下隅角利用堆设土袋（或沙袋），建立防火隔离墙（墙体厚度为1 m），同时运用快速封闭材料对架后采空侧进行全工作面封闭。最大限度减少了采空侧浮煤的暴露时间，同时大大降低了采空区漏风。

（3）支架回收期间，随支架的撤除对裸露的顶、底板及煤帮喷洒新型防灭火材料（史达夫）。如发现失效或漏风处，及时喷洒新型防灭火材料进行封堵。同时停止15105综放工作面抽放系统，减少采空区漏风，防止自燃发火。

（4）支架回收后，在砌筑永久密闭前，对采空区进行黄泥灌浆，隔断空气，阻止煤炭氧化，并吸热降温，同时黄泥浆还能增加浮煤的充填密度，减少漏风供氧［5］。

（5）利用束管监测系统对工作面瓦斯、CO 浓度、温度进行监测。CO 测点布置如图2 所示。同时利用比长式和便携式检测仪对CO 浓度进行实测，并填写记录表。安排专人取气样用色谱仪进行分析，并做好记录工作，一旦发现异常情况必须及时汇报。连续3 d 束管检测数据有变化，立即取气样送检测公司进行气体分析。

3.4 工作面封闭后防灭火措施

（1）在顺槽密闭施工后，向封闭区注氮气进行防灭火处理［6］。封闭初期，每天必须对封闭区进行连续注入氮气，通过束管、取样化验分析等手段确认。封闭区氧气浓度＜5%时，可间隔注氮气。封闭期间，每周人工取样一次，经化验分析封闭区氧气浓度＞10%时，立即启动注氮系统向封闭区域注入氮气。

（2）加强气体监测工作。工作面封闭后1 个月内，每3 d 采集一次气样；工作面封闭1 个月后，气体无异常，改为每周采集一次气样。

4 发生火灾事故的应急处理措施

（1）火灾初期，应积极组织人力、物力控制火势，直接灭火失效时，应采取隔离灭火控制火区。

（2）将排放水管路、压风管路改为消防管路。

（3）迅速查明灾情，并组织人员及时佩带好自救器撤出灾区和受威胁地区，积极组织救护队抢救遇难人员［7］。如果在撤退过程中遇到爆炸冲击波与火焰袭来时，应背向冲击波俯卧在底板或水沟内。遇到无法撤退、通路冒顶堵塞或瓦斯涌出量大、有害气体浓度大而又无法自救时，应迅速躲进避难硐室或临时构筑避难所等待营救。

（4）查明火灾地点、范围和发火原因，并采取防止风流紊乱、火烟侵袭、蔓延等措施，防止火灾向有人员的巷道蔓延，同时切断火区电源。

5 结语

以皇后煤业15105 综放工作面为例，系统分析了工作面停采撤面期间防灭火措施。并根据不同阶段工作面的施工特点，制定了相应的防灭火方案。防治方案中的核心点：①采空侧应用新型防灭火材料全覆盖堵漏；②停采线位置的设计，避免了密闭处顶煤松动变形带来后期漏风自燃的隐患。阐述了发生火灾事故的应急处理措施，对类似生产条件的矿井工作面停采撤面期间防灭火工作具有一定的指导意义。