趙亞明，楊 偉，陳 洋

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；3.國(guó)能新疆寬溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，新疆 昌吉 831100）

2020 年度新疆原煤產(chǎn)量占全國(guó)產(chǎn)量的7%，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但新疆地區(qū)煤炭存在低變質(zhì)煤炭資源蘊(yùn)藏量大，開(kāi)采煤層變質(zhì)程度低，煤層自然發(fā)火期短的特點(diǎn)[1-3]。許多綜放工作面進(jìn)入末采期后推進(jìn)速度減緩，再加上回撤過(guò)程中面臨綜放開(kāi)采設(shè)備搬運(yùn)困難的不利條件，造成工作面回撤周期長(zhǎng)，超過(guò)了煤層的最短自然發(fā)火期，致使煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性增大[4-7]。

特別是，近年來(lái)隨著開(kāi)采深度的加大，礦井沖擊地壓?jiǎn)栴}日益嚴(yán)重，為解決這一問(wèn)題通常采用超前預(yù)裂爆破手段，在此影響下巷道松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大，進(jìn)一步增加了采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)也加強(qiáng)了煤層的氧化能力，伴隨著沖擊地壓與火等災(zāi)害的耦合，使得煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)更為嚴(yán)峻[8-10]。因此，有必要針對(duì)沖擊地壓條件下易自燃厚煤層工作面回撤期間防滅火技術(shù)進(jìn)行研究，防患于未“燃”，達(dá)到回撤期間采空區(qū)煤自燃防治的目的。

1 礦井概況

寬溝煤礦屬于沖擊地壓礦井，于2010 年10 月發(fā)生了新疆地區(qū)第1 起沖擊地壓災(zāi)害事故，在此之后，通過(guò)幾年的防沖實(shí)踐，形成了“六位一體”的防沖體系。寬溝煤礦I010202 回撤工作面可采走向長(zhǎng)度1 469 m，傾斜長(zhǎng)度192 m，所采的B2 煤層為容易自燃煤層，厚度為9.5 m，煤層傾角為12°～14°，最短自然發(fā)火期為52 d，工作面采放比為1∶1.97，設(shè)計(jì)風(fēng)量為1 169 m3/min，采用上行通風(fēng)?；爻饭ぷ髅嫔喜繛镋114（2）2 采空區(qū)、I0104206 采空區(qū)和I0104208采空區(qū)，北部15 m 為I010206 備采面。I010202 回撤工作面相對(duì)位置關(guān)系圖如圖1。

2 沖擊地壓易自燃厚煤層回撤工作面防滅火特點(diǎn)

2.1 寬溝煤礦沖擊地壓類(lèi)型

寬溝煤礦沖擊地壓類(lèi)型主要為工作面堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓和巷道應(yīng)力疊加型沖擊地壓。針對(duì)2 種類(lèi)型沖擊地壓的防治措施如下：

1）針對(duì)工作面堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓，采取超前預(yù)裂爆破和全斷面強(qiáng)制放頂措施，使煤體發(fā)生塑性破壞，消耗煤體積聚的彈性勢(shì)能。

2）針對(duì)巷道應(yīng)力疊加型沖擊地壓，采取以大孔徑卸壓為主、煤體卸壓爆破為輔，并結(jié)合加強(qiáng)支護(hù)的方式進(jìn)行防治。

2.2 沖擊地壓對(duì)工作面防滅火的影響

受沖擊地壓影響，在工作面正常回采及末采期間，工作面前方煤體在應(yīng)力集中作用下易產(chǎn)生裂隙，再加上超前預(yù)裂爆破的影響，使裂隙更加發(fā)育，提供了良好的供氧條件，為日常防滅火工作帶來(lái)不利影響；工作面進(jìn)入撤架時(shí)期后，工作面前方及支架上方煤體長(zhǎng)期處于漏風(fēng)供氧狀態(tài)，隨著應(yīng)力的不斷顯現(xiàn)，破碎煤體有大粒徑向小粒徑演變的趨勢(shì)，在適宜的條件下極易發(fā)生自燃，嚴(yán)重威脅井下的安全作業(yè)[11]。

寬溝煤礦采用鉆孔窺視儀對(duì)沖擊地壓影響下的頂板巖層破碎區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，可以判斷巷道松動(dòng)圈破碎區(qū)厚度為10 m，I010202 工作面頂板不同鉆孔深度下窺視結(jié)果如圖2。

2.3 末采回撤不同時(shí)期回撤面自然發(fā)火特點(diǎn)

1）工作面進(jìn)入礦務(wù)工程施工時(shí)期，由于不再放頂煤，采空區(qū)遺煤量大增。隨著錨桿、錨網(wǎng)的鋪設(shè)，頂板不易垮冒，采空區(qū)漏風(fēng)量將增大，這一時(shí)期自燃的高危區(qū)域主要是采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界位置，尤其是該區(qū)域附近的上下煤柱線出現(xiàn)自然發(fā)火的機(jī)率更大。

2）前后刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備回收時(shí)期，由于不再生產(chǎn)推進(jìn)，工作面風(fēng)量調(diào)低，采空區(qū)瓦斯抽采量也將下降，故漏入采空區(qū)的風(fēng)量將下降，將導(dǎo)致采空區(qū)散熱帶、氧化帶范圍都將縮小。

3）液壓支架回收時(shí)期，隨著支架的抽出頂板垮冒，從而導(dǎo)致工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷之間不再形成暢通的通風(fēng)回路，在此階段將封閉進(jìn)風(fēng)巷，改為局部通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)風(fēng)量將進(jìn)一步下降，瓦斯抽采量也將下降，此時(shí)期發(fā)生自燃的高危區(qū)域主要有：①架后采空區(qū)氧化帶區(qū)域，尤其是工作面傾斜方向的中上部區(qū)域；②支架上部的破碎煤體；③工作面隨支架抽出垮冒的破碎煤體；④回風(fēng)巷道與工作面三角區(qū)。

3 自燃危險(xiǎn)區(qū)域控風(fēng)抑溫技術(shù)

在工作面回撤時(shí)期，采空區(qū)氧化帶內(nèi)遺煤氧化的時(shí)間由開(kāi)采設(shè)備回撤時(shí)長(zhǎng)決定，若回撤周期超過(guò)煤自然發(fā)火期，則氧化帶內(nèi)煤體發(fā)火的機(jī)率大幅上升。通過(guò)構(gòu)建“控風(fēng)-降氧-抑溫”的技術(shù)體系，可最大限度調(diào)控氧化帶寬度，控制氧化帶內(nèi)破碎煤體的溫度，以此來(lái)破壞遺煤的蓄熱升溫環(huán)境，從而在回撤時(shí)期使其不發(fā)生煤自燃[12-14]。

3.1 多層采空區(qū)漏風(fēng)精確調(diào)控技術(shù)

3.1.1 寬溝煤礦井下漏風(fēng)形式

I010202 工作面末采回撤期間，受工作面采動(dòng)、超前預(yù)裂爆破及拉架影響，上部采空區(qū)密閉及防火墻等受礦壓及客觀地質(zhì)條件作用，不斷產(chǎn)生裂隙，上下采空區(qū)以及地表之間形成復(fù)雜的角聯(lián)漏風(fēng)形式，采空區(qū)角聯(lián)漏風(fēng)示意圖如圖3。

由于漏風(fēng)通道是不斷發(fā)展變化的，即角聯(lián)分支不是固定的，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)控井下通風(fēng)系統(tǒng)阻力的方式來(lái)杜絕漏風(fēng)，且不斷發(fā)展的地表裂隙、煤層間采動(dòng)裂隙是無(wú)法通過(guò)填堵方法徹底解決，故受礦井開(kāi)采及回撤拉架影響，漏風(fēng)一旦形成，無(wú)法消除只能減弱。

3.1.2 地面裂隙封堵

由于寬溝煤礦對(duì)應(yīng)地表為山地，起伏大，黃土覆蓋層少，回撤期間每3 d 組織1 次人員及工程機(jī)械到工作面對(duì)應(yīng)地表進(jìn)行大面積回填作業(yè)，裂隙回填后進(jìn)行人工搗實(shí)，預(yù)防二次開(kāi)裂，回撤期間地表裂隙回填累計(jì)使用黃土2.2 萬(wàn)m3。經(jīng)地表裂隙回填后，采空區(qū)保壓能力得到了顯著提高，取得了良好的堵漏效果。

3.1.3 多層采空區(qū)密閉調(diào)壓氣室堵漏

調(diào)壓氣室堵漏原理：通過(guò)在漏風(fēng)密閉處設(shè)置調(diào)壓氣室來(lái)平衡漏風(fēng)壓差，并用氮?dú)獯媛╋L(fēng)，徹底斷絕多層采空區(qū)的密閉漏風(fēng)供氧，從而消除密閉漏風(fēng)源和匯，減少漏風(fēng)角聯(lián)分支，限制漏風(fēng)區(qū)域。

具體方式是：①選擇I010202 回撤面上部?jī)?nèi)外壓差為-30 Pa 的I0104206 工作面回風(fēng)巷密閉作為對(duì)象，在該密閉外3 m 處構(gòu)筑1 道0.5 m 厚磚石永久密閉，形成調(diào)壓氣室；②從氣室引出2 路?108 mm 管路：1 路與U 型水柱壓差計(jì)連接，觀測(cè)氣室內(nèi)的壓力情況，另1 路與?108 mm 注氮主管路連接，可通過(guò)蝶閥控制注氮流量；③根據(jù)式（1）計(jì)算出調(diào)壓氣室的注氮流量約41 m3/h，實(shí)際選擇注氮流量為48 m3/h，就可達(dá)到維持調(diào)壓氣室微正壓的要求。調(diào)壓氣室注氮流量可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：q 為調(diào)壓氣室注氮流量，m3/h；r 為密閉周界，m；△h 為密閉外側(cè)U 型水柱計(jì)壓差，Pa；D 為密閉墻墻體厚度，m；K 為風(fēng)流的滲透系數(shù)，取0.001 2。

3.1.4 采動(dòng)裂隙“O”形圈主要漏風(fēng)通道封堵

在工作面回撤時(shí)期，工作面向采空區(qū)的主要漏風(fēng)通道主要是上下端頭和支架上部的破碎煤體，可采取以下措施封堵：

1）在I010202 工作面鋪網(wǎng)的同時(shí)，內(nèi)夾1 層風(fēng)障布，風(fēng)障布長(zhǎng)度為198 m（工作面傾向長(zhǎng)192 m），寬度為6 m 左右，覆蓋整個(gè)支架架頂區(qū)域，并在風(fēng)障布表面噴涂堵漏材料。

2）工作面末采推進(jìn)過(guò)程中，按照10 m 的開(kāi)采間距在工作面上下端頭，構(gòu)筑厚度為2 m 的煤袋擋風(fēng)墻，接幫接頂。

3）工作面到達(dá)終采線后，為進(jìn)一步加強(qiáng)堵漏效果，另在下端頭前20 副支架放煤窗與底板空隙間填上沙袋，并與下端頭的風(fēng)障布?jí)訉?shí)。

3.1.5 礦井通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)壓

1）從工作面鋪網(wǎng)開(kāi)始逐步下調(diào)瓦斯抽采量，開(kāi)始設(shè)備回撤后停止瓦斯抽采，主要以風(fēng)排控制工作面瓦斯。

2）到終采線后，將工作面風(fēng)量從1 016 m3/min降低至508 m3/min，設(shè)備開(kāi)始回撤后風(fēng)量繼續(xù)下調(diào)至409 m3/min，并通過(guò)縮小回風(fēng)斷面，提高采空區(qū)注氮流量的方法，將采空區(qū)與回撤通道的風(fēng)壓差始終保持在10～30 Pa 之間，在整個(gè)設(shè)備回撤階段，基本維持此壓力差不變，進(jìn)一步減小了漏風(fēng)壓能差，降低了架后氧化帶內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)。

3.2 回撤面采空區(qū)氧化帶寬度精確調(diào)控技術(shù)

對(duì)于I010202 回撤面采空區(qū)，其氧化帶是無(wú)法消除的，可通過(guò)調(diào)節(jié)采空區(qū)注氮口位置和注氮流量來(lái)進(jìn)行精確調(diào)控氧化帶寬度。為盡可能降低采空區(qū)氧化帶寬度，特采用全斷面帷幕注氮方式，全斷面帷幕注氮工藝示意圖如圖4。

圖4 全斷面帷幕注氮工藝示意圖Fig.4 Schematic diagram of full section curtain nitrogen injection process

3.2.1 關(guān)鍵參數(shù)

采空區(qū)全斷面帷幕注氮工藝的關(guān)鍵包括氮?dú)鈹U(kuò)散半徑、全斷面注氮管路數(shù)量、氮?dú)忉尫趴捉M數(shù)、氮?dú)忉尫艈卧? 個(gè)主要參數(shù)。具體計(jì)算方法如下：

1）氮?dú)鈹U(kuò)散半徑。在以往的工程實(shí)踐中，采空區(qū)氮?dú)鈹U(kuò)散半徑可用下式計(jì)算：

式中：RN為氮?dú)鈹U(kuò)散半徑，m；L0為未注氮時(shí)的散熱帶或氧化帶位置，m；LN為某一注氮流量下散熱帶或氧化帶位置，m。

2）采空區(qū)氮?dú)夤苈凡荚O(shè)數(shù)量。采空區(qū)氮?dú)夤苈放啪嘁? 倍氮?dú)鈹U(kuò)散半徑為宜，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：nN為采空區(qū)注氮管布設(shè)數(shù)量，排；Lmax為回撤面采空區(qū)氧化帶最大寬度，m。

3）氮?dú)忉尫趴捉M數(shù)。單根帷幕注氮管路上的氮?dú)忉尫趴捉M數(shù)需綜合考慮工作面傾向長(zhǎng)度和氮?dú)鈹U(kuò)散半徑等因素，可采用下式計(jì)算：

式中：nz為氮?dú)忉尫趴捉M數(shù)量，組；Lw為工作面傾向長(zhǎng)度，m；k 為安全系數(shù)，取1.2。

4）氮?dú)忉尫艈卧?。由于全斷面注氮管路直接鋪設(shè)在工作面煤層底板上，為了保證氮?dú)饪梢葬尫懦鋈?，則氮?dú)夤苈访拷M氮?dú)忉尫趴捉M需包含4 個(gè)單元孔，各單元孔呈90°角均勻分布在管壁周身，孔徑為2 cm。

3.2.2 采空區(qū)全斷面帷幕注氮工藝

考慮到I010202 綜放工作面在回采期間，分別進(jìn)行了未注氮和700 m3/h 注氮條件下的采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定，具體為：未注氮條件下回風(fēng)側(cè)散熱帶與氧化帶的邊界為架后38 m，注氮條件下為架后29 m，同時(shí)測(cè)得注氮條件下氧化帶最大寬度為27 m，經(jīng)式（2）～式（4）計(jì)算可得：采空區(qū)氮?dú)鈹U(kuò)散半徑為9 m，回撤面采空區(qū)全斷面氮?dú)夤苈凡荚O(shè)數(shù)量為2 排，每路氮?dú)忉尫趴捉M數(shù)最少為14 組，即間隔14 m 等間距布置1 組，氮?dú)忉尫艈卧讖綖? cm。

按照帷幕注氮工藝要求，I010202 回撤面預(yù)先分別在停采位置架后10、25 m 位置鋪設(shè)?80 mm 全斷面帷幕注氮管路，注氮流量控制在700 m3/h。

3.3 采空區(qū)氧化帶煤溫精確調(diào)控技術(shù)

經(jīng)采取全斷面帷幕注氮措施后，已將采空區(qū)氧化帶寬度壓縮至最小，但為保證綜放面設(shè)備回撤時(shí)期的絕對(duì)安全，需將氧化帶內(nèi)煤體的升溫信息及時(shí)反饋出來(lái)，并根據(jù)采空區(qū)遺煤賦存條件有針對(duì)性地向架后分區(qū)域灌漿和鉆孔注漿，從而控制氧化帶范圍內(nèi)全部破碎煤體的溫度，阻斷煤體的自燃升溫過(guò)程。

3.3.1 技術(shù)要求及采空區(qū)鉑電阻測(cè)溫

在從末采鋪網(wǎng)開(kāi)始至工作面永久封閉的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)采空區(qū)氧化帶內(nèi)遺煤氧化時(shí)間達(dá)到煤層最短自然發(fā)火期的一半時(shí)間，或架后煤溫達(dá)到25 ℃時(shí)，必須開(kāi)始控制氧化帶內(nèi)煤溫，使架后煤溫不超過(guò)30 ℃、采空區(qū)出水溫度不超過(guò)25 ℃。

為準(zhǔn)確掌握采空區(qū)遺煤溫度變化狀態(tài)，在工作面開(kāi)始鋪網(wǎng)后，為監(jiān)測(cè)架后遺煤溫度變化情況，在距停采線6 m 位置，沿工作面傾向每隔10 副支架布置1 個(gè)測(cè)溫裝置；同時(shí)，保證到達(dá)終采線位置后，從回風(fēng)隅角開(kāi)始沿回風(fēng)巷向采空區(qū)間隔10 m 預(yù)埋有3 個(gè)測(cè)溫裝置，鉑電阻測(cè)溫布置示意圖如圖5。

圖5 鉑電阻測(cè)溫布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of platinum resistance temperature measurement layout

3.3.2 氧化帶煤溫精確控制技術(shù)

根據(jù)寬溝煤礦生產(chǎn)特點(diǎn)，采空區(qū)兩道和回撤通道架后10 m 區(qū)域?yàn)椴环琶簠^(qū)域，針對(duì)此區(qū)域采取打鉆注漿技術(shù)來(lái)進(jìn)行覆蓋；針對(duì)回撤時(shí)期架后超過(guò)10 m 的放煤區(qū)域采取埋管灌漿的方法進(jìn)行全部覆蓋。

3.3.2.1 采空區(qū)不放煤區(qū)域鉆孔注漿

1）支架頂部防滅火鉆孔。根據(jù)鉆孔窺視儀探測(cè)結(jié)果，回撤面支架區(qū)域上部10 m 范圍內(nèi)的煤巖體屬于破碎區(qū)，考慮漿液擴(kuò)散角45°，故注漿鉆孔的終孔位置與工作面支架沿傾向方向距離不超過(guò)10 m，終孔高度位于支架頂部10 m，鉆場(chǎng)布置在終采線前方5 m 位置的瓦斯抽采硐室，從該位置施工5 個(gè)鉆孔，分別編號(hào)為1#～5#鉆孔，覆蓋靠近上端頭區(qū)域的10 副支架，通過(guò)向該區(qū)域注漿及注防滅火材料，不放煤區(qū)域鉆孔布置示意圖如圖6。

圖6 不放煤區(qū)域鉆孔布置示意圖Fig.6 Schematic diagram of drilling arrangement in non-recovery coal area

2）架后防滅火鉆孔。對(duì)于回撤面支架后部0 ～10 m 范圍的浮煤，在末采期間通過(guò)在I010206 備采面進(jìn)風(fēng)巷提前向I010202 采空區(qū)施工6 個(gè)鉆孔（全程下套管），分別編號(hào)為6#～11#鉆孔，回撤期間進(jìn)行注防滅火材料、注漿等，將架后淺部破碎的煤體進(jìn)行覆蓋，阻隔煤體氧化。

3）架間防滅火鉆孔。考慮到遠(yuǎn)距離施工鉆孔容易塌孔、終孔位置存在誤差等因素，為此將架間鉆孔作為支架頂部防滅火鉆孔的有效補(bǔ)充。當(dāng)工作面到達(dá)終采線后即在架間每隔3 架施工1 個(gè)防滅火鉆孔，鉆孔深度3 m，用來(lái)覆蓋架后淺部浮煤，回撤兩巷設(shè)備及拉架期間均進(jìn)行預(yù)防性注漿。

3.3.2.2 采空區(qū)放煤區(qū)域埋管灌漿

對(duì)于長(zhǎng)壁綜放面架后放煤區(qū)域，根據(jù)氧化帶寬度精確控制結(jié)果，I010202 工作面回撤時(shí)期采空區(qū)埋管灌漿覆蓋范圍為架后10 ～27 m 區(qū)域。當(dāng)工作面距離終采線30、20 m 時(shí)，分別從上端頭沿傾向預(yù)埋?108 mm 管路，撤架期間進(jìn)行間歇性多頻次灌漿作業(yè)，有效降低采空區(qū)溫度。

3.4 應(yīng)用效果

寬溝煤礦I010202 工作面從開(kāi)始進(jìn)行礦務(wù)工程至工作面封閉，回撤期近3 個(gè)月，在此期間通過(guò)采取控風(fēng)、堵漏及溫度調(diào)控的綜合措施，其中地表累計(jì)回填黃土2.2 萬(wàn)m3，采空區(qū)累計(jì)注氮約150 萬(wàn)m3，灌注漿液及防滅火材料累計(jì)約748 m3，有效抑制了采空區(qū)遺煤的氧化進(jìn)程，采空區(qū)溫度始終維持在27 ℃以下，無(wú)自然發(fā)火跡象。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）對(duì)于沖擊地壓條件下的易自燃厚煤層工作面，回撤期間自燃防治的關(guān)鍵是在最大限度縮小氧化帶寬度的基礎(chǔ)上，采取以控風(fēng)、抑溫為主的技術(shù)措施來(lái)控制氧化帶內(nèi)破碎煤體的溫度，破壞遺煤的蓄熱升溫環(huán)境，從而在回撤時(shí)期延緩遺煤的自然發(fā)火進(jìn)程。

2）回撤期間通過(guò)采取以堵漏和控風(fēng)為手段的多層采空區(qū)漏風(fēng)精確調(diào)控技術(shù)，輔以采空區(qū)全斷面帷幕注氮為主的氧化帶寬度精確調(diào)控技術(shù)，再配合采空區(qū)不放煤區(qū)域鉆孔注漿、放煤區(qū)域埋管灌漿為手段的氧化帶煤溫精確調(diào)控技術(shù)，構(gòu)建了“控風(fēng)-降氧-抑溫”的防治體系，保障了工作面長(zhǎng)時(shí)期的安全回撤。