雪坪煤矿10-207 综放工作面自然发火防治技术

岳振国

（霍州煤电临汾宏大雪坪煤业有限公司，山西 临汾 041099）

1 工程概况

霍州煤电临汾宏大公司雪坪煤矿目前主采9、10+11 号合并层，煤层厚度平均6.94 m，含有3 层的夹石，厚度1.0 m，属瓦斯矿井。9+10+11 号煤层自燃倾向性等级Ⅱ级，属自燃煤层，煤的自然发火期68 d，最短自然发火期46 d。10-207 综采放顶煤工作面位于二采区南部，东侧紧邻原河底山煤矿采空区，南部为井田边界，西部为规划的10-209 工作面，北部为实体煤。工作面煤层走向总体趋势北东，倾向西北，倾角3°～13°，平均8°。考虑到放顶煤步距及顶煤回收率等因素，采用“一采一放，追机放顶煤”作业方式，确定循环进度为0.6 m。工作面实际可采走向长度1930 m，工作面面长132 m。

2 自然发火综合防治技术

2.1 阻化剂防灭火

为抑制采空区遗煤的自燃，采取喷洒阻燃剂的方式。阻化剂溶液具有很强的吸水性，将其喷洒在煤体表面时，将吸收空气中的水分，在煤体表面形成一层含水液膜，减小煤体与氧气的接触面积和时间，从而抑制煤的氧化和自燃。目前使用较为普遍的阻化剂包括水玻璃、氢氧化钙、工业CaCl2及工业MgCl2等。考虑到阻燃效果、污染性等因素，10-207 工作面选择卤块（工业MgCl2）作为阻化剂。参照相似煤体条件下矿井使用案例[1-2]，阻化剂浓度控制在15%～20%之间阻燃效果较好，因此暂定阻燃剂溶液质量浓度为15%。10-207 工作面引进移动式喷洒压注系统，注液泵和水箱放置在进风巷中，通过高压管路将溶液输送至工作面，由专人手持喷枪向采空区喷洒，每间隔5 组支架喷一次，每次喷洒至少6 min，流量不小于35 L/min。喷洒系统详细组成如图1。

图 1 阻化剂移动式喷洒系统

10-207 综采工作面一天喷洒量：

式 中：V为 阻 化 剂 溶 液 体 积，m3/d；Qy为每吨煤需要的阻化剂溶液体积，取0.04 m3；η为遗煤率，取3%；ρ为煤密度，取1.45 t/m3；L为工作面长度，取132 m；H为机采高度，取2.2 m；S为工作面每日推进距离，1.8 m。

V=0.04×3%×1.45×132×2.2×1.8=0.91 m3/d。

10-207 综采工作面一天喷洒量体积为0.91 m³，则10-207 综采工作面一天喷洒量为：

M=ρV=2320×0.91=2112 kg

式中：ρ为氯化镁密度，取2320 kg/m³。则雪坪煤矿10-207 综放工作面每日所需卤块（工业MgCl2）质量为2112×15%=317 kg。

2.2 采空区注氮防灭火

10-207 工作面采用JSG9 地面固定式煤矿自然火灾束管监测系统。回采工作面运输和回风侧风站设置固定观测点；回采工作面进、回风顺槽距离工作面10～20 m 处设置移动观测点，自分路箱引出7芯束管，从进、回风顺槽各布置3 芯、4 芯束管引入采空区，每隔30 m 引出单根束管并接上采样器作为一个采样点，监测三带气体变化情况。当采样点进入采空区后开始对该采样点进行取样分析，待第一个测点埋入采空区90 m 后（可根据实际监测结果进行调整），即可断开第一个测点，并重新埋设，依次类推，直至工作面。通过对10-207 工作面回采初期采空区氧气浓度、漏风强度监测结果分析，结合实验室测得的煤自燃极限参数，确定10-207 工作面采空区自燃危险区域的范围如图2。

图2 10-207 工作面束管监测系统及自燃三带划分

根据现场监测数据可知，10-207 工作面后方15～35 m 深度范围内为散热带；工作面后方回风巷侧20～50 m、进风巷侧30～70 m 为氧化升温带，该区域为采空区防灭火的重点部位；工作面后方70 m进入窒息带。据此设计采空区埋管注氮技术：在工作面的进风侧埋设一趟注氮管路。当埋入进风侧30 m 时开始注氮，并在上隅角处埋设第二趟注氮管路，即注氮口间距30 m。当第一趟管路进入采空区60 m 时停止注氮，第二趟管路开始注氮，如此循环直至工作面回采完毕。注氮系统详见图3 所示。注氮泵可根据流量进行选择，按工作面采空区漏风量计算注氮流量[3]：

图 3 10-207 工作面采空区注氮系统示意图

图 4 灌浆站布置示意图（m）

式中：Q0为氧化带内漏风量，10-207 工作面采空区氧化带内估算漏风量为5 m3/min；C1为采空区氧化带内平均氧浓度，根据束管监测结果为12%；C2为采空区惰化防火指标，根据实验室测试结果，采空区内氧气浓度不得大于7%；CN为注入氮气的浓度，根据《煤矿安全规程》规定，注氮浓度应大于97%，故确定CN为97%；K为安全系数，取1.2。经计算得到10-207 工作面需要供氮量为450 m3/h，雪坪煤矿选用PSA98—800 型制氮机制氮能力为800 m3/h，满足要求。

2.3 灌浆防灭火

灌浆系统分为集中灌浆和分散灌浆，根据雪坪矿实际情况，土源较为丰富，煤层埋藏较浅，单工作面生产等特点，选择地面集中灌浆系统。在工业广场选取适当位置建立两个搅拌池和一个注浆池，注浆池相对于搅拌池较低，三个池子的直径深度均为2.0 m，池子地面采用红砖砌筑，内壁采用防水水泥砂浆抹面，池子中上部安装搅拌器，搅拌池内下部留设出料口。搅拌均匀后的浆液通过管路输送至注浆池，注浆池安装两个离心式液下泥砂泵一台。地面制浆系统组成如图4。目前我国常使用的预防性灌浆包括采前灌浆、随采随灌、采后灌浆[4]。采前灌浆主要用于对老空区自然发火的治理。随采随灌是指工作面回采期间，定期向采空区灌浆，主要用于自然发火严重的煤矿。雪坪煤矿已采用采空区埋管注氮技术，且煤层自燃倾向性等级Ⅱ级，无需进行工作面回采期间的灌浆。根据雪坪煤矿10-207 工作面采空区自然发火防治的实际情况，设计采用封闭式灌浆。工作面回采结束，两侧回采巷道密闭墙封闭时预留措施孔，按充填采空区20 m 计算进行灌注黄泥浆，进风侧和回风侧分别灌注240 m3黄泥浆，浆液水泥比为5:1。

3 应用效果分析

3.1 工作面回采期间注氮防灭火效果评估

雪坪煤矿10-207 工作面回采期间采用束管监测采空区内O2及CO 浓度，工作面正常回采期间，注氮后采空区回风侧O2及CO 浓度变化规律如图5。监测点进入氧化升温带后，O2浓度稳定在18%～20%，氧气浓度充足，满足自然发火的要求。2 月4 日开始注氮前，CO 浓度达到5.8×10-5，根据实验测试煤层自燃特性，此时采空区温度已达到90℃；2 月4 日开始，每间隔7 d 进行一次采空区注氮，在此期间，采空区氧化升温带CO 浓度为（0.5～3.5）×10-5，采空区温度小于30 ℃。通过采空区注氮技术可有效抑制氧化升温带遗煤的氧化和升温，防止采空区发生自燃现象。

图 5 氧化升温带CO、O2 浓度监测结果

3.2 黄泥灌浆防治效果评估

雪坪煤矿10-207 工作面回采及封闭完成后，通过束管监测采空区内CO 浓度，整理得到结果如图6 所示。黄泥灌浆封堵完成后，采空区内CO 浓度逐渐下降，封堵后约15 d，进风巷侧CO 浓度降低为5.5×10-6，回风巷侧CO 浓度降低为5.0×10-6，之后采空区CO 浓度均稳定在5.5×10-6左右。由此说明，采用黄泥灌浆技术取得了良好的采空区密闭效果，采空区无自燃危险。

图6 采空区内CO 浓度变化规律

4 结论与建议

结合雪坪煤矿10-207 综放工作面具体情况，研究提出了煤层自然发火综合防治技术并进行实施。

（1）工作面回采期间喷洒MgCl2溶液阻燃，每日喷洒2112 kg。

（2）工作面后方采空区采用束管监测其遗煤状态，确定工作面后方15～35 m 深度范围内为散热带，工作面后方回风巷侧20～50 m、进风巷侧30～70 m为氧化升温带。据此设计采空区注氮时机，确定采空区注氮流量为324 m3/h。

（3）工作面停采封闭后，采用黄泥灌浆进行封堵。

10-207 工作面采用喷洒阻化剂+注氮+黄泥灌浆综合防火技术，有效抑制了采空区遗煤的氧化和升温，取得了良好的防灭火应用效果，实现了工作面的安全生产。