劉 靖

（西山煤電集團(tuán)公司官地礦，山西 太原 030022）

礦井火災(zāi)[1]是影響礦井安全生產(chǎn)的五大自然災(zāi)害之一。隨著礦井采掘機(jī)械化程度的提高，很多礦井采用綜采放頂煤生產(chǎn)工藝，此種工藝在提高工作面生產(chǎn)效率的同時(shí)，因采空區(qū)遺煤較多、漏風(fēng)嚴(yán)重的問(wèn)題，工作面拆架封閉期間容易發(fā)生自然發(fā)火事故。本文以29406工作面為例，介紹該工作面的綜合防滅火措施。

1 工作面概況

29406綜放工作面開(kāi)采9#煤層、放8#煤層，該工作面井下位于中四采區(qū)東南部，工作面西側(cè)為28408工作面采空區(qū)，東側(cè)為未采區(qū)。工作面上部為26406、16309工作面采空區(qū)。9#煤與6#煤層間距約為30.33 m。29406工作面正巷655 m，副巷597 m，切眼216 m。8#煤層上部含有兩層厚度約為0.56 m、0.03 m的夾矸；8#煤與9#煤層間距0.30～1.40 m，平均1.25 m；9#煤層平均厚度3.18 m，8#煤層平均厚度3.95 m（可采），8#煤與9#煤聯(lián)合開(kāi)采平均厚度7.74 m；煤層傾角6°～7°。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，工作面配風(fēng)量為1 050 m3/min,瓦斯絕對(duì)涌出量為8 m3/min，其中所采9#煤層為Ⅲ類(lèi)自燃煤層，所放8#煤層為Ⅱ類(lèi)自燃煤層，8#煤層自然發(fā)火期為89天。

2 29406綜放工作面收尾拆架封閉期間自然發(fā)火的原因分析

2.1 支架后方的鐵絲網(wǎng)上煤炭

工作面在距停采線15 m處為拆除支架而鋪網(wǎng)，此時(shí)頂煤冒落在網(wǎng)上不能放出，支架后方采空區(qū)內(nèi)留有寬15～20 m、長(zhǎng)與工作面傾斜長(zhǎng)同等的破碎煤條帶，此條破碎煤帶即為工作面停采后的鐵絲網(wǎng)上的煤炭。工作面停采后，由于網(wǎng)上煤炭所處位置具備持續(xù)供氧、熱量聚集和足夠的氧化時(shí)間等條件，所以該處煤炭極易氧化自燃。

2.2 架頂煤炭

架頂煤炭即為停采后工作面支架和后部溜子上方的煤炭。此處煤炭的特點(diǎn)與鐵絲網(wǎng)上煤炭類(lèi)似，區(qū)別在于架頂煤炭的破碎程度在工作面剛剛停采后相對(duì)較小，塊度較大，主要呈裂隙狀。當(dāng)支架開(kāi)始拆除時(shí)，架頂煤炭隨支架的拆除而冒落，風(fēng)流經(jīng)過(guò)該冒落區(qū)，若工作面的拆除時(shí)間超過(guò)30天，此處煤炭氧化自燃的可能性將大大增加[2]。

2.3 通風(fēng)斷面變小導(dǎo)致局部阻力增大

支架部分拆除后，采空區(qū)漏風(fēng)分布發(fā)生變化當(dāng)工作面的支架開(kāi)始拆除后，架頂煤炭隨之冒落，堵塞了原有的通風(fēng)斷面，局部阻力加大，迫使工作面的進(jìn)風(fēng)流向采空區(qū)深部擴(kuò)散，增大了工作面采空區(qū)后方的漏風(fēng)寬度。因此，在工作面支架拆除過(guò)程中，采空區(qū)后方從停采線至采空區(qū)50 m范圍內(nèi)的遺留煤炭最易發(fā)生氧化自燃。

2.4 拆架至封閉所需時(shí)間長(zhǎng)

從工作面煤壁斷面開(kāi)始擴(kuò)削至拆完支架至少需要1個(gè)月，在此期間支架不推進(jìn)，采空區(qū)浮煤緩慢氧化，積聚的熱量又不能及時(shí)被風(fēng)帶走，煤體溫度逐漸升高，為自然發(fā)火提供了充足的條件。

2.5 采空區(qū)漏風(fēng)比較嚴(yán)重

拆架期間，通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，采空區(qū)漏風(fēng)加大，風(fēng)量將從進(jìn)風(fēng)隅角沿采空區(qū)流向回風(fēng)。造成采空區(qū)“三帶”中的氧化帶區(qū)域變寬，增加了著火危險(xiǎn)性。

2.6 綜放工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)隅角靠煤柱側(cè)存有漏風(fēng)通道

在采煤過(guò)程中，由于上下巷道煤柱的支撐作用，靠近煤柱側(cè)有條未冒實(shí)的三角漏風(fēng)帶，特別是進(jìn)風(fēng)側(cè)受風(fēng)流沖擊最大，影響范圍也較深（向采空區(qū)里），為采空區(qū)自燃提供了連續(xù)供氧條件，這是綜放工作面發(fā)火的主要隱患。

3 29406綜放工作面收尾拆架封閉期間的防滅火綜合治理措施

3.1 預(yù)防性灌漿，保證頂煤的完整性

工作面收尾煤壁斷面開(kāi)始擴(kuò)削結(jié)束后，在工作面回撤前、后部運(yùn)輸機(jī)前，安排打鉆隊(duì)施工注漿鉆孔。注漿鉆孔開(kāi)孔位置在每個(gè)支架的前探梁和相鄰兩個(gè)支架的前部間隙9#煤層頂板處，終孔位置在支架后部8#煤層頂板，鉆孔孔深10～15.6 m，傾角20°～30°。在工作面形成拆架條件前共計(jì)施工注漿鉆孔215個(gè)，鉆孔施工結(jié)束后，對(duì)支架后部采空區(qū)的遺煤、支架后部鐵絲網(wǎng)上的煤炭和支架頂部的煤炭進(jìn)行預(yù)防性灌漿，累計(jì)注漿80 t，工作面施工注漿鉆孔和注漿共計(jì)用時(shí)12天。

（1）鉆孔傾角及方位角

式中：β為鉆孔傾角，°；h為終孔垂高，m；s為鉆孔水平距，m。

鉆孔水平距定為10 m，鉆孔的終孔垂高為5 m，鉆孔水平角垂直于后部采空區(qū)。

利用上述公式可計(jì)算出鉆孔傾角27°。

（2）鉆孔深度

式中：L為鉆孔深度，m；s為水平距，m；β為鉆孔傾角，°。

經(jīng)計(jì)算施工鉆孔孔深L為11.2 m。

注漿鉆孔側(cè)視見(jiàn)圖1。

圖1 注漿鉆孔側(cè)視

注漿鉆孔俯視見(jiàn)圖2。

圖2 注漿鉆孔俯視

（3）鉆孔施工采用ZDY400型鉆機(jī)，鉆孔直徑80 mm，封孔管采用DN40鋼管，采用聚氨酯進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度6 m。

（4）注漿采用泥漿泵進(jìn)行注漿，注漿材料為速凝固化劑，注漿料與水的比例為1:1.5。通過(guò)注漿使工作面后部采空區(qū)漏風(fēng)量減少，氧化帶提前進(jìn)入窒息帶，降低了采空區(qū)后部遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。

3.2 加強(qiáng)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

在工作面回風(fēng)隅角、工作面、回風(fēng)流以及支架間設(shè)置自然發(fā)火觀測(cè)點(diǎn)，每班由礦通風(fēng)科安排科、隊(duì)跟班干部或瓦斯檢查員對(duì)回風(fēng)隅角、工作面、回風(fēng)流以及支架前、后部間隙的CH4、CO2、CO、O2、溫度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，了解工作面的自然發(fā)火情況[3]。

3.3 優(yōu)化工作面的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，改變拆架工藝

傳統(tǒng)的工作面支架拆除方法是采用副巷拆架運(yùn)輸、正巷回風(fēng)，為保證回風(fēng)通道暢通，必須在工作面支架拆除后及時(shí)補(bǔ)打“#”型木垛。此種拆架工藝，拆架效率低、工作強(qiáng)度大、拆架時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)增大。鑒于此，本文提出采用正、副巷同時(shí)拆架的方法，具體方案如下：

（1）提前在工作面切眼145 m位置（96#支架處）施工一條回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，作為正、副巷出架時(shí)的回風(fēng)通道。

（2）29406綜放工作面共有147個(gè)支架，其中1#～39#支架經(jīng)正巷拆出，40#～147#支架經(jīng)副巷拆出（147#支架在拆除后部運(yùn)輸機(jī)前已提前拆出）。將40#支架作為副巷拆架方向的木垛架，依次往外進(jìn)行拆架。將39#支架作為正巷拆架方向的木垛架，依次往外進(jìn)行拆架。

（3）工作面拆架期間，在29406正巷皮帶頭（距29406正巷回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷20 m處）安裝2臺(tái)功率為22 kW的局部通風(fēng)機(jī)，對(duì)正巷（1#～39#支架）拆架工作面拆架處進(jìn)行供風(fēng)；在29406副巷（距29406副巷口20 m處）安裝2臺(tái)功率為30 kW的局部通風(fēng)機(jī)，對(duì)副巷（40#～96#支架）拆架工作面拆架處進(jìn)行供風(fēng)。29406工作面(1#～39#架；40#～96#架)拆架工作面通風(fēng)系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 29406工作面(1#～39#架；40#～96#架)拆架工作面通風(fēng)系統(tǒng)

（4）在29406工作面1#～39#支架拆除完畢后，提前在正巷口構(gòu)筑永久密閉。而29406工作面40#～96#支架的拆除則繼續(xù)利用副巷局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行供風(fēng)，該拆架過(guò)程工作面通風(fēng)系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 29406工作面1#～39#支架拆除、封閉后通風(fēng)系統(tǒng)

（5）當(dāng)支架拆除到97#支架時(shí)，停止局部供風(fēng)，將通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)改為由29406副巷進(jìn)風(fēng)、工作面中部回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷回風(fēng)的全負(fù)壓“U”型通風(fēng)方式。29406工作面97#～146#支架拆除期間通風(fēng)系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 29406工作面97#～146#支架拆除期間通風(fēng)系統(tǒng)

（6）29406工作面97#～146#支架拆除完畢后，在29406副巷口、29406工作面中部回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷口構(gòu)筑永久密閉。

3.4 合理調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，降低采空區(qū)漏風(fēng)

工作面拆架期間風(fēng)量配備須考慮為滿(mǎn)足稀釋瓦斯等有害氣體、滿(mǎn)足人員呼吸作業(yè)、滿(mǎn)足最低風(fēng)速等要求即可[4]，工作面回撤期間風(fēng)量由正常回采時(shí)的風(fēng)量1 200 m3/min降低為400～500 m3/min。通過(guò)降低配風(fēng)量使后部采空區(qū)氧化帶的含氧量降低，使氧化帶提前進(jìn)入窒息帶，有效防止后部采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

3.5 采空區(qū)持續(xù)注氮

工作面拆架期間，仍使用回采期間的注氮系統(tǒng)，氮?dú)忉尫趴谠诰喙ぷ髅媸瘴矓嗝鏀U(kuò)削前30 m處埋入采空區(qū)，并用木垛加以保護(hù)，注氮釋放口距底板高度控制在300 mm以上。通過(guò)24h持續(xù)不間斷地向29406采空區(qū)注入濃度大于97%的氮?dú)鈦?lái)降低采空區(qū)內(nèi)的氧氣含量，從而降低煤層自然發(fā)火的概率。

3.6 引進(jìn)新材料，加快封閉速度

工作面正、副巷及中間巷利用傳統(tǒng)的兩邊構(gòu)筑石墻、中間充填黃土的封閉方式，存在著工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、工序復(fù)雜、效率較低等缺點(diǎn)。為此，本文提出在封閉巷道時(shí)，先用料石構(gòu)筑密閉前后墻，密閉墻中間的充填材料通過(guò)泥漿泵將速凝固化劑直接注入墻體內(nèi)，不僅節(jié)省了人工運(yùn)料距離，提高了封閉速度（比傳統(tǒng)封閉所用時(shí)間節(jié)省了5天），作業(yè)工序更為簡(jiǎn)單，充填密閉效果更好[5]。

4 治理效果

29406綜放工作面在收尾拆架期間采取了預(yù)防性灌漿、采空區(qū)注氮?dú)舛杌?、自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、優(yōu)化工作面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改變工作面拆架工藝、降低采空區(qū)漏風(fēng)、采用新材料進(jìn)行密閉充填等綜合防滅火措施后，在自然發(fā)火觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行人工取樣、束管化驗(yàn)分析未發(fā)現(xiàn)有CO氣體，并且工作面整個(gè)收尾拆架封閉期間監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)未監(jiān)測(cè)到CO氣體，綜合防滅火措施效果顯著。

5 結(jié)語(yǔ)

1）29406綜放工作面采用正、副巷同時(shí)拆架工藝，支架拆除用時(shí)僅僅26天，大大縮短了拆架時(shí)間，降低了煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。

2）2940綜放工作面采用了預(yù)防性灌漿、采空區(qū)注氮?dú)舛杌?、自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、優(yōu)化工作面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改變工作面拆架工藝、降低采空區(qū)漏風(fēng)、采空區(qū)實(shí)施采后快速封閉等綜合防滅火措施后，工作面在回撤后期回風(fēng)流內(nèi)CO濃度為0 ppm，防滅火治理效果較顯著。