浅埋深近距离煤层长距离工作面防灭火技术

尤文强

（神东煤炭集团公司 上湾煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209）

我国西北部地区煤炭赋存埋深一般在100～200 m[1]。随着神东矿区首层煤陆续回采结束，大部分矿井已开采第2 层煤。由于首层煤开采后呈现直达地表规律裂隙，井上下漏风严重，采空区遗煤已经过初次氧化；下层煤开采后，受重复采动影响，漏风通道更加发育，漏风方式更加复杂；加之神东矿区一般工作面走向长度约3～6 km，倾向长度300 m 左右，工作面回采后本煤层采空区及上下煤层采空区相互联通，形成超大范围采空区[2]。由于煤层间距近、工作面回采距离大、煤层埋藏浅，本煤层漏风、上下煤层采空区间漏风及地表漏风复杂，矿井防灭火工作难度增大[3]。

目前关于浅埋深近距离煤层工作面的火灾防治工作，大都集中在对本煤层工作面采空区自然发火规律研究，采取的火灾防治措施也以本煤层为主，对上覆煤层采空区，尤其水浸之后的上覆煤层采空区破碎煤体成为下层煤开采的自然发火隐患研究相对较少。为此对上下煤层采空区自然发火危险分析，采取了上下煤层采空区防灭火措施，保证了工作面安全推采。

1 工作面概况

神东矿区上湾煤矿井田内地质构造条件简单，煤层赋存稳定。矿井采用斜井-平硐-立井联合开拓方式。主要稳定可采煤层为12、22 和31 煤层，正在开采的是12 煤三盘区、12 煤四盘区及22 煤一盘区。12 煤层大部分可采，12上煤与12 煤的层间距15～24 m，下距22 煤25.28～36.51 m，平均31.78 m，煤层厚度0.28～8.57 m，平均5.21 m，矿井采用全负压通风系统，工作面采用“U”型通风方式；12 煤自燃倾向性为I 类容易自燃，最短自然发火期35 d，12上煤自燃倾向性为I 类容易自燃，最短自然发火期40 d；22上煤自燃倾向性为I 类容易自燃，最短自然发火期60 d。

以12 煤层12305 工作面为例进行分析总结。12305 综采工作面位于12 煤三盘区第5 个综采工作面，煤层底板标高为1 023.73～1 034.3 m，地面标高为1 220～1 334 m，工作面宽300.5 m，推进长度5 077 m，可采面积为152.56 万m2，工作面煤层平均厚度4.24 m，设计采高4.8 m，可采期为11 个月，月推进度为358 m。

12 煤层12305 综采工作面大致沿煤层走向布置，工作面巷沿煤层倾向布置。12305 综采工作面布置2 条运输巷和1 条回风巷，工作面巷道布置示意图如图1。

图1 工作面巷道布置示意图Fig.1 Schematic diagram of mining face roadway arrangement

2 条运输巷中1 条为运输巷，运输巷宽6 m、高3.6 m 的矩形巷道；另1 条为辅运巷，宽5.4 m、高3.8 m 的矩形巷道；回风巷宽5.4 m，高3.8 m 矩形巷道；开切眼为宽8.9 m，高3.8 m 矩形巷道；回撤通道为宽5.0 m，高3.6 m 矩形巷道。

12305 工作面西侧紧邻12304 采空区，相邻的同一煤层、同一盘区有12301～12304 等4 个采空区，相邻采空区保护煤柱平均宽度20 m，东侧实体煤；工作面正上方有12上305、12上306 和12上307 采空区，42 煤1 盘区对应上覆有12上301～12上311 等11 个采空区，12 煤与12上煤层间距为15～24 m。工作面上覆及邻近采空区布置示意图如图2。

图2 工作面布置示意图Fig.2 Schematic diagram of mining face arrangement

2 采空区自然发火影响因素分析及自燃区域划分

采空区遗煤自燃是具有自燃倾向性的破碎煤体在适宜的O2体积分数氛围、且有足够蓄热氧化环境及时间的条件下发生的物理化学变化的结果[4]。

采空区自燃危险分析如下：

1）12上煤、12 煤、22 煤均为I 类容易自燃煤层，自然发火期短，煤层变质程度低，挥发分较高，给煤层自燃提供了先天性条件。

2）12上煤属浅埋深煤层回采，工作面上覆岩层产生的裂隙发育至地表，没有“三带”中的弯曲下沉带。12 煤与12上煤层间距15～24 m，12 煤回采后与上覆12上煤采空区产生沟通裂隙，且受重复采动影响，使地表裂隙更加发育，上下煤层采空区及地表相互联通，煤层间漏风及地表漏风方式更加复杂，因此上下煤层采空区受地表大气压变化影响较大，表现出进气、出气的“呼吸”现象，上下煤层采空区O2体积分数很难降低至煤的O2体积分数下限，增加采空区自燃“三带”范围，增大采空区自然发火危险区域[5]，给开展工作面防灭火工作增加很大难度。

3）12 煤层平均厚度4.24 m，工作面设计采高4.8 m。两巷设计高度分别为3.6、3.8 m，切眼设计高度3.8 m，停采线设计高度3.6 m，采空区中部遗煤少，两巷及开采线、停采线处遗煤厚度超过极限浮煤厚度；根据浅埋深采动裂隙发育规律可知，两巷、开切眼及停采线处上覆岩层裂隙发育充分，回采后地表裂隙未能自我闭合，漏风通畅。

4）12305 综采工作面辅运巷26-48 联上覆为12上305、12上306 及12上307 综采工作面采空区、12上煤主辅运及回风4 条大巷，其中工作面上覆12上307 回风巷与12上306 运输巷中间有20 m 宽保护煤柱，受重复采动影响，煤柱受压破碎，上覆采空区遗留大量破碎煤体。12305 工作面推进长度约为5 000 m，这就使得工作面两巷联络巷布置较多，其中与12304 采空区侧布置71 个联络巷，联巷为宽5.0 m、高3.6 m 的矩形巷道，工作面回采过后，受矿压影响，联络巷密闭易压裂[6]，左右采空区相互连通形成超大采空区，进一步增加了工作面防灭火工作的难度。

5）12305 工作面运输巷、辅运巷及回风巷内布置疏放水钻孔，均为探放12上煤采空区积水钻孔，累计施工探放水孔22 个，累计泄水量约5 288.8 m3。疏放水过程中一方面易造成水气置换；另一方面受重复采动影响，12上煤采空区内的煤柱遭到破坏，遗煤经水浸泡放水疏干后吸氧量增大，氧化反应速度更快，自燃危险性更大[7]。

6）12305 综采工作面运输、辅运、回风巷及联巷顶板采用圆钢锚杆、锚索及钢带、钢筋网联合进行支护。工作面回采时两巷若退锚不及时，造成两巷采空区大面积悬顶，大幅度增加采空区漏风量。

自然发火重点区域确定如下：通过对12305 工作面采空区自然发火影响因素分析，可得出其自然发火重点区域：①本工作面两巷、开切眼和停采线处；②工作面两巷探放水后，12上煤采空区遗留保护煤柱。

3 矿井综合防灭火技术措施

根据上湾煤矿采空区遗煤自燃影响因素分析结果，结合“预防为主，综合治理”的指导思想，首先研究建立了以CO、C2H4、C2H6作为标志性气体的自然发火预测预报体系[8]，制定以井下火灾束管监测系统、人工现场检测及色谱分析为主，安全监测监控系统为辅的火灾监测体系，编制了《上湾煤矿自燃火灾预测预报制度》、《上湾煤矿“一通三防”管理制度》和《上湾煤矿矿井防灭火专项设计》等相关防灭火管理制度；建立以井上、下注浆和井下移动式注氮为主，地表堵漏、密闭管理、浮煤管理等多种措施相结合的综合防灭火措施[9]。

3.1 采空区自然发火监测措施及重点监测区域

1）12305 工作面选用KJ95X 型安全监测监控系统，该系统可监测瓦斯、CO 和温度等参数。主要监测地点：工作面回风隅角安设瓦斯、CO、O2传感器；回风巷距离工作面小于10 m 范围内安设瓦斯、CO、温度传感器。传感器布置如图3。

图3 传感器布置示意图Fig.3 Schematic diagram of sensor arrangement

2）上湾煤矿配有JSG-4 红外束管系统，该系统可实现井下取气分析，数据上传地面，实时监测采空区内CO、CO2、CH4、O2等气体的体积分数。工作面布置3 路束管，分别为工作面的回风隅角布设1 个测点、采空区布设2 个束管监测点，束管沿工作外邦靠底板布置，各监测点间隔距离依据采空区自燃“三带”分布情况进行设定，束管外设保护套管用以防止被落煤砸坏，各测点端头用束管采样保护装置进行保护，且需高出巷道底板1.5 m 防止采空区积水浸没束管测点，各测点布置情况如图4。工作面气体分析结果通过工业环网交换机传输至地面监控机房，能及时掌握采空区气体变化情况，实现煤自然发火早期预报。

图4 采空区测点布置示意图Fig.4 Schematic diagram of monitoring points arrangement

3）12305 工作面两巷每个联巷密闭均设置观测孔，用以监测本采空区及邻近12304 采空区，每天安排专职人员进行人工取气分析，若出现气体异常情况，可进行测温辅助监测，进而确定采空区遗煤氧化程度，为采取针对性防灭火措施提供依据；利用工作面两巷及回撤通道施工的疏放水孔对上覆采空区进行人工取样分析，尤其是工作面过上覆采空区或上覆煤柱时，需提前施工上覆采空区观测孔，加强对上覆采空区的气体及温度监测。

3.2 采空区自然发火防治措施

3.2.1 注浆防灭火措施

由于神东矿区均为高产高效矿井，矿井工作面回采距离长，采空区面积大，从经济和灌注效果方面考虑，选用黄土作为注浆材料。黄泥浆液灌注至采空区，一方面能吸热降温，另一方面可以有效包裹浮煤、封堵漏风通道，隔绝O2。由于12305 工作面上覆有已回采采空区，上覆煤层采空区遗煤存在自然发火可能性，考虑现有注浆设施能力，采取对上覆煤层采空区进行地面施工注浆钻孔注浆，本煤层工作面采空区利用地面注浆站敷设至井下的注浆管路进行预防性注浆。

1）本煤层工作面采空区主要注浆地点为两巷靠近开切眼及停采线侧300 m、开切眼、终采线处；重点注浆区域示意图如图5。

图5 重点注浆区域示意图Fig.5 Schematic diagram of key grouting area

2）随着神东矿区大部分矿井首层煤开采结束，大部分矿井已进行下煤层回采，首层煤开采过程中大部分矿井未进行预防性注浆等预防性防止采空区自然发火措施，这就使得浅埋深近距离煤层群回采上覆采空区遗煤自然发火成为下层开采的重大隐患[10]，因此在下层煤工作面回采之前需对上覆采空区遗煤进行预防性注浆，12305 工作面上覆采空区采取地面施工注浆钻孔，并在地面建设移动注浆站，使浆液直接、快速、大流量灌注到注浆区域，地面钻孔沿上覆采空区两巷、开切眼、停采线进行布置，钻孔间距根据浅埋深近水平采空区浆液有效覆盖范围进行布置，其间距约50 m。

3.2.2 预防性注氮措施

1）12305 综采工作面进行回采前，对上覆12上煤进行疏放水后，利用已施工疏放水孔或补打钻孔向12上煤采空区注氮，注入量以使上覆12上煤采空区内O2体积分数在7%以下为标准；12305 综采工作面回采时，利用探放水钻孔或补打钻孔向12上煤采空区实施预防性注氮措施；通过进风侧采空区埋设的注氮管路向本工作面采空区注氮。

2）本工作面注氮位置应根据采空区自燃“三带”和漏风区域选择，将制氮机安装在12304 辅运巷内实施注氮，沿工作面进风侧采空区埋设注氮管路，注氮主管路选择ϕ159 mm 管径，采空区埋设管路选择ϕ108 mm 管径。当注氮口进入氧化带后开始注氮，当工作面推过氧化带宽度后，埋设第2 根注氮管，当第2 个注氮口进入氧化带后，第1 根注氮管已进入窒息带，断开第1 根注氮管，第2 根注氮管开始注氮，依次循环。注氮时，氮气释放口应高于底板300 mm 以上，90°弯拐向采空区，与工作面保持平行；一般情况下，为防止注氮管口被砸或堵塞，尽量用石块或木垛等加以保护，氮气释放口端打花眼，用铁丝网包裹。

3.3 其它防止采空区自然发火措施

1）浅埋深近距离煤层群开采，地表漏风是导致采空区自然发火的一个重要因素，因此需在工作面回采前及回采后，及时对工作面地表的裂隙进行有效封堵[11]。

2）在机头端头支架与煤壁之间设挡风帘在机尾147#～150#架安设导风帘，降低采空区漏风量。

3）工作面上下端头封堵。在工作面上下端头垒丝袋闭，其方法为：用丝袋装满封堵材料，在工作面上下端头砌丝袋闭，可随工作面推井同时向前移动，严密地封堵采空区进、回侧。设置丝袋闭时下部宽度不得小于1.5 m，丝袋闭必须与巷道上帮和顶板接实接严，减少漏风。

4）防止悬顶面积扩大的措施以退锚索为主，辅以退锚杆措施。

5）由于回采工作面属浅埋深近距离煤层开采，且推进距离长、联巷密闭多，联巷漏风是采空区漏风的另一主要通道，随着工作面推进，对12305 回风巷与12304 采空区的密闭定期进行质量检查，防止向采空区供风造成采空区自燃；12305 运输与辅运巷之间联行密闭，为保证密闭混凝土墙强度，超前2 道联巷密闭进行封闭，密闭施工完毕后及时对各联巷密闭高分子材料填充，填充完毕后对密闭及联巷顶帮进行喷浆，减少向采空区漏风。

6）12305 工作面在回采期间，由于上覆12上煤采空区离本工作面较近，上下煤层间存在连通的裂隙漏风通风，为防止开采期间上覆采空区发生遗煤自然发火产生的有毒有害气体大量进入生产工作面，制定12305 工作面的应急均压措施防灭火技术措施。工作面回采前，将均压系统建设完毕，确保系统可以随时启用。工作面回采时，若回风流中CO 体积分数不超过24×10-6时，不启用均压措施。当回风流中CO 体积分数超过24×10-6，并呈上升趋势，经判定CO 来源于上覆采空区时，启用均压措施。

4 结 语

通过对上湾煤矿12305 工作面采空区易燃区域分析，得出近距离煤层群长距离工作面采空区容易自燃的内外部原因及重点防治区域，进而对上下煤层采空区分别采取了相对应的预防治理措施，12305工作面回采开始至结束，本采空区及邻近采空区未发现自然发火迹象，12上煤采空区CO 体积分数在3×10-6左右，无自然发火的迹象。