突出矿井“110工法”工作面初采阶段煤自燃灾害防治技术

李 伟

(华晋焦煤有限责任公司 沙曲二号煤矿， 山西 柳林 033300)

煤自燃是矿井的五大灾害之一，采空区煤自然发火存在火源点隐蔽、难探测、难治理等问题。其中，高瓦斯及突出矿井中煤与瓦斯自燃形成的复合灾害是所有动力灾害中危险性最大、事故后果最严重的灾害[1]. 据统计，我国存在煤与瓦斯自燃复合灾害的矿井约占自然发火矿井总数的49%[2].

“110工法”开采工艺在我国煤矿的推广应用，有效提高了井下煤炭资源回收率，延长了矿井服务年限，缓解了矿井采掘接续紧张的问题[3]. 采用110工法开采工作面，易受开采动压影响，采空区形成大量漏风通道，加之留巷侧破碎松散顶板堆积，自然发火安全隐患大。沙曲二号煤矿属于瓦斯突出矿井，其中5#煤层5302工作面首次采用“110工法”进行开采，同时钻取多个高位抽采孔进行瓦斯抽采，但存在“开切眼断面大、漏风严重、采空区遗煤量多”等问题，容易发生煤层自燃。因此，对5302工作面开展高位抽采条件下的防灭火技术研究。

1 高位瓦斯抽采下采空区漏风规律

1.1 5302工作面概况

沙曲二号煤矿5#煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，属于自燃煤层，最短自然发火期为84 d. 5302工作面平面布置见图1，设计走向长度1 081 m，工作面切眼长236 m/194 m，采高2.2 m，采用倾斜长壁后退式综合机械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。目前5302工作面上部4301、4302、4303三个采空区连成一片，形成大面积采空区，自燃危险性强。

5302综采工作面设计采用两进一回“Y”型通风方式，即5302轨道巷作为进风巷，5302胶带巷作为辅助进风巷，5302胶带巷后部切顶留巷作为回风巷，回风经5302回风联络巷、三采区3#底板瓦斯抽放巷、三采区3#底板瓦斯抽放巷回风立眼、回风大巷，回入白家坡回风立井。

1.2 工作面漏风规律分析

5302工作面采用“110工法”回采工艺(胶带巷侧留巷)，留巷段切顶侧采空区漏风较大，供氧充分。同时，受切顶卸压开采影响，5302工作面采空区与邻近5301采空区、上部4302采空区连通及沿空留巷的采空区存在漏风通道，增加5302采空区立体遗煤自然发火危险性，威胁工作面正常回采。初步判定：5302工作面开采过程中，重点漏风区域为：工作面支架间、留巷侧向工作面方向236 m范围、胶带留巷侧、5302工作面原切眼与回风联络巷隅角处、上覆4303工作面采空区及邻近采空区等。在开采过程中，随着顶板垮落，上覆3#、4#遗煤全部进入5302采空区，漏风严重，存在自燃危险性。

图1 5302工作面平面布置图

因此，待工作面推进至240 m左右，整个后部采空区冒落较为稳定，现场需对5302工作面漏风情况进行分析，判定漏风通道和漏风量，为5302工作面采空区防灭火措施的实施提供基础。

采用5302采空区挡矸墙瓦斯涌出量来判断留巷侧漏风情况，在留巷侧工作面隅角至切眼(0～240 m)，以10 m间隔为一个测点，对5302胶带留巷侧壁面的瓦斯涌出浓度进行测试。沿着工作面向开切眼方向，分别对挡矸墙侧壁面上、中、下3个位置及回风流中的瓦斯涌出浓度进行测试，结果见图2. 由图2可以看出，距离工作面越近位置，瓦斯浓度较低，但漏风流速度较大，且部分漏风向上部渗流，距离工作面底板越近，沿着挡矸墙内壁向开切眼方向的漏风量逐渐减少。越向采空区深部方向，瓦斯涌出浓度值增大，这主要是由于距离工作面越远，采空区垮落越严实，整体漏风流速度减小，漏风流对瓦斯的稀释作用降低，瓦斯浓度增大。

图2 胶带留巷侧壁面瓦斯涌出浓度图

2 抽采条件下采空区煤自燃灾害防治

5302工作面采空区煤自燃灾害防治措施主要包括堵漏风、风量调节、注氮惰化及灌注两/三相泡沫等。

2.1 工作面堵漏风及风量调节

初采初放前，采区提前在5302胶带巷和5302切眼施工放顶钻孔，实施强制性放顶措施，能够使采空区顶板及时垮落，减少采空区漏风。

正常回采期间，在采空区留巷侧采用可伸缩36U型钢和钢筋网、风筒布进行联合挡矸堵漏。在工作面隅角处采用挂风筒布的方式进行堵漏风。当采空区侧挡矸支护体受压产生裂缝，导致风流中CO浓度异常波动时，采用封堵材料(A、B料)对留巷侧挡矸支护进行喷涂堵漏，喷涂厚度100 mm；当喷浆后的挡矸支护体受压产生裂缝时，采用矿用封闭喷涂密闭材料(A、B料)对裂隙进行复喷封堵，喷射厚度不得小于50 mm.

初采时期，根据生产实际情况及时对工作面风量进行合理分配，减少进回风压差。在满足生产条件下，实测轨道巷侧进风量为1 000 m3/min，胶带巷侧进风量为570 m3/min.

2.2 采空区注氮防灭火

向采空区注氮气能够稀释采空区内氧气，减少煤体与氧气接触惰化采空区浮煤，延长自然发火期[4]. 5302工作面自燃灾害防治措施平面布置图见图3.

图3 5302工作面自然灾害防治措施平面布置图

制氮装置为煤矿用井下移动式碳分子筛(DTJY-800/0.8)，轨道巷通过进风侧的注氮管路向采空区注氮；胶带巷利用采空区钻孔注氮，预防工作面上部采空区和邻近采空区自然发火。注氮地点位于采空区氧化带内，注氮步距为40 m. 当生产过程中发现工作面有自然发火征兆或过地质构造等特殊环节时，可根据防灭火情况从进回风两侧同时向采空区注氮。整体最大注氮量为684 m3/h，注氮浓度为97%.

2.3 灌注两/三相泡沫

两/三相泡沫发泡后，体积大幅度增大，多重作用下遏制煤自燃的进程,具有降温、阻化、惰化、抑爆等综合性防灭火性能[5].

根据两/三相泡沫的作用原理及效果，结合5302采空区自燃危险性综合分析，在工作面开采过程中的一般遗煤区域，主要采用两相阻化泡沫进行煤自燃灾害防控；对上覆采空区及本面开采遗煤重点区域，采用三相泡沫灌注强化防控煤自燃灾害。将该矿现有的移动式防灭火注浆装置(ZBYSB220/15-37)与注氮管路连接，将氮气作为气源，通过采空区钻孔将两/三相泡沫注入采空区，以达到防止采空区浮煤自燃的效果。预计胶带留巷侧切眼处使用发泡剂0.2 t，胶带留巷侧切眼向外40 m、80 m、120 m位置分别施工向上钻孔注入发泡剂0.3 t，共0.9 t.

3 采空区防灭火效果分析

对5302采空区实施综合防灭火技术措施后，对采空区CO浓度进行测量，采空区气体浓度分布规律见图4.

图4 采空区CO气体浓度分析图

根据采空区束管观测结果可以看出，轨道巷侧采空区未检测到CO，胶带留巷侧及开切眼采空区检测到微量CO，CO浓度值较低且最终变为0，说明煤体氧化程度很弱，煤自燃危险性较小。

4 结 论

1) 5302采空区与上覆采空区存在漏风；切顶留巷侧距离工作面越远，采空区垮落越严实，整体漏风流速度减小。

2) 随着工作面的持续推进，采空区内CO浓度有明显降低，说明目前采取风量调节+留巷侧喷涂堵漏+采空区注氮+两/三相泡沫于一体的综合防灭火技术措施，能够有效预防采空区煤自燃灾害。