安力鋼,楊宏民

（1.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000;2.潞安新疆煤化工（集團(tuán)）有限公司,新疆 哈密 839000）

0 引言

綜放工作面遇到破碎帶期間，由于煤層及圍巖裂隙發(fā)育，存在較通暢的漏風(fēng)條件，極易發(fā)生高溫、CO超限等自然發(fā)火現(xiàn)象。為了有效防治采空區(qū)浮煤和煤柱破碎帶的煤炭自燃，國(guó)內(nèi)經(jīng)常采用噴灑阻化劑、注氮?dú)狻ⅫS泥灌漿、注水以及在上下端頭砌筑黃土隔離墻等方法[1-3]。近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是高分子化學(xué)防滅火材料的不斷革新，高分子凝膠、三相泡沫、羅克休、馬麗散等防滅火材料及工藝技術(shù)在全國(guó)各大礦區(qū)得到了廣泛應(yīng)用并得以發(fā)展，取得的成果顯著[4-9]。其中，黃泥灌漿和注水作為應(yīng)為最為簡(jiǎn)單、實(shí)用的技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，但是在處理高位火災(zāi)時(shí)，由于黃泥漿和誰(shuí)的滲透性強(qiáng)、可堆積性差，導(dǎo)致其有效范圍小且容易形成高溫水蒸氣或水煤氣，引發(fā)次生災(zāi)害。馬麗散、羅克休在發(fā)泡過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，作為防滅火材料會(huì)在破碎煤體內(nèi)部產(chǎn)生熱量積聚，具有促進(jìn)煤自燃的負(fù)面效應(yīng)，且散熱措施施工工程量大，成本較高。三相泡沫由于其本身具有一定的力學(xué)強(qiáng)度，在采空區(qū)內(nèi)能較長(zhǎng)時(shí)間保持其封堵效果，包裹煤體的效果明顯，有利于采空區(qū)注氮期間的氮?dú)獗３?，但其在破碎煤體的狹小裂隙中發(fā)泡效果受到一定的影響。高分子膠體作為新型的防滅火材料，既可保持一定的滲透性，有具有較好的可堆積性，可以較好的包裹煤體、封堵裂縫，滲透擴(kuò)散范圍較大，對(duì)局部高溫點(diǎn)治理效果顯著[10-16]。砂墩子煤礦N4104工作面回采過(guò)程中，兩巷多次遇頂板破碎帶，出現(xiàn)CO濃度超限現(xiàn)象，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過(guò)采取超前支護(hù)段打眼注高分子膠體，對(duì)上下端頭噴灑阻化劑和采空區(qū)強(qiáng)化注氮的綜合防滅火措施，有效地抑制了上下端頭遺煤的氧化，確保了工作面安全推進(jìn)。

1 工作面概況

砂墩子煤礦N4104工作面走向長(zhǎng)度2161m，傾向長(zhǎng)度215m，煤層平均厚度10.97m，自然發(fā)火期最短23d，為易自燃煤層，下山開(kāi)采。煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，工作面采用U型通風(fēng)方式通風(fēng)，通風(fēng)方法為上行通風(fēng)。下順槽進(jìn)風(fēng)，上順槽回風(fēng)。采煤方法為長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤工藝。配有完善的注氮、注漿和束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

N4104工作面于2014年6月正式回采，2016年1月結(jié)采，歷時(shí)20個(gè)月。該工作面上順槽在掘進(jìn)過(guò)程中揭露地質(zhì)構(gòu)造破碎帶8次，現(xiàn)場(chǎng)揭露處圍巖破碎。在回采正常過(guò)程中，回風(fēng)隅角CO體積分?jǐn)?shù)一般在（15-18）×10-6，但是每次過(guò)破碎帶后，破碎帶進(jìn)入采空區(qū)5m-30m期間，CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到（40-80）×10-6，造成局部CO濃度超限。

2 CO超限原因分析

經(jīng)過(guò)該工作面多次遇破碎帶期間的自燃現(xiàn)象分析，判斷CO超限原因有以下幾個(gè)方面：

（1）采面上順槽在掘進(jìn)過(guò)程中，遇地質(zhì)構(gòu)造帶導(dǎo)致頂板破碎，具有較好的自然發(fā)火條件而未提前采取防滅火措施，造成頂板煤體低溫氧化。

（2）采面機(jī)尾在遇地質(zhì)構(gòu)造期間，正規(guī)作業(yè)循環(huán)效率低，推進(jìn)緩慢。經(jīng)統(tǒng)計(jì)正常情況下采面日均推進(jìn)4m，遇構(gòu)造期間日均推進(jìn)2.1m，造成采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間延長(zhǎng)。

（3）采面針對(duì)上下端頭浮煤的防滅火措施存在漏洞，只是針對(duì)上下端頭的老塘進(jìn)行了簡(jiǎn)單的噴灑阻化劑處理，對(duì)頂板垮落的煤未進(jìn)行處理。

（4）隅角存在漏風(fēng)通道，上順槽老塘側(cè)每隔8m安設(shè)一趟灌漿管路，灌漿管采用木垛進(jìn)行維護(hù)。由于木垛的支撐作用，造成采空區(qū)漏風(fēng)量較大，加之工作面為下山開(kāi)采，灌漿效果不明顯。

3 綜合防滅火措施及實(shí)施效果

根據(jù)各種防滅火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及其適用性，結(jié)合N4104工作面已采取的防滅火措施及設(shè)備設(shè)施情況，按照減少采空區(qū)漏風(fēng)、縮短煤體裸露時(shí)間、特殊情況提前處理的原則，確定了以下治理方案：①在遇到頂板破碎期間每隔5m對(duì)上下隅角用黃土袋砌墻進(jìn)行封堵；②在回采前到破碎帶前，對(duì)頂板破碎地點(diǎn)提前打眼，向煤體注射高分子膠體；③增加采空區(qū)注氮量，進(jìn)一步降低氧化帶氧氣濃度；④對(duì)上順槽采空區(qū)利用高位灌漿管路注三相泡沫，以便對(duì)碎煤進(jìn)行封堵隔氧。

3.1 火災(zāi)監(jiān)測(cè)

在老塘每隔10m布設(shè)一根束管，每班瓦檢員對(duì)回風(fēng)隅角、回風(fēng)流和老塘10m、20m、30m位置進(jìn)行火災(zāi)氣體監(jiān)測(cè)，利用地面氣相色譜儀進(jìn)行氣體分析，重點(diǎn)分析CO濃度及其變化趨勢(shì)，并按班繪制變化曲線圖。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 N4104工作面過(guò)破碎帶期間回風(fēng)側(cè)火災(zāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

利用KJ95N煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)回風(fēng)流和回風(fēng)隅角的CO濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定對(duì)其進(jìn)行標(biāo)校，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 端頭隔離墻建立

對(duì)采面上下端頭進(jìn)行封堵，封堵材料采用黃土袋磊墻，黃土墻磊好后要對(duì)其表面及四周進(jìn)行發(fā)泡劑噴涂，以減少采空區(qū)漏風(fēng)。在封堵之前采空區(qū)漏風(fēng)為132m3/min，封堵后采空區(qū)漏風(fēng)降至41m3/min，隔離墻堵漏風(fēng)效果明顯。

3.3 采空區(qū)強(qiáng)化注氮措施

配合端頭隔離墻和高位注膠措施，加大采空區(qū)注氮量。注氮量由正?；夭蓵r(shí)的800 m3/h增加到過(guò)破碎帶期間的1150 m3/h。

在封堵、注氮措施的綜合作用下，由于采空區(qū)涌出N2、CO2等氣體溢出增多，回風(fēng)隅角內(nèi)實(shí)測(cè)氧氣濃度由19.8%降到18.3%，回風(fēng)流氧氣濃度由20.1%降為19.2%。

3.4 鉆孔注凝膠措施

在回風(fēng)順槽頂板破碎地段提前打設(shè)高位注膠孔進(jìn)行注膠，抑制破碎煤體氧化，延長(zhǎng)發(fā)火周期。具體實(shí)施方法是，每隔1.5m施工3個(gè)鉆孔，鉆孔深度以見(jiàn)矸為宜。①號(hào)鉆孔垂直頂板，②、③號(hào)鉆孔與采空區(qū)方向夾角為15°、30°，與頂板方向夾角成75°。鉆孔布置如圖圖2所示。在回采至鉆孔附近時(shí)，為了防止采動(dòng)影響造成封堵隔離帶破壞，需要對(duì)鉆孔進(jìn)行補(bǔ)充注膠，注膠量以頂板滲出為宜。

圖2 N4104工作面注膠措施鉆孔布置示意圖

3.5 采空區(qū)強(qiáng)化注三相泡沫措施

正?；夭蓵r(shí)，每隔12m在上順槽施工一個(gè)高位灌漿孔，向采空區(qū)進(jìn)行三相泡沫灌注。遇頂板破碎地段時(shí)，對(duì)注漿口進(jìn)行加密，每隔8m施工一個(gè)高位灌漿孔，安設(shè)灌漿管路（采用木垛等對(duì)灌漿管路進(jìn)行維護(hù)）進(jìn)行三相泡沫灌注，對(duì)采空區(qū)遺煤進(jìn)行浸濕、降溫、隔離處理。所述綜合防滅火措施實(shí)施以后，回風(fēng)隅角的CO濃度下降到（10-20）×10-6，解決了巷道頂板破碎地段煤體漏風(fēng)氧化的現(xiàn)象，消除了回風(fēng)隅角CO濃度超限現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期防滅火目的。

在措施執(zhí)行過(guò)程中，一方面要注意進(jìn)風(fēng)隅角的放頂工作，如果空頂超過(guò)5m，造成采空區(qū)自燃三帶的變化，導(dǎo)致氧化帶長(zhǎng)時(shí)間處于較好的漏風(fēng)狀態(tài)，嚴(yán)重影響防滅火效果；另一方面加強(qiáng)回風(fēng)隅角氧氣濃度觀測(cè)，以免在提高注氮量時(shí)，由于檢測(cè)和管理不到位，造成回風(fēng)隅角缺氧，導(dǎo)致作業(yè)人員窒息事故；第三，先減少采空區(qū)漏風(fēng)，降低浮煤氧化速度，再用膠體浸濕浮煤，最后用三相泡沫覆蓋，科學(xué)安排措施執(zhí)行順序，能取得事半功倍效果。

4 結(jié)語(yǔ)

易自然煤層的綜放工作面預(yù)防煤炭自燃是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，兩巷超前支護(hù)段受礦壓影響較大，容易造成破碎漏風(fēng)氧化，尤其是遇到構(gòu)造帶時(shí)，煤炭自燃現(xiàn)象更加明顯。因此，應(yīng)按照早期預(yù)防的原則，充分利用各種防滅火材料和技術(shù)工藝的優(yōu)勢(shì)、因地制宜，才能取得良好的防滅火效果。

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