劉源遠

（山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司）

采煤理論的日趨成熟，針對特厚煤層開采的綜放技術(shù)應(yīng)運而生，帶來了巨大的經(jīng)濟效益。但放頂煤開采空間大，前后過渡段大量煤炭遺留到落山內(nèi)，并且還存在頂板不塌、頂煤丟煤嚴重等現(xiàn)象，給綜放面防滅火治理工作帶來了不小的挑戰(zhàn)［1］。山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司（簡稱皇后煤業(yè)）初采期間出現(xiàn)過一氧化碳嚴重超標，采取了全方位、科學化措施啟封工作面，但采空區(qū)遺煤自燃問題一直存在。為了提高采空區(qū)安全性，以皇后煤業(yè)15105 綜放工作面末采和封閉期間防滅火為例，對工作面停采前的預(yù)防與準備、停采撤架期間和封閉后這3階段分別實施不同的安全技術(shù)措施，保障綜放面停采、回撤面、永久封閉期間的安全管理。

1 工作面概況

皇后煤業(yè)位于山西省陽泉市盂縣路家村鎮(zhèn)劉家村，距離盂縣縣城16.8 km，皇后煤業(yè)15105 綜放工作面所處水平為810 m，位于15#煤層南西部，工作面標高為790～820 m。煤層最大厚度為8.41 m，最小為6.3 m，平均煤厚7.51 m?？傮w位于單斜構(gòu)造上，北高南低，傾角在3°～5°。經(jīng)鑒定，15#煤吸氧量為0.72 cm3/g，自燃等級為Ⅱ級，為自燃煤層，最短自燃發(fā)火期為84 d。

本工作面初采后由于種種原因?qū)е峦．a(chǎn)，停產(chǎn)后雖然采取了一些措施來避免采空區(qū)煤炭自燃，但停產(chǎn)時間超過4 個月，遠遠大于最短發(fā)火期，一氧化碳最高達到19 000 ppm，出現(xiàn)指數(shù)型增長，最后導(dǎo)致工作面全面封閉。礦山采取注入氮和二氧化碳等惰性氣體聯(lián)合降低各項指標，并聯(lián)合多家科研單位研討，采取氣體置換、地面塌陷填充堵漏、氣壓觀測、精準快速排放積水等措施。但多頭作業(yè)恢復(fù)生產(chǎn)過程中，采空區(qū)內(nèi)可燃性指標氣體一直存在，并且也比以往工作面高很多，且封閉和撤除時間較長，存在再次自燃的可能性。

15105 綜放工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。該工作面采長為150 m，共布置有進風順槽、回風順槽、低位抽放巷和高抽巷4 條巷道，其中進風和回風順槽沿煤層底板布置，低位抽放巷沿煤層頂板布置，高抽巷沿12#煤層頂板布置。15105工作面回收完畢后，在15105進、回風順槽停采線附近構(gòu)筑密閉設(shè)施，永久封閉此工作面。永久密閉位置如圖1所示。

2 煤炭自燃條件及采空區(qū)三帶劃分

煤炭自燃是一個復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響。對于煤炭自燃的機理，各國學者進行了多年的探索和研究，提出了不少學說，包括黃鐵礦作用學說、細菌作用學說、酚基作用學說以及煤氧復(fù)合作用學說［2］。在上述學說中，煤氧復(fù)合學說得到了國內(nèi)外大多數(shù)學者的認可。依據(jù)煤氧復(fù)合學說及煤自燃發(fā)火過程分析和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，認為煤自燃必須具備以下條件：①開采的煤炭本身具有低溫易氧化性能，即煤炭具有自燃傾向性，且以破碎狀態(tài)存在；②有連續(xù)的供氧條件；③有積聚氧化熱的環(huán)境，即煤炭氧化所生成熱量速度大于散熱速度；④上述3個條件同時存在，且時間大于煤炭最短自燃發(fā)火區(qū)；⑤上述4 個條件缺一不可，前3 個條件是煤炭自燃的必要條件，最后1個條件是充分條件。

按照上述煤的自燃假說，采空區(qū)一般劃分為3個區(qū)域，即散熱帶、氧化帶、窒息帶［3］。

（1）散熱帶。此區(qū)域內(nèi)雖然有浮煤堆積，但是風速較大，能及時帶走煤氧化產(chǎn)生的熱量，無法滿足熱量積蓄條件。

（2）氧化帶。該區(qū)域相較于低溫不自燃帶風速較小，既能維持煤的氧化過程不斷發(fā)展，又能使生成的熱量持續(xù)積蓄，煤的溫度不斷升高，可能促使煤發(fā)生自燃。

（3）窒息帶。與前2 個帶相比，此區(qū)域內(nèi)風速最小，風流中的氧濃度過低，不能維持煤的氧化，對于已經(jīng)發(fā)生的自燃，也會因為缺氧而窒息。

本礦井工作面回采至末期，由于回采末期鋪網(wǎng)、撤設(shè)備、加強支護等原因，導(dǎo)致工作面推進速度放慢，容易出現(xiàn)煤自燃和標志性氣體涌出等情況，主要表現(xiàn)在上隅角以內(nèi)大量一氧化碳超標，并且隨著采空區(qū)風流涌出到回風順槽和工作面，引起一氧化碳報警超限；或者容易出現(xiàn)落山內(nèi)煤炭發(fā)熱氧化自燃的情況。主要原因有幾方面：①回采進入最后階段，首先必須調(diào)整通風和抽放系統(tǒng)，調(diào)整后會引起一氧化碳等氣體集聚，同時負壓流場發(fā)生變化，也會出現(xiàn)上隅角反風等現(xiàn)象；②末采期間會使用大量木梁、木柱進行鋪網(wǎng)和加強支護，最終埋入落山內(nèi)，給煤炭自燃和木材自燃提供了條件；③本礦井目前開采煤層為15#煤，煤巖成分中絲煤結(jié)構(gòu)松散，著火溫度低（190～270 ℃），具有較強的吸氧性能，這些遺煤的存在大大增加了15#煤層氧化升溫的危險性。

3 綜合防滅火措施研究

3.1 自燃的特點、發(fā)生機理和環(huán)境情況

（1）停采前工作面推進至末期，需要提前在20 m左右開始鋪網(wǎng)、支架頂部喂木梁和加強支護，推進速度變慢。頂煤不放導(dǎo)致頂部大量煤炭遺留在采空區(qū)，上下隅角由于應(yīng)力分布失調(diào)，遺煤難以垮落，風流以大弧度進入采空區(qū)，引起采空區(qū)漏風量增大。

（2）撤架回收期間，設(shè)備回收和拉架道施工過程中，工作面支架停止前移，采空側(cè)煤體和上下隅角落山長時間暴露在富氧空間中，給煤炭自燃創(chuàng)造了條件。這期間低位抽巷滅失，工作面風量降低，使防滅火工作難度增大。

（3）封閉工作面時，由于封閉工程量大、工期間斷，往往會造成工程質(zhì)量無法保證，密閉和四周煤體由于應(yīng)力變化，會引起礦井全風壓系統(tǒng)和采空區(qū)聯(lián)通，氧氣進入已采封閉區(qū)域，同時封閉區(qū)域煤體無法完全回收，也給遺煤自燃留下隱患。

3.2 停采前防滅火措施

（1）采煤工作面回采結(jié)束后，幾個工作面密閉墻頂部留有大量頂煤，采用傳統(tǒng)的雙墻充填式密閉墻進行永久封閉后，由于密閉墻體及墻體周邊原始煤體受停采線集中應(yīng)力影響，墻體與原始煤體接縫及原始煤體本身易出現(xiàn)導(dǎo)通裂隙，受地表氣溫及大氣壓力影響，采空區(qū)與外界巷道空間出現(xiàn)氣體“微循環(huán)”現(xiàn)象和虹吸效應(yīng)，給采空區(qū)防滅火帶來嚴重的威脅。針對此情況，對工作面停采線位置進行了優(yōu)化，停采后使密閉位置處于巖石頂板段，確保了密閉后墻體的密封效果，保證了采空區(qū)的防滅火安全管理。

（2）工作面開始末采鋪網(wǎng)階段，每天對上下隅角和采空側(cè)暴露的浮煤噴灑或灌注史達夫防滅火材料，同時盡量減少木料和易燃物品遺留在采空區(qū)。

（3）工作面推進至鋪網(wǎng)階段，及時降低高抽巷抽放量，工作面鋪網(wǎng)結(jié)束停止推進時，立即停止高抽巷和低位抽放巷抽放系統(tǒng)，減少了采空區(qū)的供氧，降低采空側(cè)浮煤的氧化反應(yīng)。

（4）在工作面上下隅角利用堆設(shè)土袋（或砂袋），建立防火隔離墻（墻體厚度為1 m），必須接頂嚴密，減少采空區(qū)漏風。

（5）加強工作面頂板管理工作，提高支架的初撐力和支架支護質(zhì)量，防止頂煤松動冒落遺留在采空區(qū)，確保工作面收面質(zhì)量，以利于加快工作面回撤速度。

（6）建立完備的工作巡回制度，并嚴格落實。重點監(jiān)測瓦斯?jié)舛取O濃度以及溫度變化情況，一旦發(fā)現(xiàn)氣體濃度或溫度上升等異常情況，立即向通風調(diào)度室匯報［4］。

3.3 停采撤架期間防滅火措施

（1）工作面停采后，立即根據(jù)實際情況調(diào)整工作面通風系統(tǒng)，保證風量處在合理區(qū)間范圍。日常加強工作面風量測定，至少每2 d 測定一次風量，并對老空區(qū)、架間、架后、回風流采集氣樣，同時對工作面泄水孔進行排查，防止向采空區(qū)漏風。

（2）工作面停止推進后，對上、下隅角利用堆設(shè)土袋（或沙袋），建立防火隔離墻（墻體厚度為1 m），同時運用快速封閉材料對架后采空側(cè)進行全工作面封閉。最大限度減少了采空側(cè)浮煤的暴露時間，同時大大降低了采空區(qū)漏風。

（3）支架回收期間，隨支架的撤除對裸露的頂、底板及煤幫噴灑新型防滅火材料（史達夫）。如發(fā)現(xiàn)失效或漏風處，及時噴灑新型防滅火材料進行封堵。同時停止15105綜放工作面抽放系統(tǒng)，減少采空區(qū)漏風，防止自燃發(fā)火。

（4）支架回收后，在砌筑永久密閉前，對采空區(qū)進行黃泥灌漿，隔斷空氣，阻止煤炭氧化，并吸熱降溫，同時黃泥漿還能增加浮煤的充填密度，減少漏風供氧［5］。

（5）利用束管監(jiān)測系統(tǒng)對工作面瓦斯、CO 濃度、溫度進行監(jiān)測。CO 測點布置如圖2 所示。同時利用比長式和便攜式檢測儀對CO 濃度進行實測，并填寫記錄表。安排專人取氣樣用色譜儀進行分析，并做好記錄工作，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況必須及時匯報。連續(xù)3 d 束管檢測數(shù)據(jù)有變化，立即取氣樣送檢測公司進行氣體分析。

3.4 工作面封閉后防滅火措施

（1）在順槽密閉施工后，向封閉區(qū)注氮氣進行防滅火處理［6］。封閉初期，每天必須對封閉區(qū)進行連續(xù)注入氮氣，通過束管、取樣化驗分析等手段確認。封閉區(qū)氧氣濃度＜5%時，可間隔注氮氣。封閉期間，每周人工取樣一次，經(jīng)化驗分析封閉區(qū)氧氣濃度＞10%時，立即啟動注氮系統(tǒng)向封閉區(qū)域注入氮氣。

（2）加強氣體監(jiān)測工作。工作面封閉后1 個月內(nèi)，每3 d 采集一次氣樣；工作面封閉1 個月后，氣體無異常，改為每周采集一次氣樣。

4 發(fā)生火災(zāi)事故的應(yīng)急處理措施

（1）火災(zāi)初期，應(yīng)積極組織人力、物力控制火勢，直接滅火失效時，應(yīng)采取隔離滅火控制火區(qū)。

（2）將排放水管路、壓風管路改為消防管路。

（3）迅速查明災(zāi)情，并組織人員及時佩帶好自救器撤出災(zāi)區(qū)和受威脅地區(qū)，積極組織救護隊搶救遇難人員［7］。如果在撤退過程中遇到爆炸沖擊波與火焰襲來時，應(yīng)背向沖擊波俯臥在底板或水溝內(nèi)。遇到無法撤退、通路冒頂堵塞或瓦斯涌出量大、有害氣體濃度大而又無法自救時，應(yīng)迅速躲進避難硐室或臨時構(gòu)筑避難所等待營救。

（4）查明火災(zāi)地點、范圍和發(fā)火原因，并采取防止風流紊亂、火煙侵襲、蔓延等措施，防止火災(zāi)向有人員的巷道蔓延，同時切斷火區(qū)電源。

5 結(jié)語

以皇后煤業(yè)15105 綜放工作面為例，系統(tǒng)分析了工作面停采撤面期間防滅火措施。并根據(jù)不同階段工作面的施工特點，制定了相應(yīng)的防滅火方案。防治方案中的核心點：①采空側(cè)應(yīng)用新型防滅火材料全覆蓋堵漏；②停采線位置的設(shè)計，避免了密閉處頂煤松動變形帶來后期漏風自燃的隱患。闡述了發(fā)生火災(zāi)事故的應(yīng)急處理措施，對類似生產(chǎn)條件的礦井工作面停采撤面期間防滅火工作具有一定的指導(dǎo)意義。