南庄煤矿孤岛工作面防灭火技术存在的问题及解决措施

冯 星

（南庄煤炭集团南庄分公司，山西 阳泉 045000）

1 工作面概况

南煤集团南庄煤矿15#煤层厚度和结构稳定，平均厚度5.8 m，走向NNE，倾向NNW，倾角5°～6°。煤层直接顶为黑色泥岩，厚度6 m，节理发育，抗压强度22.52 MPa；老顶为深灰色砂岩，厚度为4.5 m，抗压强度35.48 MPa；底板为砂岩、砂泥岩，厚度4.6 m，颜色为灰白色，抗压强度为17.92 MPa。

煤层工作面按顺序回采会导致工作面相互干扰，影响生产的正常接续，因此采用了“跳采方式”。8826 和8822 工作面先进行回采，剩余8824 工作面两侧分别为8822 和8826 工作面采空区，8824 工作面是一个典型的“孤岛”工作面，该工作面上部对应的为12#煤4606、4607 工作面采空区，采用走向长壁后退式、低位放顶煤综合机械化采煤方法，采空区采用全部垮落法管理顶板，工作面采高为2.8 m。

2 孤岛工作面防灭火存在问题

南庄煤矿8824 工作面在自然发火防治方面存在自然发火期不具体、指标性气体不明确、漏风复杂多变、采空区自燃三带数据缺失四大问题。与常规工作面相比，8824 工作面作为孤岛工作面，受周围地压应力集中的影响，煤柱极易破碎产生裂隙，导致采空区以及相邻采空区的防灭火工作难度加大，而8824 工作面存在的四大问题更是严重威胁矿井的安全生产。

3 总体解决思路

为解决南庄矿15#煤8824 孤岛工作面防灭火存在的问题，采用煤自燃特征参数测试、指标气体检测、SF6示踪气体检测、自燃“三带”实测等方式进行分析研究[1-6]，问题解决思路如图1 所示。具体的实施过程如下：（1）在8824 综采工作面取样，采取氧化特征分析和热重分析，研究8824“孤岛”工作面的煤自燃特征；在8824 综采工作面取样，采用实验室热重分析等试验方法，测定15#煤层自燃特性参数，分析其最短自然发火期；（2）在实验室采用程序升温试验方法，测试15#煤层煤样随温度升高过程中的气体释放特征，分析得出煤自然发火标志性气体；（3）采用SF6示踪气体分析方法，对8824“孤岛”工作面对邻近工作面和巷道的漏风进行现场实测，分析得出工作面漏风形式和影响因素；（4）采用预埋束管和测温探头的方法，对8824 工作面煤自燃“三带”进行实际“观测”，分析采空区自燃危险区域。

图1 问题解决思路示意图

4 孤岛工作面防灭火问题的解决

4.1 煤自燃特征参数的测定

在15#煤层8824 工作面内距皮带巷50 m 位置取煤样，通过煤样绝热氧化反应装置，升到一定温度后保持炉温，采用气相色谱仪对生成气体的组分进行测定，并解算最短自然发火期，得出：（1）根据南庄矿井15#煤层煤样氧化升温试验确定CO初现温度为20 ℃，C2H4初现温度为110 ℃，煤的交叉点温度约为150 ℃；（2）根据煤样升温氧化试验结果，采用最短自然发火期模型解算，得出15#煤层8824 工作面的最短自然发火期为66 d。

4.2 煤自燃发火标志性气体的确定

在8824 工作面现场取煤样并在实验室进行分析[7-8]，通过测试煤样升温过程中CO、CH4、C2H4、C2H6与C3H8等气体的析出量，研究分析煤自燃过程中生成气体的组分和变化规律，确定煤样的耗氧特性以及自然发火的特征温度，优选得出自然发火的标志性气体。

通过优选南庄矿井15#煤层自然发火的标志气体，最终确定CO、C2H4作为15#煤层的主要指标性气体，辅助指标气体包括C2H6、C3H8和C2H4/C2H6，如表1。其中CO 气体初现的煤温为20 ℃，说明南庄矿井15#煤层在低温时已发生氧化反应；C2H4、C2H6与C3H8初始浓度小且易受风流影响，在井下一旦检测到，说明此时煤已进入加速氧化阶段，该阶段煤温一般大于100 ℃。

表1 南庄矿井15#煤层自然发火标志气体优选结果

4.3 漏风形式和影响因素的监测

采用SF6示踪气体分析方法，对8824“孤岛”工作面的漏风情况进行现场实测，分析工作面漏风形式和影响因素。根据8824 工作面与采空区之间的沟通情况[9]，选择在进风侧高能位点的裂缝处作为SF6释放地点，取样地点当然就选在低能位点的密闭或顺槽煤壁及工作面回风隅角。2021 年10 月选择在8822 运输巷密闭与8826 运输巷密闭释放SF6，测量地点选择在8824 运输巷与8822 运输巷之间的煤壁、8824 回风巷与8826 运输巷之间的煤壁。

监测结果：（1）8824 孤岛工作面与邻近工作面之间的漏风方向为邻近工作面向8824 孤岛工作面漏风，漏风量大小容易受到矿井通风、昼夜压差、季节气候等因素的影响；（2）对于8824 孤岛工作面漏风形式，包括工作面上下隅角漏风和邻近工作面之间漏风，且以工作面上下隅角漏风为主，供风量越大，漏风量越大。

4.4 工作面采空区自燃“三带”观测

8824 工作面共布置束管气体检测点6 个，间距30 m 分两排在采空区两道布置；运输巷（进风巷）共布置测点3 个，布置间距300 m，沿运输巷外帮均匀布置；回风巷沿外帮布置3 个测点，测点间距200 m。12 个测点的束管气体检测仪均采用Φ10 cm 硬质合金管进行保护。

观测完成后，应用COMSOL 数值模拟软件进行解析计算，并依据南庄矿井15#煤层自燃临界氧浓度（8.0%～18.0%）指标测试结果，得出该孤岛工作面采空区自燃“三带”分布情况如表2 所示。由表2 可知，回风侧氧化升温带宽度较大，最大宽度为176 m；进风侧较窄，为132 m。

表2 8824 工作面采空区自燃“三带”分布表

5 效果分析

（1）确定了南庄矿井15#煤层CO 初现温度为20 ℃，C2H4初现温度为110 ℃，煤的交叉点温度约为150 ℃，8824 工作面最短自然发火期为66 d。

（2）明确了南庄矿井15#煤层以CO、C2H4作为指标性气体，辅以C2H6、C3H8和C2H4/C2H6来判断煤炭自燃情况。

（3）确定了8824 工作面采空区“三带”分布规律，回风侧氧化升温带宽度较大，最大宽度为176 m；进风侧宽度较窄，为132 m。

（4）查明了8824 孤岛工作面漏风形式和影响因素，表明工作面漏风情况并不是一成不变的，漏风量大小容易受到矿井通风、昼夜压差、季节气候、工作面供风量等因素影响。日常生产过程中须密切注意漏风状态，加强密闭墙内外压差变化及指标气体检测，出现异常及时采取措施。另外，南庄煤矿在综合分析了煤自燃特征和“孤岛”工作面漏风复杂问题的基础上，成功试验应用了普瑞特Ⅱ防灭火技术，普瑞特Ⅱ型防灭火材料具有粘度高、材料凝结速度快、密闭效果好、封闭持久等优势。

（5）根据最短自然发火期为66 d 和自燃氧化升温带最大宽度176 m，南庄矿井8824 孤岛工作面的最小安全推进速度为2.67 m/d。15#煤层工作面正常生产期间平均推进速度为4 m/d，从采空区自燃“三带”理论方面来说是安全的，但工作面风量、产量是变化的，且其瓦斯含量较高，尤其是末采回撤阶段，应适当减小推进速度，若出现特殊状况导致的停采现象，采空区须采取普瑞特Ⅱ防灭火技术措施。

6 结论

南庄煤矿通过热重分析试验测得最短自然发火期为66 d，通过升温试验确定CO、C2H4作为15#煤层的主要指标性气体，采用SF6示踪气体法查明了该孤岛工作面的漏风形式和影响因素，通过预埋束管和测温探头方式对工作面采空区自燃“三带”进行观测。解决孤岛工作面防灭火技术存在问题的同时，得出工作面的最小安全推进速度为2.67 m/d，并试验应用了普瑞特Ⅱ防灭火技术，保障了8824“孤岛”工作面的安全高效回采。