易燃煤层综采工作面停采撤架期间防灭火实践

梁志杰，刘 扬，张 辉，孟郡伯，宋彦东

(1.华能煤业有限公司 陕西矿业分公司， 陕西 咸阳 711300；2.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司， 辽宁 沈阳 110000； 3.陕西旬邑青岗坪矿业有限公司， 陕西 咸阳 711300)

煤层自燃是威胁矿山安全生产的五大灾害之一。我国煤矿主要是井工开采，工作面煤炭采出后在工作面后方顶板垮落的地方形成采空区，采空区内遗留大量煤炭资源,遗煤在顶板垮落区域内会形成半封闭状态，工作面回撤过程中采空区内的遗煤极易发生自燃，威胁矿山安全生产[1]. 扎煤公司五牧场矿四区段工作面自开采以来受煤层赋存、断层等复杂因素影响，采空区积存大量的瓦斯等有害气体，同时，煤层发火期短、低温氧化能力强，存在火灾隐患，在工作面回撤期间接连出现CO检测指标超限的现象。因此，该矿实施防灭火措施，以顺利回撤全部液压支架，保障安全生产。

1 工程概况

1.1 综放工作面自燃情况

五牧场煤矿12#煤一采区四区段煤层自然发火期为1—3个月，属I类容易自燃煤层。工作面设计走向长1 380 m，倾斜宽216 m，工作面平均坡度21°，最大坡度30°，煤层平均厚度11.48 m，设计可采储量275万t，采用综放开采，采高3 m，放高8.48 m，工作面内安设液压支架144台，工作面采用下行通风，工作面绝对瓦斯涌出量0.306 m3/min. 工作面推进879 m，剩余走向长度501 m，采出煤量154万t. 工作面在回撤过程中，由于工作面坡度大、斜距长，铺网工作用时较长，顶板破碎，回撤通道需打锚杆、锚索、W钢带支护，造成回撤准备时间长达35天。

四区段工作面回撤期间CO持续升高，并检测出煤炭加速氧化标志性气体C2H4(乙烯)。工作面回撤134#支架时，回撤空间顶板冒落，采空区内CO在40#支架附近涌出，2日后回撤工作面CO浓度持续升高。为保证安全，停止四区段回撤，暂时封闭工作面，采取不间断向采空区注入氮气117天后，封闭区内O2浓度在1%左右，N2浓度95%左右，CH4浓度小于1%. 在封闭区域内CO及C2H4检测数据为零后，启封工作面，对工作面支架尾梁后部采空区喷洒喷涂材料封堵采空区，对35#—59#支架间漏风严重地段向采空区压注充填材料。在二次回撤过程中，工作面CO再次持续升高，工作面停止回撤，停止向工作面供风，在工作面内CO浓度2 200×10-6、CH4浓度5.2%、温度21 ℃，根据工作面内有害气体变化情况，对工作面重新进行封闭。

1.2 自然发火原因分析

采空区遗煤氧化升温产生高温点有3种可能[2]：1) 工作面过渡支架支护段不能放顶煤，上隅角采用锚杆、锚索支护，冒落不充分，形成较大的漏风条带通道，造成137#支架尾梁后部煤炭氧化升温产生高温点(支架撤出后热气消失)。2) 50#支架附近处于煤岩交界地带，顶板岩层厚，顶煤放不出来，采空区遗煤多，大块矸石形成漏风供氧通道，致使此段附近采空区遗煤氧化严重。3) 由于工作面长期处于缓慢推进状态，工作面后部采空区60 m范围持续供氧时间达3.5个月，4月份工作面只推进13.6 m，5月份推进20 m，超过煤炭自然发火期，工作面后方采空区大范围煤炭氧化升温产生高温点。

2 防灭火工程

针对四区段综放工作面目前面临的防灭火形势，采用在下顺槽退后工作面10 m施工一平行于工作面的防火道。通过防火道施工灭火钻孔，压注液态CO2给采空区降温灭火。降温灭火后需要在防火道内施工压注钻孔，压注隔绝空气的粉煤灰胶体。

2.1 防火道工程

在下顺槽退后工作面10 m，12#煤层顶层施工一平行于工作面的防火道(图1). 防火道沿煤层倾向长213 m，断面2.5 m×2.5 m，坡度16°～25°30′，防火道采用锚、网、梁的支护形式。

图1 压注液态CO2钻孔剖面示意图

2.2 压注液态CO2工程

1) CO2降温原理。CO2常温常压下是一种无色、无味、无毒、抑爆、不可燃的惰性气体。在常温下，性质稳定，不易与其他元素直接化合，极微溶于水。而液态CO2是-42 ℃，性质稳定，具有强性降温作用，1 m3液态CO2可以产生600 m3气态CO2，可以快速惰化采空区[3].

2) 钻探施工。对应工作面CO涌出严重地点(120#、100#、50#支架)施工3个d63 mm钻孔，通过钻杆向采空区压注液态CO2，利用液态CO2的强性降温作用，快速降低采空区温度，消除高温点。施工钻孔参数见表1.

表1 压注液态CO2钻孔参数表

钻探过程中先使用d42 mm外平式钻杆、d63 mm三翼金刚石复合片钻头钻进至预定位置，抽出钻杆，换成d58 mm外平式薄壁钻杆、d58 mm环形钻头在原孔位置继续钻进至预定位置(进入采空区后钻不动为止)，d58 mm外平式薄壁钻杆留在钻孔内作为压注液态CO2套管使用。钻孔施工完成后，退钻杆0.5 m，用高压水清洗钻孔，在每个钻孔管头安设一个d64 mm高压阀门。高压阀门使用法兰盘用d64 mm高压管与CO2增压器联接，薄壁钻杆管头用8#铁线与支护锚杆连接固定二道。孔口采用聚氨酯封孔袋封孔3.0 m.

3) 压注液态CO2

采用液态CO2槽车、MKDZ-LZ-500型矿用液态CO2直注式防灭火装置(5个液态CO2罐车、1台增压器)，在防火道内压注液态CO2，由上向下进行，即先注120#支架处钻孔再压注100#支架处钻孔，最后压注50#支架处钻孔。液态CO2罐车运输至防火道内压注地点后，将罐车与增压器联接，增压器与钻孔钻杆联接(使用d64 mm高压管联接)，打开阀门，通过钻杆将CO2压注到采空区。3个钻孔共需压注液态CO2100 t，对应120#支架的钻孔压注液态CO240 t，对应100#、50#支架的钻孔压注液态CO2各30 t. 压注液态CO2工艺平面图见图2.

2.3 压注粉煤灰胶体

1) 钻探施工。

在防火道内向采空区方向打钻，利用钻孔向采空区压注粉煤灰胶体。在防火道内每隔6 m，平行施工一个钻孔，防火道两端钻孔呈扇形布置。共计施工钻孔数量36个，钻孔平均长度57 m，钻孔平均进入采空区37 m.

钻进过程中先使用d42 mm外平式钻杆、d50 mm三翼金刚石复合片钻头钻进至预定位置，在钻进过程中每隔10 m(10根钻杆)使用气体取样泵对钻孔进行取样(每个钻孔取4个气样)；钻探至设计孔深后，换d42 mm外平式薄壁钻杆、d42 mm环形钻头在原孔位置继续钻进至预定位置，将温度传感器探头沿钻杆顺至终孔位置，检测完终孔位置温度后，退出温度传感器探头10 m，继续检测，依次退出温度传感器探头4次，每次检测温度时间不低于5 min，d42 mm薄壁钻杆留在钻孔内，作为注浆管使用。钻进至终孔位置后，将钻杆退出0.5 m，并使用高压水冲孔5 min，钻孔施工完成后在每个钻孔管口安设丝堵，防止采空区有害气体泄漏。根据检测出钻孔内相应位置的CO、C2H4(通过地面色谱仪分析CO、C2H4浓度)、温度情况，调节此钻孔压注粉煤灰钻杆出口位置及注胶量。终孔后采用封孔剂封孔，封孔长度2.0 m.

图2 压注液态CO2工艺平面图

2) 压注粉煤灰胶体。

通过向采空区内压注粉煤灰胶体采用一次压注，在采空区40 m范围形成粉煤灰胶体隔离带，防止采空区漏风、供氧。压注粉煤灰胶体设备由储料罐、螺旋送料器、搅拌池、搅拌器、注胶机和分流器组成。钻孔内温度T、CO浓度、C2H4浓度较高，应加大注浆量，若钻杆未达到预定位置，或注浆量未达到规定数量，应在原钻孔附近补打钻孔压注泥浆，确保注胶效果。

为了保证防灭火效果，钻孔必须达到一定的注浆量，注浆量计算公式：

Q=L×B×h×R

(1)

式中，Q为注浆量，m3；L为工作面长度，取216 m；B为需充填宽度，取40 m；h为采空区高度，取8 m；R为采空区孔隙率，取10%. 代入计算得Q=6 900 m3.

单孔注浆量：6 900÷36个孔=191.67 m3，取200 m3.

2.4 启封工作面注氮

启封后，使用风筒、快速喷涂材料封堵23#支架以下支架后尾梁金属网空间,在关键部位进行补喷胶体。控制迎头风量，以保障工作面内回撤迎头CH4、CO、O2浓度不超限为原则，根据工作面内O2浓度含量调节注氮量。在工作面第3次开启后持续观测CH4浓度小于1%，CO检测数据为零，C2H4检测数据为零，20天后顺利撤出所有剩余液压支架。

3 结 语

通过集成应用“液态二氧化碳降温，压注粉煤灰胶体为主，封堵采空区减小漏风、注氮”的综合治理技术，取得了良好的应用效果，有效解决了易燃煤层工作面停采撤架过程中容易产生的煤火灾害。