孔慶軍，路慶彬，吳建賓，王 強，拓龍龍,3

(1.兗州煤業(yè)貴州能化有限公司，貴州 貴陽 550022；2.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

大采高綜放工作面停采撤架期間受不放頂煤，以及采空區(qū)遺煤多且煤體破碎、漏風通道多等因素困擾[1-3]，因此，在此期間極易發(fā)生采空區(qū)和局部區(qū)域煤自燃，更嚴重的會引發(fā)礦井火災，影響礦井安全生產(chǎn)[4-6]。我國各大煤炭主要產(chǎn)區(qū)均存在工作面回撤期間煤自然發(fā)火問題[7-9]。目前，國內(nèi)外廣泛采用注水、黃泥注漿、噴灑阻化劑、注惰性氣體等技術(shù)，對工作面停采撤架期間煤自燃進行有效防治[10-12]。根據(jù)大采高綜放工作面的回采特點，在工作面末采期間采用隔離封堵、預埋滅火管路和氣體監(jiān)測等針對性措施，對采空區(qū)進行預防性防滅火治理，能更有效地降低煤自燃危險性[13-14]。

結(jié)合石拉烏素煤礦221上06A大采高綜放工作面開采工藝特點，在末采階段采取針對性的措施，并在停采撤架期間容易發(fā)生煤自燃的區(qū)域，進行注膠封堵、調(diào)控工作面配風和氣體監(jiān)測措施，預防采空區(qū)遺煤自燃，確保了工作面支架安全回撤。

1 工作面概況

石拉烏素煤礦221上06A工作面為井田南翼首采工作面，位于221采區(qū)西南部。其東側(cè)為221上08綜放工作面(未采)，北距大巷保護煤柱240 m，西為設(shè)計221上04綜放工作面(未采)。工作面長1 103.9 m、寬290.5 m，工作面主采煤層為2-2煤層，煤層厚度9.3～10.4 m，平均厚度9.56 m，煤層夾矸由南向北逐漸變厚(0.5～2.5 m)，2-2中煤層厚3.89 m，2-2上煤層厚5.35 m。221上06A工作面采用“U”型通風，輔助運輸巷進風、膠帶運輸巷回風，正常生產(chǎn)期間工作面配風量為2 300 m3/min。工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系示意圖

221上06A工作面運輸巷長1 123.9 m，工作面長 290.5 m，截至2019年10月8日，工作面輔助運輸巷剩余44.7 m，膠帶運輸巷剩余46.7 m至停采線，回采期間采空區(qū)CO體積分數(shù)為18%，回風隅角CO體積分數(shù)為6%，工作面于2019年10月25日回采結(jié)束。

2 煤自燃防治重點分析

221上06A工作面主采的2-2煤層為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為44 d。大采高工作面煤層較厚，采用綜放技術(shù)致使采空區(qū)存在大量遺煤，同時大采高開采導致該工作面承受很強的地壓作用，從而使煤層在開采過程中受采動壓力的作用而破碎，形成大量的漏風通道。

在221上06A工作面開采過程中，由于工作面輔助運輸巷、膠帶運輸巷整體沒有放煤，頂板垮落不充分，因此，兩運輸巷端頭位置具備較好的漏風條件，且采空區(qū)堆積碎煤較多;在工作面架后采空區(qū)域，工作面末采15.5 m時開始支架上網(wǎng)，上網(wǎng)后后部刮板輸送機不再放煤，架后丟煤厚度為2.1～3.7 m;回撤通道三岔口位置頂煤厚度達到2.8 m，受動壓影響煤體較為破碎。這些都為煤自燃提供了有利條件。

3 防滅火技術(shù)方法

3.1 末采期間防滅火

為防止工作面回采撤架期間出現(xiàn)采空區(qū)煤自燃，實現(xiàn)對煤自燃的超前預防和控制[15-16]，針對大采高綜放工作面的回采特點，從氣體檢測、施工隔離墻封堵漏風、預埋防滅火管路、施工防滅火注膠管路等方面入手，對末采期間可能發(fā)生煤自燃的重點區(qū)域進行超前預防，提高末期開采的安全性并減輕停采撤架期間的防滅火工作壓力[17-18]。

3.1.1 氣體檢測

在221上06A工作面兩運輸巷距設(shè)計終采線 50 m 時分別預埋2路束管(束管布置如圖2所示)，對采空區(qū)氣體濃度進行檢測，通過束管取樣分析采空區(qū)氣體濃度來判斷檢測地點遺煤自燃狀況。同時，瓦斯檢查員每班對工作面、回風隅角、回風巷等地點氣體的濃度檢測2次，確保及時發(fā)現(xiàn)異常點。在工作面、回風隅角、回風巷安設(shè)一氧化碳傳感器，實時監(jiān)測氣體濃度變化情況。

圖2 束管和隔離墻布置示意圖

3.1.2 施工隔離墻封堵漏風

減少采空區(qū)漏風是控制煤自燃的有效手段，因此在采空區(qū)兩巷施工隔離墻進行封堵，可以有效降低采空區(qū)氧濃度和漏風量，抑制采空區(qū)遺留煤炭自燃的發(fā)展[19-20]。

當工作面距終采線小于100 m時，在兩運輸巷端頭每隔30 m分別施工1道1 m厚煤袋隔離墻，當工作面距終采線15.5 m開始上網(wǎng)時，在兩運輸巷端頭分別施工1道1 m厚煤袋隔離墻，減少向采空區(qū)漏風。當工作面不再拉架后在膠帶運輸巷端頭施工1道煤袋隔離墻，在輔助運輸巷施工2道1 m厚煤袋隔離墻，在兩隔離墻上分別噴涂高分子膨脹材料賽福特，2道隔離墻間距1 m，在隔離墻間預埋3路DN50 mm注膠鋼管，通過注膠鋼管向隔離墻間壓注凝膠，當兩隔離墻間充滿凝膠后，可封堵漏風通道，減少了漏向采空區(qū)的風量。各隔離墻布置位置見圖2。

3.1.3 預埋防滅火管路

從工作面距終采線50 m位置開始，將輔助運輸巷?108 mm注氮管路自隅角位置斷開并開始向采空區(qū)預埋，同時將出口抬高至底板以上1.5 m處，防止進水。將膠帶運輸巷?108 mm注漿管路自隅角位置斷開并開始向采空區(qū)預埋，同樣將出口抬高至底板以上1.5 m處，防止進水。

3.1.4 加工防滅火注膠管

根據(jù)終采線剖面預測，對終采線架間及架后防滅火鉆孔深度及角度進行設(shè)計，并組織人員進行加工?；ü懿捎瞄L2 m、直徑25 mm的鋼管加工，一頭套絲，另一頭切成尖頭并砸扁，管中間均勻布置直徑10 mm的孔眼。直管采用長1 m和2 m、直徑25 mm的鋼管加工，直管兩端頭套絲。

3.2 停采回撤期間防滅火

停采后開始對工作面采取針對性的防滅火措施，針對工作面架后采空區(qū)遺煤多且煤體破碎的特點，采取注膠封堵的方法惰化采空區(qū)，同時通過噴灑阻化劑降低煤自燃活性，并采取調(diào)整通風系統(tǒng)降低采空區(qū)的漏風量。此外，采取噴灑阻化劑、工作面架間注膠等方法，對停采撤架期間采空區(qū)煤自燃進行主動預防，積極控制。

3.2.1 停采后及時降低工作面配風量

工作面停采后對工作面通風系統(tǒng)進行調(diào)整，通過輔助運輸巷聯(lián)絡巷風門將工作面風量控制在 1 290 m3/min左右，減少了兩端頭壓差，從而降低了向采空區(qū)的漏風量，有效抑制了工作面自然發(fā)火。在輔助運輸巷聯(lián)絡巷和221上08聯(lián)絡巷分別安裝了 2臺 37 kW局部通風機，采用雙風機雙電源配置，保證能隨時投入使用。隨著工作面支架回撤，在膠帶運輸巷終采線位置、回撤通道終采線位置分別施工全斷面木垛，工作面內(nèi)每撤除一個支架后施工一個木垛，預留通風通道，工作面撤除過程中采用全負壓通風方式，保障了工作面風量，為工作面回撤創(chuàng)造了有利條件，確保了回撤速度。在工作面回撤初期、末期和封閉期間的通風系統(tǒng)如圖3所示。

(a)回撤初期

(b)回撤末期和封閉期間圖3 回撤期間工作面通風系統(tǒng)示意圖

3.2.2 噴灑阻化劑

工作面停采后向架間、架后、兩端頭煤體噴灑阻化劑，預防煤自然發(fā)火。

3.2.3 工作面兩端頭注膠封堵

工作面停采后在進風隅角向端頭煤體扇形布置6個防滅火鉆孔，鉆孔深度10～15 m，孔套管預留至隔離墻外側(cè)，膠帶運輸巷端頭6個防滅火鉆孔布置在巷尾支架與1#支架、1#與2#支架之間，在兩端頭及輔助運輸巷隔離墻間累計壓注凝膠67 m3。

3.2.4 工作面架間注膠封堵

1)支架調(diào)整：工作面停采前，調(diào)整支架間距不小于100～150 mm，便于施工架間鉆孔。

2)工作面停采第1個班，組織掘進隊伍安裝停采面壓風供水管路，壓風管采用?108 mm鋼管，供水管路采用?51 mm膠管，壓風供水管路與兩運輸巷壓風供水管路合茬，形成壓風、供水系統(tǒng)，壓風管路沿工作面前立柱下部敷設(shè)。實現(xiàn)兩部錨桿鉆機同時施工防滅火鉆孔。

3)架間鉆孔布置：工作面共有143個支架，按每架施工2個鉆孔，共設(shè)計284個鉆孔，實際施工架間鉆孔263個，其中有21個支架因架間間隙較小，無法施工鉆孔。鉆孔布置參數(shù)如下：

①鉆孔1′:開孔點在支架頂梁與前立柱交接位置，終孔點為支架頂梁與掩后梁交接位置上方，開孔角度為51°～60°，孔深3～8 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，最里端為長2 m花管，封孔長度3～8 m。

②鉆孔1:開孔點在支架頂梁與掩后梁交接位置，終孔點為支架尾梁上方位置，開孔角度為45°，孔深3～6 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，最里端為長 2 m 花管，封孔長度3～6 m。

鉆孔1′和鉆孔1布置參數(shù)如圖4所示。

圖4 鉆孔1′和鉆孔1布置參數(shù)

③鉆孔2:開孔點在尾梁位置，終孔點為支架尾梁向采空區(qū)位置，開孔角度為36°，孔深3 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，最里端為長 2 m 花管，封孔長度3 m。鉆孔2布置參數(shù)如圖5所示。

圖5 鉆孔2布置參數(shù)

鉆孔1、鉆孔1′和鉆孔2在膠帶運輸巷和輔助運輸巷中防滅火鉆孔布置示意圖如圖6所示。

(a)膠帶運輸巷

(b)輔助運輸巷圖6 防滅火鉆孔布置示意圖

④防滅火鉆孔采用MQT-130型錨桿鉆機配合?42 mm鉆頭及麻花鉆桿進行施工，初期采用麻皮進行封孔，鉆孔周邊漏膠嚴重，效果不理想。后期在注膠鋼管與鉆孔之間留設(shè)亞太膠管，采用2ZBQ24/10型煤礦用氣動注漿泵通過預埋亞太膠管向鋼管與鉆孔之間的縫隙壓注水泥漿進行封孔，杜絕了鉆孔周邊出現(xiàn)漏膠現(xiàn)象。

3.2.5 壓注膠體防火

1)注膠防火

①在兩運輸巷端頭及隔離墻間壓注凝膠，兩端頭防滅火鉆孔及輔助運輸巷隔離墻間累計壓注凝膠67.0 m3。

②工作面支架架間充填“MEA-1”，鉆孔1、鉆孔2單鉆孔設(shè)計注膠量為3.0 m3，實際注膠量在0.5～3.0 m3不等，架間累計注膠528.4 m3。

2)注膠工藝

①兩端頭壓注凝膠采用2ZBQ150/6型煤礦氣動注漿泵現(xiàn)場注膠工藝，采用的是以水玻璃為基料，小蘇打為促凝劑的無機硅凝膠，其中基料在凝膠中質(zhì)量占比為8%～10%，促凝劑質(zhì)量占比為3%～5%。

②架間注膠采用2ZBQ150/6型煤礦氣動注漿泵現(xiàn)場注膠工藝，對終采工作面架后采空區(qū)壓注“MEA-1”膠體，現(xiàn)場配制MEA膠體，溶液質(zhì)量配比m(MEA-1)∶m(水)=1∶100～120。

輔助運輸巷注膠場地設(shè)置在進風隅角位置，膠帶運輸巷注膠場地設(shè)置在221上08聯(lián)絡巷，221上08聯(lián)絡巷注膠泵至回風隅角敷設(shè)2路DN25 mm注膠軟管，工作面內(nèi)敷設(shè)2路?19 mm的注膠管，在工作面內(nèi)注膠管接分流器，分流器與支架間鉆孔連接，每次注4個孔。

③鉆孔注膠完成后，根據(jù)現(xiàn)場情況及時對重點區(qū)域進行了補注。

3.2.6 氣體監(jiān)測

工作面停采后在回風隅角、工作面及回風巷布置甲烷傳感器和一氧化碳傳感器進行正常實時監(jiān)測，在工作面支架間和架后分別施工1個檢測孔，累計施工檢測孔28個，檢測孔孔深4～5 m，孔內(nèi)插入直徑25 mm鋼管，鋼管內(nèi)敷設(shè)1路束管，鋼管開口用水泥封堵，確保嚴密不漏風，并將束管引至架前位置方便取樣。安排專人每天中班對工作面架間預埋束管、兩運輸巷采空區(qū)預埋束管及回風隅角氣體進行檢測并取樣分析，回撤后期及時根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整檢測點。瓦斯檢查員除每班正常對工作面、回風隅角、回風巷、作業(yè)地點等進行氣體溫度檢測外，還要對每個架間、架后的氣體濃度及溫度進行檢測，及時掌握氣體濃度及溫度變化情況?；爻烦跗跍y風員每兩天至少對工作面風量測定 1次，回撤后期測風員每天至少對工作面風量測定 1次，確保工作面風量滿足要求。

3.2.7 注氮惰化采空區(qū)

停采回撤期間，通過輔助運輸巷預埋注氮管路向采空區(qū)壓注氮氣，注氮量控制在500 m3/h左右，泄水巷注氮量在200 m3/h左右，根據(jù)現(xiàn)場氣體檢測結(jié)果，工作面未發(fā)現(xiàn)低氧區(qū)。工作面自10月28日兩端頭隔離墻施工完畢后開始注氮，截至12月5日中班工作面封閉完成，累計注氮49.4 萬m3。

4 應用效果

2019年11月4日至12月2日撤架期間，對工作面架間CO和O2體積分數(shù)進行統(tǒng)計，得到CO和O2體積分數(shù)隨撤架時間的變化規(guī)律，其變化曲線如圖7所示。

(a)回撤期間CO體積分數(shù)變化

(b)回撤期間O2體積分數(shù)變化圖7 停采撤架期間各測點CO和O2體積分數(shù)變化

由圖7(a)可以看出，6個架間測點、進風隅角和回風隅角測點處CO體積分數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢。隨著工作面撤架過程中封堵注膠量的逐漸增加，降低了向采空區(qū)的漏風量，在工作面后部采空區(qū)壓縮了煤自燃的空間，從而降低了煤自燃危險性。

在工作面末采期間通過預埋氣體監(jiān)測管路，為工作面回撤期間進行氣體監(jiān)測奠定了基礎(chǔ)，并通過在回風隅角和回風巷安設(shè)一氧化碳傳感器監(jiān)測回風流中的CO濃度，實現(xiàn)了實時報警。同時，施工隔離墻封堵對采空區(qū)的漏風、預埋防滅火管路及加工防滅火注膠管均對工作面回撤期間所采取的防滅火措施進行了提前布置，為回撤期間防滅火措施的高效可靠運行提供了前期保障。

由圖7(b)可以看出，在工作面架間測點位置O2體積分數(shù)在回撤期間基本保持在20%左右，而工作面架間各測點在回撤期間CO體積分數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，并在有些測點位置CO下降至0。這表明雖然O2體積分數(shù)滿足煤自燃條件，但通過防滅火措施有效控制了采空區(qū)煤自燃現(xiàn)象，確保了工作面的安全回撤。

5 結(jié)論

1)221上06A大采高綜放工作面受采動壓力影響造成煤體破碎，形成大量的漏風通道，并且因大采高造成采空區(qū)丟煤、碎煤較多，末采階段后部運輸機不再放煤，架后丟煤厚度為2.1～3.7 m，煤自燃危險性高，需采用針對性的措施進行防控。

2)為防止停采撤架期間出現(xiàn)煤自燃，在工作面末采期間采取氣體監(jiān)測、施工隔離墻、預埋防滅火管路等措施，對停采撤架期間可能出現(xiàn)的危險因素進行針對性預防及控制，實現(xiàn)了對采空區(qū)煤自燃的超前防控。

3)針對大采高綜放工作面造成的漏風問題，采取減少工作面配風量，在兩運輸端頭和工作面架間進行注膠封堵等措施，減少了采空區(qū)的漏風通道，同時注氮惰化采空區(qū)，取得了良好的防治效果。