三交河煤矿2-2-601工作面采空区防灭火技术研究与应用

张建华

（霍州煤电集团三交河煤矿，山西 洪洞041600）

1 工程概况

霍州煤电集团三交河煤矿2-2-601工作面位于978水平六采区南翼，其西侧为实体煤，南端为实体煤，北端邻六采区皮带巷。工作面最大埋深约296 m，开采2-2煤层，煤层厚度1.03～2.76 m，平均厚度2.06 m，直接顶以泥岩、砂质泥岩为主，2-2-601工作面走向长度约1 800 m，倾向长度253 m，采用综合机械化开采，通风方式为“U”型通风。根据矿井地质资料可知，2-2煤层属自燃煤层，煤层自燃等级为Ⅱ级，现为防止采空区出现遗煤自燃现象，特进行采空区自燃“三带”分布规律的分析及防灭火方案的设计。

2 采空区自燃“三带”分布

为掌握2-2-601工作面采空区自燃“三带”的分布规律，现采用预埋束管的方式进行采空区内气体成分的检测作业，检测范围为工作面250 m，测点每间隔50 m设置1个，本次检测方案共计布置10个测点，其中采空区进风侧和回风侧布置6个，工作面及回风顺槽布置4个测点。

测点采用预埋束管的方法进行采空区内气体的抽取与检测，每根束管负责监测一点的气体，不同束管之间通过颜色不同来区分测点位置，探头采用直径8 mm的过滤式探头，布置探头时将其抬高0.5 m以防止积水堵塞束管，埋管及探头布置见图1。

图1 埋管及观测探头布置形式示意图

在工作面回采期间，通过对采空区内气体的持续观测，能够得出随着采空区进风侧与回风侧氧浓度、CO浓度与采空区深度间的曲线图见图2。

分析图2可知，随着埋入采空区深度的不断增大，采空区进风侧与回风侧的氧浓度呈现出逐渐减小的趋势，其中进风侧埋入采空区深度0～100 m的范围内，氧浓度的下降幅度较低，当埋入深度大于100 m时，氧浓度的下降速率开始逐渐增大；回风侧在埋入采空区0～70 m的范围内，氧浓度的下降幅度较低，当埋入深度大于70 m后，氧浓度的下降速度开始逐渐增大；据此可知采空区回风侧氧浓度的下降速率高于采空区进风侧，出现这种现象的主要原因为采空区上方为主要的漏风通道，在风流的作用下，采空区上方的氧气浓度较高，即导致采空区上方氧浓度高于采空区下方。

图2 采空区氧浓度、CO浓度-埋入采空区深度曲线图

根据煤层自燃理论[1-2]，结合2号煤层特征确定采用CO作为衡量遗煤自燃的指标时，当CO浓度高于24×10-6，即代表遗煤具有自燃危险性；分析图2可知，采空区进风侧与回风侧在氧气浓度＞10%时，CO浓度达到一定值后基本处于稳定状态，据此可知，采空区在常温状态下，氧气浓度在10%左右时可有效抑制采空区浮煤的自燃现象；在氧气浓度低于5%时，采空区内的CO浓度便开始逐渐降低。

另外从图3可看出，随着工作面回采作业的进行，测点埋入的深度不断增加，在采空区0～90 m范围内CO浓度相对较低，当埋入深度在90～150 m范围内时，该区域CO浓度相对较高，O2浓度基本在10%～18%范围内，氧气浓度能够为遗煤氧化提供供养条件，进而导致遗煤自燃氧化速度较快，最终表现为CO浓度较大，最大峰值达到33×10-6；在采空区进风侧110.8 m深度和回风侧87.6 m深度后，采空区内氧气含量不断下降，而CO浓度开始逐渐升高，即可大致判定为采空区进入了氧化升温带。

根据采空区自燃危险区划分方法及步骤[3-4]，结合实测气体数据，最终可确定采空区散热带主要分布在距工作面10～100 m范围内，采空区进风侧由于漏风的影响，导致散热带在中部相对较浅，约为95 m；窒息带分布在距离工作面155～165 m范围内，其中进风侧为165 m、回风侧为137 m，采空区中部为160 m，即采空区进风侧、中部、回风侧氧化升温带的宽度分别为55、50、50 m，具体采空区自燃“三带”范围见表1，自燃“三带”分布规律见图3。

表1 采空区自燃“三带”分布范围数据表

图3 采空区自燃“三带”分布图

3 防灭火方案及效果

3.1 防灭火方案

根据2-2-601工作面的地质条件，结合上述采空自燃“三带”的分析结果，确定采空区防灭火方案为封堵漏风+注氮降氧+黄泥灌浆相结合的方案，具体防灭火方案各项技术措施如下：

1）封堵漏风。在工作面回采期间，进风巷和回风巷两端头采用堆积沙袋进行端头的封堵，沙袋墙的宽度为巷道的宽度，高度应大于600 mm，并确保沙袋墙接顶接帮严实，沙袋墙在采空区进风巷和回风巷端头每间隔50 m布置1道，沙袋墙堆设完毕后，在墙体表面喷涂高分子材料，以保障墙体的密封效果，在进风巷区域墙体堆设时，提前预埋好注浆管路，具体布置形式如图4所示。

图4 回采巷道端头封堵漏风示意图

2）注氮降氧。工作面回采期间进行采空区注氮作业，以有效降低氧气的含量[5-6]，注氮采用交替注氮的方式，交替迈步距离为25 m；注氮管路布置在进风巷内，其中进风侧的注氮管路大于50 mm，当注氮管路埋入采空区25 m后，即可开始注氮作业，并进行第2趟管路的铺设，当第2趟管路埋入采空区25 m后，即可停止第1趟管路的注氮，开启第2趟管路进行注氮作业，如此反复进行注氮作业，具体注氮管路布置形式如图5所示。

图5 注氮管路布置形式示意图

3）黄泥灌浆。根据2-2-601工作面赋存条件及开采特点，在回风顺槽内每间隔40 m布置1趟灌浆管路，管径大于100 mm，灌浆采用随采随灌的方式，浆液采用黄泥浆，灌浆系统主要包括浆液制备、运输、和灌注，黄泥浆在矿井地面设置灌浆站，由地面搅拌站搅拌完成后，通过灌浆管路将黄泥浆输送至采空区回风顺槽灌浆点位置，具体灌浆系统见图6。

图6 灌浆系统示意图

3.2 效果分析

工作面采用上述防灭火方案后，通过束管监测系统的持续监测，结合人工测试的方式，对采空区内气体进行3个月的监测分析，能够绘制得出采空区CO含量与埋入采空区深度的曲线图，具体见图7。

图7 采空区CO含量曲线图

分析图7可知，随着工作面回采作业的进行，采空区的CO含量呈现出先增大后减小的趋势，CO含量的最大值为18×10-6，未超过24×10-6，CO含量较高的区域出现在埋入采空区290～321 m的位置处，该区域由于埋入采空区过深，采取的防灭火措施基本无法扩散至该区域，但当埋入深度大于321 m后，由于上覆岩层在自重应力作用下逐渐压实，该区域的氧气含量逐渐降低，进而出现CO含量又逐渐降低的现象。基于上述分析可知，当工作面采空区采用上述防灭火方案后，有效减缓了采空区内遗煤的氧化，防止了采空区出现自燃现象。

4 结论

根据2-2-601工作面赋存情况及开采特征，采用采空区束管监测的方式进行自燃“三带”分布规律的分析，根据分析结果得出采空区进风侧、中部、回风侧氧化升温带的宽度分别为55、50、50 m，设计采空区采用封堵漏风+注氮降氧+黄泥灌浆相结合的防灭火方案，实施后的CO含量分析结果可知，该方案有效抑制了遗煤的氧化，确保了采空区内无自燃现象出现，为工作面的安全生产提供了保障。