上榆泉煤礦綜放工作面采空區(qū)“三帶”劃分實(shí)踐及防滅火技術(shù)

梁偉鋒

（神華國(guó)神集團(tuán)上榆泉煤礦 生產(chǎn)技術(shù)部，山西 忻州 036500）

綜合機(jī)械化放頂煤開采技術(shù)作為厚煤層開采的有效手段在20世紀(jì)七八十年代出現(xiàn)，并在中國(guó)首次成功試驗(yàn)和推廣使用，對(duì)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)起到了至關(guān)重要的作用，然而由于綜采放頂煤技術(shù)生產(chǎn)高度集中，兩巷道沿底掘進(jìn)，且頂煤放出率低，大量破碎煤體遺入采空區(qū)；同時(shí)，巷道斷面寬大，垮落高度大，漏風(fēng)直達(dá)采空區(qū)深部，漏風(fēng)規(guī)律趨于復(fù)雜化，自然發(fā)火機(jī)率陡增，給采空區(qū)遺煤自然發(fā)火防治工作帶來了極大的困難[1-2]。

為防治采空區(qū)遺煤自燃，煤炭相關(guān)領(lǐng)域科技工作者將采空區(qū)劃分為“三帶”，即“散熱帶”、“氧化升溫帶”、“窒息帶”，采空區(qū)遺煤自燃防治的關(guān)鍵是要摸清采空區(qū)“三帶”的分布規(guī)律，確定遺煤處于氧化自燃帶的時(shí)間，是采空區(qū)遺煤自燃防治技術(shù)措施制定的重要依據(jù)，對(duì)于防治采空區(qū)遺煤自燃具有重要意義。

結(jié)合上榆泉煤礦的實(shí)際情況，聯(lián)合煤炭科研院所作為技術(shù)支撐，通過對(duì)首采I031001綜放工作面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，并結(jié)合10#煤層自燃特性參數(shù),綜合劃分采空區(qū)“三帶”的分布范圍，推算工作面極限安全推進(jìn)速度，并提出了切實(shí)可行的防滅火技術(shù)措施。

1 礦井概況

上榆泉煤礦隸屬于神華國(guó)神集團(tuán)，井田位于黃河?xùn)|岸，距離山西省河曲縣縣城25 km，與陜西省府谷縣隔河相望，采用平硐、斜井綜合開拓方式，通風(fēng)方式采用分列式。

I031001工作面為三盤區(qū)10#煤層南翼首采面，東、西均為實(shí)體，南為圪塔村保護(hù)煤柱線，北為主、輔、回上山開拓大巷。工作面上覆9#煤層I010903采空區(qū)（位于主運(yùn)側(cè)，開采時(shí)間為2009—2010年）、I010906采空區(qū)（位于輔運(yùn)側(cè)，開采時(shí)間為2012—2013年），煤層層間距為 3.0～15.03 m，平均 8.02 m；工作面傾斜長(zhǎng)度220 m，推進(jìn)長(zhǎng)度2 586 m，布置有1條輔助運(yùn)輸巷兼做進(jìn)風(fēng)巷，1條主要運(yùn)輸巷兼做回風(fēng)巷；工作面埋深76 m（近停采線側(cè)）～214 m（工作面中部主運(yùn)側(cè)）。10#煤層為長(zhǎng)焰煤，煤層厚度為9.92～12.90 m，平均厚度為 11.94 m，煤層傾角為 1°～4°，煤層屬Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期范圍為4～6個(gè)月，煤層具有爆炸性。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤工藝，設(shè)計(jì)割煤高度3.6 m，放煤高度8.34 m，采放比1∶2.32，放煤步距為0.8 m。

2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案

選擇I031001綜放工作面為試驗(yàn)工作面，沿工作面傾向及兩巷道布設(shè)束管管纜，外套φ50 mm厚壁無縫鋼管作為保護(hù)套管，套管預(yù)先焊接法蘭盤，作為連接件[3-6]。工作面共布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)（束管采樣器），其中輔運(yùn)巷側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，間距為12 m，束管取氣點(diǎn)距進(jìn)風(fēng)隅角150 m，主運(yùn)巷側(cè)布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距12 m，束管取氣點(diǎn)距進(jìn)風(fēng)隅角110 m，工作面支架后部刮板輸送機(jī)機(jī)道布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，3#點(diǎn)距輔運(yùn)巷 20 m，2#點(diǎn)與 3#點(diǎn)間距 70 m，1#點(diǎn)與 2#點(diǎn)間距20 m。管路抽氣泵安設(shè)在巷道內(nèi)，掛于巷道外幫錨網(wǎng)上，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)抽氣泵站距離2#測(cè)點(diǎn)100 m，回風(fēng)側(cè)抽氣泵站距離2#測(cè)點(diǎn)88 m。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1。

圖1 工作面采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

項(xiàng)目實(shí)施過程中，巷道保護(hù)套管沿著外幫底板鋪設(shè)，綜放工作面液壓支架后部刮板輸送機(jī)機(jī)道保護(hù)套管鋪設(shè)在靠采空區(qū)側(cè)，鋪設(shè)前要求上1個(gè)班生產(chǎn)時(shí)，盡量將頂煤放徹底，同時(shí)將浮煤清理干凈，不拉后部刮板輸送機(jī)機(jī)道，要求將液壓支柱盡量升高，尾部支架最大幅度，并且擋板下壓，確保施工空間盡可能的寬敞。

綜合考察工作面頂板垮落、巷道片幫、采空區(qū)積水情況，每個(gè)測(cè)點(diǎn)支管探頭抬高1 m，將氣樣采集器與支管采氣區(qū)域平齊，監(jiān)測(cè)探頭保護(hù)布置如圖2。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)探保護(hù)頭布置示意圖

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

觀測(cè)隨I031001綜放工作面推進(jìn)采空區(qū)氣體變化規(guī)律，通風(fēng)隊(duì)安排專人每天抽取各測(cè)點(diǎn)采空區(qū)氣樣，采用氣相色譜儀進(jìn)行分析化驗(yàn)，同時(shí)每天記錄工作面推進(jìn)度，以推算測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)的相對(duì)距離。觀測(cè)工作自2017年11月1日開始至2017年11月13日結(jié)束，歷時(shí)13 d，工作面合計(jì)推進(jìn)61.2 m，采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)氣體濃度變化規(guī)律如下。

2.2.1 O2濃度變化分析

各測(cè)點(diǎn)O2濃度變化規(guī)律如圖3。

圖3 O2濃度變化圖

根據(jù)I031001工作面采空區(qū)O2濃度實(shí)測(cè)結(jié)果，分析可得：

1）由于工作面煤層頂板較硬，采空區(qū)頂板垮落初期壓實(shí)程度低，采空區(qū)漏風(fēng)比較大，工作面回采一定距離后，采空區(qū)氧濃度才明顯降低。進(jìn)風(fēng)巷及采空區(qū)測(cè)點(diǎn)距工作面16～25 m時(shí)O2濃度出現(xiàn)明顯降低；回風(fēng)測(cè)點(diǎn)距工作面7～12 m時(shí)O2濃度出現(xiàn)明顯降低。

2）由于進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)壓相對(duì)較高，回風(fēng)側(cè)風(fēng)壓相對(duì)較小，采空區(qū)漏風(fēng)自工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)流經(jīng)采空區(qū)中部至回風(fēng)側(cè)流出，因此采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)及采空區(qū)中部O2濃度下降速度明顯優(yōu)于回風(fēng)側(cè)，表明相對(duì)于回風(fēng)側(cè)，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度偏高。

3）進(jìn)風(fēng)巷及采空區(qū)測(cè)點(diǎn)距工作面50.6～54.8 m時(shí)O2濃度降低到7%已下；回風(fēng)測(cè)點(diǎn)距工作面23.2 m時(shí)O2濃度降低到7%已下。

2.2.2 CO濃度變化分析

各測(cè)點(diǎn)CO濃度變化規(guī)律如圖4。

圖4 CO濃度變化圖

根據(jù)I031001工作面采空區(qū)CO濃度實(shí)測(cè)結(jié)果，分析可得：

1）隨工作面正?；夭?，進(jìn)風(fēng)測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)深部，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)CO濃度呈現(xiàn)有規(guī)律的逐漸上升，隨后下降的趨勢(shì)。當(dāng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)約39 m時(shí)，CO濃度達(dá)到最大值14×10-6，此時(shí)O2濃度為10.7%，表明此處漏風(fēng)速度適宜，煤自燃復(fù)合反應(yīng)熱量得到積蓄，CO產(chǎn)生量增加，符合煤自然發(fā)火規(guī)律；此后，隨著供氧不足，煤氧復(fù)合反應(yīng)減弱，CO濃度逐漸降低。

2）隨工作面正常回采，采空區(qū)中部測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)深部，采空區(qū)CO濃度呈現(xiàn)有規(guī)律的逐漸上升，隨后下降的趨勢(shì)。采空區(qū)中部測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)約39 m時(shí)，CO濃度達(dá)到最大值67×10-6，此時(shí)O2濃度為11.5%，且1#點(diǎn)CO濃度大于2#測(cè)點(diǎn)和3#測(cè)點(diǎn)的CO濃度。分析1#點(diǎn)CO濃度高的原因有2個(gè)方面：一個(gè)方面是CO大部分來自其煤自燃復(fù)合反應(yīng)所產(chǎn)生；而另一部分來自進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化產(chǎn)生的CO。

3）由于回風(fēng)側(cè)距工作面23 m時(shí)已進(jìn)入窒息帶，采空區(qū)CO濃度基本變化不大，在20×10-6左右徘徊。

2.2.3 CO2濃度變化分析

各測(cè)點(diǎn)CO2濃度變化規(guī)律如圖5。

圖5 CO2濃度變化圖

根據(jù)I031001工作面采空區(qū)CO2濃度實(shí)測(cè)結(jié)果，分析可得：隨著各測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)深部，CO2氣體濃度整體呈不規(guī)則的指數(shù)規(guī)律上升趨勢(shì)。分析其原因在于，采空區(qū)的CO2氣體一方面由煤氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生，另一方面為游離的CO2氣體積聚，且游離CO2氣體破壞了煤氧復(fù)合反應(yīng)CO2氣體產(chǎn)生指數(shù)規(guī)律的特性。

2.2.4 CH4變化分析

各測(cè)點(diǎn)CH4濃度規(guī)律變化如圖6。

圖6 CH4濃度變化圖

根據(jù)I031001工作面采空區(qū)CH4濃度實(shí)測(cè)結(jié)果，分析可得：各測(cè)點(diǎn)CH4濃度較低，呈先上升后趨于平緩的變化趨勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)CH4濃度一部分為煤層游離瓦斯，一部分由煤氧低溫氧化反應(yīng)產(chǎn)生。

3 采空區(qū)“三帶”劃分及極限安全推進(jìn)速度確定

3.1 煤層自燃特性參數(shù)測(cè)定

按照GB/T 482—2008煤樣采集標(biāo)準(zhǔn)，采集10#煤層煤樣，委托煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，開展大型自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)確定10#煤層最短自然發(fā)火期為116 d，自然發(fā)火期范圍為116～290 d，自然發(fā)火臨界氧氣濃度為7.0%。

3.2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)上榆泉煤礦I031001綜放工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合10#煤層自燃臨界氧濃度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，確定以O(shè)2濃度7%～18%作為采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分的依據(jù)。根據(jù)實(shí)測(cè)的采空區(qū)氣體濃度并參考以上劃分標(biāo)準(zhǔn)，可以確定工作面采空區(qū)的自燃“三帶”范圍見表1。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”范圍 m

依據(jù)I031001綜放工作面采空區(qū)“三帶”范圍表，可得出“三帶”范圍分布圖，如圖7。

圖7 實(shí)測(cè)采空區(qū)“三帶”分布范圍

3.3 工作面極限安全推進(jìn)速度

根據(jù)10#煤層最短自然發(fā)火期和I031001綜放工作面采空區(qū)氧化升溫帶寬度，推算出工作面極限安全推進(jìn)速度Vmin：

式中：Lmax為最大氧化帶長(zhǎng)度，取37.4 m；τ為最短自然發(fā)火期，116 d。

即：I031001綜放工作面的極限安全推進(jìn)速度為0.5 m/d，當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于0.5 m/d時(shí)，采空區(qū)沒有自然發(fā)火的危險(xiǎn)；當(dāng)工作面連續(xù)超過116 d且平均推進(jìn)速度小于0.5 m/d時(shí)，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。

而I031001綜放工作面正常平均日推進(jìn)速度約為5.24 m/d，大于采空區(qū)自燃的最小安全推進(jìn)速度，同時(shí)10#煤層為自燃煤層，工作面與上覆采空區(qū)及地表存在漏風(fēng)通道，受大氣壓影響，采空區(qū)表現(xiàn)出“呼吸效應(yīng)”，采空區(qū)內(nèi)遺煤二次氧化，有自然發(fā)火的可能性。

4 自燃防治措施

結(jié)合I031001綜放工作面實(shí)際情況，基于采空區(qū)“三帶”分布范圍，工作面制定如下自然發(fā)火防治措施[7-12]。

4.1 自燃監(jiān)測(cè)監(jiān)控

在工作面回風(fēng)巷采空區(qū)內(nèi)敷設(shè)三芯束管管路，外用φ50 mm鋼管作為保護(hù)套管，靠外幫底板鋪設(shè)，為便于束管跨步裁剪，保護(hù)管路采用快速接頭連接，并用沙袋進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)考慮采空區(qū)積水的影響，將接頭鋼管抬高2 m以上，并將其捆綁于巷網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)。

借助兩巷道探放水孔（或者根據(jù)9#煤層采空區(qū)底板等高線補(bǔ)打鉆孔），全程下套管，采用聚氨酯進(jìn)行封孔，安設(shè)三通彎頭，全斷面水封，實(shí)現(xiàn)對(duì)束管監(jiān)測(cè)管路、人工取氣管路、測(cè)溫線纜等接設(shè)功能，多手段來監(jiān)測(cè)上覆9#煤層采空區(qū)氣體變化情況，日常作為監(jiān)測(cè)鉆孔使用，當(dāng)發(fā)生氣體異常時(shí)候，可以用來注惰氣、注水、黃泥漿液及相關(guān)防滅火材料。

將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與SG-2003型煤礦束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連接，實(shí)時(shí)對(duì)煤層群采空區(qū) CO、CO2、CH4、O2、C2H2、C2H4等氣體濃度進(jìn)行在線檢測(cè)分析，分析判斷采空區(qū)自然發(fā)火趨勢(shì)。

4.2 注漿滅火技術(shù)措施

根據(jù)I031001工作面情況，工作面回采過程中，采用“踏步式”埋管注漿方法，即隨著回采工作面推進(jìn)，沿著回風(fēng)巷向采空區(qū)埋設(shè)注漿管路，步距為40 m。在工作面回采過程中，當(dāng)推進(jìn)速度大于極限安全推進(jìn)速度或采空區(qū)出現(xiàn)氣體異常時(shí)，及時(shí)向采空區(qū)壓注黃泥漿液，直至自然發(fā)火征兆消除為止。

4.3 注氮防滅火技術(shù)措施

將DT-600型碳分子篩移動(dòng)式制氮機(jī)安設(shè)在10#層南翼首采面措施巷內(nèi)，呈熱備狀態(tài)，沿工作面進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)埋設(shè)注氮管路，經(jīng)計(jì)算，管路注氮管路直徑為DN100。

根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，當(dāng)注氮口進(jìn)入距工作面20 m后開始注氮，在工作面推過35 m后，埋設(shè)第2根注氮管，當(dāng)?shù)?個(gè)注氮口進(jìn)采空區(qū)20 m后，第1根注氮管已進(jìn)入采空區(qū)55 m（進(jìn)入窒息帶），斷開第1根注氮管，第2根注氮管開始注氮，依次循環(huán)。

氮?dú)忉尫趴诙舜蚧祝描F絲網(wǎng)包裹，以防止堵塞；氮?dú)忉尫趴谔Ц?00 mm，直角彎向采空區(qū)，并用木垛保護(hù)。

4.4 控制漏風(fēng)防滅火措施

1）地面裂隙封堵。對(duì)回采工作面地表的裂隙進(jìn)行排查，重點(diǎn)對(duì)“兩道兩線”采動(dòng)裂隙“O”形圈區(qū)域進(jìn)行排查，及時(shí)回填地表裂隙，保證回填質(zhì)量，減少地表與采空區(qū)之間漏風(fēng)通道，避免地表向采空區(qū)漏風(fēng)。地表裂隙隨采隨填，回填進(jìn)度不得滯后工作面回采100 m。由于采動(dòng)后地表裂隙不穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，需定期對(duì)已回填的裂隙進(jìn)行勘查再回填，并保證腳踩無下陷及空洞現(xiàn)象出現(xiàn)。

2）加強(qiáng)密閉的施工質(zhì)量，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，對(duì)密閉及周圍巷道圍巖進(jìn)行全面噴漿堵漏，防止漏風(fēng)，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)密閉漏風(fēng)情況，定期進(jìn)行壓差測(cè)定。

3）工作面上下端頭封堵。工作面兩巷道及時(shí)退錨，使頂板充分垮落；進(jìn)風(fēng)隅角懸掛擋風(fēng)簾，回風(fēng)隅角采取增阻措施，設(shè)置擋風(fēng)簾導(dǎo)風(fēng)，或者每推進(jìn)50 m砌筑絲袋墻或采用無機(jī)材料充填，減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

4）對(duì)工作面巷道內(nèi)施工的探層間距鉆孔和探放水鉆孔進(jìn)行地毯式檢查，若發(fā)現(xiàn)未封鉆孔及封閉不嚴(yán)鉆孔及時(shí)重新封堵；改變探放水思路，對(duì)復(fù)合區(qū)施工的探放水鉆孔，如果水量、水壓較大時(shí)可適當(dāng)進(jìn)行放水。

4.5 其他防滅火措施

1）工作面回采過程中，除采上述防滅火技術(shù)措施外，還可以采用工作面調(diào)壓、進(jìn)回風(fēng)隅角施工封堵墻等技術(shù)措施。

2）加大對(duì)已封閉的采空區(qū)密閉墻管理力度，對(duì)可能存在漏風(fēng)通道的地方進(jìn)行漏風(fēng)觀測(cè)，定期噴涂。

3）在開拓開采方面，井下盡量少留設(shè)煤柱，減少自燃隱患。相鄰工作面之間為防止瓦斯、火等災(zāi)害威脅，可留20～30 m隔離煤柱；提高工作面回采率，合理加快推進(jìn)速度，縮短采空區(qū)遺煤暴露時(shí)間；在煤層中掘進(jìn)巷道時(shí)，主要進(jìn)、回風(fēng)巷應(yīng)進(jìn)行噴漿處理，對(duì)巷道中出現(xiàn)的冒頂區(qū)必須用不燃材料充填密實(shí)；采取有效措施，使采空區(qū)頂板垮落并壓實(shí)，特別是切眼及停采線、各種煤柱附近，以減少漏風(fēng)；工作面回采完畢后，在45 d內(nèi)將采空區(qū)封閉完成，施工密閉為永久防火密閉，密閉設(shè)2道，間距為3 m，以不燃材料構(gòu)筑，2道密閉之間用不燃材料（黃土、生石灰與高分子密閉充填材料）填實(shí)。

4）在通風(fēng)方面，每個(gè)采區(qū)及工作面均有獨(dú)立回風(fēng)系統(tǒng)；調(diào)節(jié)風(fēng)門、風(fēng)門和風(fēng)墻應(yīng)設(shè)置在圍巖較堅(jiān)固、地壓穩(wěn)定的地點(diǎn)，還應(yīng)注意避免引起采空區(qū)或附近煤柱裂隙漏風(fēng)量的增大。調(diào)節(jié)風(fēng)門應(yīng)安設(shè)在回風(fēng)巷內(nèi)，安設(shè)位置風(fēng)流穩(wěn)定，方便安裝；防火墻必須由于不燃材料構(gòu)成，必須密實(shí)，并定期檢查維修；降低采區(qū)進(jìn)回巷之間、區(qū)段進(jìn)回風(fēng)巷兩端的壓力差，以減少漏風(fēng)；礦井進(jìn)行大的風(fēng)量調(diào)整時(shí)，應(yīng)測(cè)定防火墻內(nèi)氣體成分和空氣溫度。

5 結(jié)論

1）采用全斷面布置測(cè)點(diǎn)方法，對(duì)采空區(qū)氣體變化規(guī)律進(jìn)行了較全面的測(cè)定，為采空區(qū)“三帶”劃分提供了可靠的依據(jù)。

2）開展大型發(fā)火實(shí)驗(yàn)，確定了10#煤層最短自然發(fā)火期為116 d，自然發(fā)火臨界氧濃度為7%。

3）通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出I031001綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍：散熱帶0～16.8 m；氧化升溫帶16.8～54.8 m；窒息帶＞54.8 m。

4）根據(jù)采空區(qū)“三帶”分布情況和10#煤層最短自然發(fā)火期，確定工作面極限安全推進(jìn)速度為0.5 m/d，為合理組織生產(chǎn)接續(xù)提供了指導(dǎo)。

5）提出了以注漿為主、注氮、封堵漏風(fēng)等綜合防滅火技術(shù)措施。