厚煤层工作面采空区自燃“三带”分析与防治技术

杨 阳

(晋能控股集团 晋城煤炭事业部晋圣公司，山西 晋城 048006)

煤自燃火灾是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，其中采空区自燃火灾占比大。煤矿火灾的60%为采空区自然发火，中厚以下煤层采空区自燃次数占采空区发火总数的16%，厚煤层和特厚煤层的采空区自燃火灾次数占采空区发火总数的84%[1].为此，对厚煤层工作面采空区自燃“三带”分析并提出合理的防治技术尤为重要[2-3].智国军等[4]研究指出根据煤岩体孔隙率划分的自然堆积区、载荷影响区和压实稳定区，分别与采空区自燃“三带”散热带、氧化带及窒息带呈一定程度对应关系；陈庆丰[5]针对撤架期间采空区松散煤体的自燃特性，提出采空区保压控氧、注氮注浆联合减氧降温、高低位钻孔注浆靶向治理发热条带等综合防灭火技术措施。本文以某矿3801工作面为工程背景，采用现场测定方法对采空区自燃“三带”进行了分析，并给出了采空区自燃防治方法，以期为该矿工作面安全生产提供借鉴与指导。

1 工程概况

某煤矿主采3#煤层3801工作面，工作面标高为+954.6～+972.3 m，走向长度 815.23 m，倾向长度 237.72 m，煤层平均倾角5°，平均厚度5.3 m，采用大采高综合机械化采煤工艺，工作面北为38采区回风巷，南为井田边界，西为物探成果采空区和小窑破坏区，东为35采区回风巷。煤层顶底板情况见表1.

表1 煤层顶底板情况表

3801工作面随着回采作业的进行，顶板垮落情况良好，不存在大规模悬顶情况，采空区后方较严实，有利于减小采空区的漏风，通风方式为“U”型通风，工作面配风量 1 853 m3/min.

2 3801工作面采空区自燃“三带”确定方法

2.1 现场测定方法

采空区自燃“三带”主要包括散热带、氧化升温带和窒息带。随着工作面回采作业的进行，“三带”范围随之发生变化。为此，判断采空区遗煤自燃发生的可能性，需对其采空区内部氧气浓度进行测定，通过现场气体抽测，将采集到的气体利用气相色谱仪进行分析。

2.2 测点布置方式

测点布置见图1，采空区内气体主要沿走向变化，沿倾斜方向略有变化。在采空区进、回风侧埋设取样管路布置测点1、2，取样管路采用束管，束管的外部采用d50 mm钢管作为保护管，避免顶板来压或端头支架来压对束管造成破坏。

图1 束管及抽气点位置图

束管的前端布置见图2.对管口前端进行密封处理，在保护钢管壁上钻凿多个取气小孔，随后将束管放入钢管中，并对套管中间拐角位置进行隔离密闭。随着工作面的推进，束管慢慢进入到采空区内，以此测定采空区中氧气的含量随回采工作面推进的变化情况，最终确定采空区“三带”范围。

图2 束管前端布置图

为保障回采作业面安全，制定如下测定程序：

1)在保证束管及相应密闭条件完好的情况下，每天进行一次现场气体采集，并进行及时有效地分析。

2)在现场进行气体采集之前，需对束管内的空气进行排气处理，避免对取气样本造成影响。

3)现场取样过程中，要做好工作面相关参数的记录工作，例如工作面推进距离、采空区垮落情况等。

2.3 采空区自然“三带”确定

试验工作面条件为：1)上下隅角吊挂挡风帘、导风帘。2)上下出口断面合理，工作面风流畅通。3)工作面上下口采空区随采随垮，没有形成悬空。用束管连续测定运输巷和回风巷采空区氧气变化情况，埋入的测点随采空区的推移而呈动态变化情况，分别见图3,4.

图3 进风侧测定结果图

图4 回风侧测定结果图

根据图3,4可知，随着工作面推进距离的增加，对于进风侧，采空区内的含氧量表现为线性降低趋势，其中在采空区以里25 m与125 m位置测得的氧气浓度分别为18.02%与9.65%；对于回风侧，氧气浓度随工作面推进距离增加的变化趋势与进风侧相近，在采空区以里10 m与60 m位置测得的氧气浓度分别为17.85%与9.78%.由此确定采空区自燃“三带”:由支架切顶线到采空区25 m范围为散热带;由采空区内25～125 m为氧化升温带；采空区125 m范围以外为窒息带。

3 工作面安全推进速度确定

根据采空区氧化升温带范围，工作面最小安全推进速度vmin计算方法如下：

(1)

式中，dmax为采空区氧化带范围，m；t为煤层平均自然发火期，d.

该矿3#煤层平均自然发火期为42 d，采空区氧化带为105 m，带入式(1)可得，工作面最小安全推进速度为2.5 m/d.

当工作面推进速度大于2.5 m/d时，工作面采空区不会出现自燃发火风险，为保障工作面安全，确定该矿3801工作面平均推进速度应不小于3 m/d.

4 采空区自燃防治方法

4.1 注氮防治

由于该矿赋存多个煤层，主采3#煤层上覆煤层采空区一旦发现CO含量异常时，利用已有疏放水钻孔作为注氮孔，向上覆煤层采空区注氮，将氧浓度控制在7%以下。3801工作面采空区发现CO含量异常时，将制氮设备放置于3801工作面辅运巷中，在进风侧向采空区铺设第1条注氮管路，管路直径145 mm，当管口端部进入氧化升温带后开始向采空区内注氮；当工作面超过氧化升温带宽度后，铺设第2条注氮管路并注氮，同时切断第1条注氮管路(进入窒息带)，以此类推进行循环作业。注氮时，需注意注氮管口端部应高出巷道底板约250 mm，为避免管口遭受矸石砸损或者堵口，采取木垛保护措施，注氮端口打花眼，并用铁丝网包裹。通过现场注氮效果检测，氧浓度约为6.4%，取得了良好的效果。

4.2 堵漏防治

在3801工作面推进过程中，随着上覆岩层的垮落，地表已经出现明显的裂隙，需及时跟踪调查，对已出现的地表裂缝及时填堵并夯实，并定期观测地表已填堵裂缝变化情况，如果再次出现裂隙，要及时补充充填夯实，防治裂隙形成与发展，减少采空区漏风量；重点排查井下层间漏风情况，发现氧气含量异常地带及时封堵，避免工作面间通过采空区形成串联漏风通道。主要封堵方法：用丝袋装满封堵材料，在工作面上下端头部位砌筑丝袋密闭，随着工作面的推进，丝袋密闭随之转移，对于采空区进、回两侧要严密封堵，其中丝袋密闭底部厚度应不小于1.5 m，同时对巷道两帮及顶板及时喷浆，最大限度地减少漏风。受采动压力影响，还应重点检查煤柱及密闭墙裂隙发展情况，对于明显的裂隙区域应采用高分子材料充填封堵，消除漏风隐患。

5 结 论

1)通过现场测定分析，根据工作面推进氧气含量的变化，确定采空区三带：由支架切顶线到采空区25 m范围为散热带；由采空区内25～125 m为氧化升温带；向采空区125 m范围以外为窒息带。

2)对于上覆煤层采空区与回采工作面采空区，提出了注氮防治煤自燃措施，给出了现场注氮管路布设方法，通过现场注氮效果检测，氧浓度约为6.4%，取得了良好的防治效果。

3)针对3801工作面开采现状，通过重点排查井上下不同部位存在的漏风情况，提出了重点区域堵漏防治煤自燃措施，消除了漏风隐患，以实现工作面安全高效回采。