神东矿区切顶卸压留巷工作面“开式采空区”防灭火技术研究

宋立兵，郭春雨，王晓荣，王晓东

(神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西 榆林 719315)



神东矿区切顶卸压留巷工作面“开式采空区”防灭火技术研究

宋立兵，郭春雨，王晓荣，王晓东

(神华神东煤炭集团哈拉沟煤矿，陕西 榆林 719315)

切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术是煤炭回采工艺的重要革新，采空区的防灭火管理是此新工艺能否得以推广应用的关键影响因素之一。文章对神东矿区哈拉沟煤矿12201切顶卸压无煤柱开采采空区防灭火管理进行了研究，从新工艺采空区的管理分析、通风系统的分析、工作面风量配置、采空区气体分析、采空区“自燃”三带分布分析以及综合防灭火技术的应用，总结了切顶卸压无煤柱开采技术采空区防灭火管理经验，为神东矿区浅埋深近距离煤层中推广应用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术奠定了基础。

切顶卸压；无煤柱开采；“Y”型通风；采空区自燃三带

切顶卸压无煤柱开采技术是中国科学院何满潮院士继2009年提出了“切顶短壁梁理论”后，于2011年在采矿与安全工程学报中正式提出的新的开采工艺技术。此技术分别在川煤集团白皎煤矿、嘉阳煤矿、中煤集团唐山沟煤矿中得以应用，并取得了良好的效果。

2015年7月，此开采技术首次应用到了神东矿区。神东矿区的煤田属于侏罗纪煤田，煤层具有埋深浅(一般在150m以内)、基岩薄(一般小于50m)的赋存特征。煤层自燃倾向性多属于Ⅰ类自燃煤层，自然发火期为1～3个月，具有自然发火的危险。因此，针对神东矿区煤层的特征，在神东矿区首次使用切顶卸压无煤柱开采技术时，对采空区防灭火管理的研究意义重大，采空区是否能够安全有效的管控是制约切顶卸压无煤柱开采技术能否在神东矿区推广应用的关键因素之一。同时，能够确切掌握此开采技术下采空区防灭火管理技术，也是神东矿区防灭火管理技术的革新，能够为神东矿区的防灭火管理积累经验，为神东矿区推广采用新的采煤工艺奠定基础。

1　回采工艺

1.1切顶留巷开采技术

2015年7月，神华神东煤炭集团在哈拉沟煤矿布置了全公司首个切顶卸压自动成巷无煤柱开采实验工作面。此开采技术采用在回采前利用爆破技术，对巷道正帮侧顶板采取定向预裂，缩短顺槽侧采空区顶板悬臂梁的长度，待工作面推过后，在矿压作用下采空区顶板将沿预裂切缝自动切落形成巷帮，最终保持了巷道的完整性，形成的巷道可作为下一个工作面的顺槽二次使用，实现了无煤柱开采。同时，所形成的采空区也有别于使用传统回采工艺所形成的采空区，采空区与巷道无任何隔离，完全呈开式状态，形成“开式采空区”。

1.2切顶留巷开采采空区管理难点

利用切顶卸压开采技术进行回采，面临着最大的问题就是采空区的管理。由于留巷的正帮段是采空区的冒落带，采空区全部暴露在巷道内，形成一种完全开放的状态，与传统回采工艺的密闭封闭采空区状况相比较，采空区未能够封闭，漏风相对严重，采空区内的有害气体在负压作用下会很容易泄漏到巷道内，增加了有害气体的管理难度。同时，由于采空区漏风相对较大，采空区气体惰化缓慢甚至停止，采空区内的遗煤在高氧条件下很容易氧化，增加了采空区防灭火的管理难度。因此，使用切顶卸压开采技术进行回采，采空区气体的安全管理是保障安全生产的重点和难点。

2　工作面开采条件

2.112201工作面简介

12煤东翼12201工作面为切顶卸压无煤柱开采技术试验面。12201工作面宽度320m，长度747m，平均煤厚为1.92m，设计采高为1.9m，是本盘区的首采工作面。该工作面埋深在70～80m之间，按照瓦斯垂直分带划分，属于CO2-N2带。12煤层上赋存有12上煤层，平均煤厚为2.5m，与12煤的层间距为0.52～1.05m，由于可采区域小，因此12上煤层未进行回采。12201综采工作面上覆基岩厚55～70m，松散层厚0～33.48m，靠近回撤通道区域，地表有基岩出露。

根据2015年瓦斯等级鉴定结果，哈拉沟煤矿属于瓦斯矿井，全矿井绝对瓦斯涌出量为3.63m3/min，相对涌出量为0.12m3/t，12煤煤层绝对涌出量为0.94m3/min，相对涌出量为0.05m3/t。矿井自开采以来未发生瓦斯超限现象。根据2012年陕西煤矿安全装备检测中心对12煤、12上煤煤炭自燃倾向性的检定结果，12煤、12上煤层属于I类容易自燃煤层，最短自然发火期为1～3个月。矿井自开采以来未发生煤炭自燃现象。

2.212201工作面防灭火存在的隐患

鉴于12201综采工作面的煤层条件，工作面及采空区不存在瓦斯超限问题，但存在采空区自然发火的隐患。

1)12201综采工作面上赋有12上煤层，且属于近距离煤层开采，在回采过程中，12上煤全部进入了12201综采工作面采空区，为采空区防灭火管理埋下了隐患。

2)12201综采工作面埋深浅，地表部分区域存在基岩出露，在工作面回采过程中势必存在地表漏风，为采空区遗煤的自然发火提供了有利条件。

3　“开式采空区”防灭火技术的探索与研究

根据以上分析，在东翼盘区12201综采工作面进行切顶卸压无煤柱回采，面临着“开式采空区”漏风较大、采空区存有遗煤、地表漏风的问题，均形成了对采空区防灭火管理极为不利的因素，因此如何加强“开式采空区”的防灭火管理，是新的回采技术能否得以成功推进的关键因素之一。为此，针对如何有效管理的防灭火，矿井进行了一系列的探索和研究。

3.1通风系统分析

3.1.1工作面巷道及设备布置情况

12201综采工作面是首采面，下顺槽为单巷，与其相邻无其他工作面；上顺槽为留巷，与其槽相邻为12202备用工作面；12201切眼滞后12202切眼97.6m。12201综采工作面采用机轨分离式布置，工作面上顺槽安装皮带，下顺槽安装移变列车。12201巷道布置见图1。

图1　12201巷道布置图

3.1.2通风系统分析与选择

根据12201综采工作面的巷道布置，矿井可选择“Y”型通风和“U”型通风。“Y”型通风，即移变列车巷和皮带巷均进风，回风流通过留巷以及12202切眼进入回风系统。采用此系统，综采工作面可以消除回风隅角，避免工作面及皮带机头氧气低、一氧化碳超限等气体问题；可以保证皮带及移变列车在进风巷中，有利于安全管理；同时采空区漏风趋指向沿空留巷，留巷处于采空区漏风的下风侧，根据漏风趋势，在留巷内设置观测管，能够较真实准确的观测到采空区气体情况，即使采空区存在自燃发火隐患，也能及时发现，便于及时采取有效管控措施。

“U”型通风，即皮带巷进风，风流分别进入留巷段和综采工作面，留巷段风流经过12201切眼后进入回风系统，工作面风流则进入移变列车巷进行回风系统。采用此系统，工作面通风系统中存在回风隅角，回风隅角处易出现氧气浓度低、一氧化碳等有害气体积聚超限的现象；移变列车位于回风巷内，不利于安全管理；采空区漏风较“Y”型系统相对较小，有利于采空区防灭火管理，但留巷处于采空区漏风的上风侧，在留巷侧设置观测管不能够真实准确的反映出采空区的气体情况，一旦采空区内真正存在自然发火现象时，无法及时发现采空区自然现象。

综合以上分析，采用“Y”通风更符合工作面的安全管理要求，更有利于综采工作面的安全生产，有利于采空区的观测管理，因此选择“Y”型通风系统。“Y”型通风系统、“U”型通风系统图见图2、图3。

图2　12201综采工作面“Y”型通风系统示意图

图3　12201综采工作面“U”型通风系统示意图

3.2工作面配风与采空区漏风的分析

3.2.1工作面通风参数

工作面支架选用波兰塔高公司KOPEXS二柱掩护式液压支架，最大控顶距为6.14m，最小控顶距为5.14m，截深为1m；工作面设计长度为320m，采高1.9m，工作面气体温度为17℃。

3.2.2工作面风量计算

工作面风量瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、最多同时工作人数的需风量分别进行计算，取最大值进行风速验算，满足要求时该最大值即为工作面实际需要风量。按照矿井的实际情况，工作面需风需要按式(1)计算。

(1)

式中：Q为采煤工作面需要风量，m3/min；v采为采煤工作面的风速，按采煤工作面进风流的温度取1m/s；S采为采煤工作面的平均有效断面积，按最大和最小控顶有效断面的平均值计算，m2；平均有效断面积S采=(6.14+5.14)/2×1.9=10.7m2；K采高为回采工作面采高调整系数，取1.0；K采面长为回采工作面长度调整系数，采面大于180m，取K采面长=1.3。

经计算，Q=60×70%×1×10.7×1×1.3=585m3/min。12201综采工作面计划风量为585m3/min。

3.2.3工作面风量调整对外部漏风影响的研究

12201综采工作面初始配风为668m3/min，为减少采空区外部漏风，降低采空区遗煤自燃发火的危险，根据《煤矿安全规程》第103条规定，矿井对工作面风量进行了试验性调整。在保证工作面氧气浓度不低于19%，瓦斯超限、一氧化碳不超限，工作面温度不高于20℃的前提下，将工作面风量从668m3/min逐渐降低，每次风量调整后保持工作面风量稳定运行2～3d，同时测量采空区外部漏风。12201工作面风量与采空区外部漏风关系见图4。

通过测量，在减少工作面风量的同时，采空区漏风同步降低，当工作面风量降低至420m3/min以下时，采空区漏风稳定在40～55m3/min。因此，将工作面配风选择在400～420m3/min之间，最有利于采空区防灭火管理。

3.3“开式采空区”气体的分析研究

为使采空区得到有效的管控，采空区气体能够及时、准确、有效的监控，矿井采用JCG4红外束管监测系统和人工取气色谱分析相结合的检测手段，通过两种检测系统的结果比较，保证检测结果的真实性。3.3.1采空区观测点的设置

在12201沿空留巷段，从距切眼137m开始，随工作面推采，每50m左右设置一根DN50的观测管，共设置观测管15处。观测管长度为4m，外露0.2m，剩余长度埋入采空区。12201沿空留巷段观测管布置见图5。

图4　12201工作面风量与采空区外部漏风关系

图5　12201沿空留巷段观测管布置图

3.3.2采空区气体取样时间及周期

红外束管系统实现全天时连续运转分析，分析结果选取每天连续检测数据中一氧化碳浓度最高时刻对应的数据。人工取样每2d取样一次，取样时间为每天的11～12点之间，以确保气样横向对比的有效性和准确性。

3.3.3标志性气体的选择及12201采空区气体的日常检测

根据《神东矿区综采面回风隅角CO治理技术研究报告》，12201综采工作面煤自燃预报以CO作为首选指标性气体，辅助指标为H2、C2H4、C2H2等。CO的出现说明煤已经发生低温氧化反应；C2H4出现的温度为90～130℃，H2出现的温度为110～160℃，当检测出C2H4或H2，此时煤已进入加速氧化阶段，应作出煤已产生自然发火的预报；C2H2的出现说明煤温已经超过220℃，当检测到C2H2，煤已产生较高温度，进入激烈氧化阶段，可能出现明火，特别是H2的突然升高表明存在明火。

在12201回采过期间，矿井采取了对采空区气体进行连续检测，重点检测O2、CO、C2H4、C2H2气体。通过检测发现，采空区内O2浓度呈逐渐低的变化趋势，最终降低至5%以下；CO浓度呈现先升高后降低的变化规律，最高达到341ppm，随后逐渐降低，目前各测点CO浓度稳定在7～40ppm；在检测过程中始终未发现C2H4、C2H2等其他自燃发火标志性气体，采空区无自燃发火隐患迹象。留巷内的O2浓度为20%，CO浓度为10～15ppm，且始终保持稳定。

3.3.4“开式采空区”自燃三带的分布

依据《神东矿区综采面回风隅角CO治理技术研究报告》，采空区自燃“三带”划分标准为[2]：O2浓度大于18%为散热带区域；O2浓度在10%～18%之间为氧化带区域；O2浓度小于10%为窒息带区域。

在神东矿区传统工作面采空区自燃“三带”测定为：综采工作面采空区散热带长度为22～35m，氧化带长度为92～125m。在正常工作面推进过程中，采空区内CO浓度在距离工作面后方60～70m的范围出现最大值，一般在71～237ppm，在110m范围稳定，CO为9～154ppm。12201切顶卸压沿空留巷工作面采空区自燃三带分析结果表1。

表1　12201切顶卸压沿空留巷工作面采空区自燃三带分析结果

从上图表可以得出，“开式采空区”散热带的长度为62～88m，氧化带长度为91～148m，采空区进入窒息带的距离大约为172～210m，进入窒息带的时间为30～46d。在工作面推进过程中，采空区内CO浓度在距离工作面后方160～200m的范围出现最大值，一般在210～289ppm，在距工作面250m以后，CO降低至100ppm以下，并保持持续下降趋势，最终保持在7～40ppm之间。采空区三带分布图见图6。

图6　采空区三带分布图

3.3.5工作面最小推进速度的计算

根据采空区自燃三带的分布以及采空区进入窒息带的时间，确定工作面的最小推采速度V最小(式(2))，保证工作面在自燃发火期内回采结束。

V最小=(L散热+L氧化)/T最小

(2)

式中：V最小为工作面最小推采速度；L散热为散热带宽度(该面80)；L氧化为氧化带宽度(该面130)；T最小为煤炭最小自然发火期(我矿最小30d)。

根据计算，V最小=(80+130)/30=7m/d。工作面的最小推进速度为7m/d。

4　采空区综合防灭火技术的应用

4.1注浆防灭火

注浆防灭火技术是将水与泥、砂、灰浆等防灭火材料按照适当比例，制成一定浓度的浆液，利用输送管道灌入采空区。灌入采空区内的浆液可将遗留的碎煤包裹起来，使煤表面形成一层泥浆膜，隔绝其与氧接触，起到隔绝窒息作用；冷却已自热的遗煤，同时降低采空区内温度，进而延缓遗煤的氧化速度，抑制遗煤自热氧化；填充采空区垮落的煤岩间隙，增加采空区的严实性，加大漏风风阻，减少或防止采空区漏风，从而实现采空区防灭火管理。

矿井地面建有MDZ-60/120灌浆系统。地面固定式灌浆防灭火系统由浆料输送、连续式定量制浆、过滤搅拌、输浆及管网系统等部分构成。注浆管路系统由地面钻孔安装DN150管路接入井下，在井下将管路敷设至12201运顺，注浆时将12201顺槽管路与采空区安设的措施管对接即可实现采空区注浆，保证了12201综采工作面注浆系统的完善。

4.2注氮防灭火

采空区注氮防灭火技术是指向采空区注入氮气，由于氮气是一种惰性气体，能够对采空区起到惰化作用。采空区注入氮气后，能够阻止煤炭氧化自燃、提高采空区相对压力使采空区呈正压状态防止新鲜风流漏入、降低采空区温度阻止煤炭氧化升温、降低氧气浓度，实现采空区防灭火管理。

矿井配备了DM1000煤矿用膜分离式移动注氮系统，在12201回顺进行拖管注氮，借助采空区漏风方向提高注氮效果。但考虑注入的氮气将全部在切顶泄压成巷侧泄漏，注氮效果差、不利于成巷维护工作人员的安全，回采过程中未进行预防性注氮。

4.3均压防灭火

均压防灭火技术是通过设置调压设施，或调整通风系统，改变井下巷道中空气压力的分布状态，尽可能的减少或者消除漏风通道内外的风压差，从而达到减少或消除漏风、抑制煤炭自然发火乃至灭火的目的。

矿井对12201工作面的风流压能分布、采空区漏风流场、工作面均压区域进行了深入的分析，确定采用“Y”型通风后，采空区漏风流场由机尾向机头方向，分布范围逐渐增大，选定了使用均压防灭火技术的通风系统(选定使用Y型通风系统)，并制定的详细的均压方案和措施。在“Y”型通风系统的基础上(矿井)提前准备了“Y”型均压设施，在进风侧安设2台2*30kW的风机为胶运顺槽供风，安设2台2*45kW风机为工作面供风，风机均实现双风机双电源自动切换，确保均压区域风流风压的稳定可靠。综采工作面在回采过程中，一旦发现采空区出现乙烯、乙炔气体，立即启用均压通风系统。12201均压通风系统图见图7。

图7　12201均压通风系统图

4.4地表堵漏防灭火

煤层开采后，势必会引起地表沉陷，产生与采空区相通的裂缝，导致地面向采空区漏风，从而引发采空区遗煤自燃。12201综采工作面埋深浅，地

折旧产生的间接CO2排放为0.003t。综上，由于固定资产折旧产生的间接CO2排放约占直接排放和消耗电力排放CO2之和的1.4%～2.4%。

5　结束语

由于碳足迹的概念产生时间较短，其边界界定和评估方法还处在研究阶段[11]。尤其对于碳足迹清单中的第三层间接排放还要加强研究。通过本文研究发现，由于固定资产折旧造成的间接碳排放量所占比例虽不高，但绝对量并不小，以后伴随着直接碳排放的捕集、利用和埋藏，间接排放所占的比例将越来越大，需引起重视。

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Study on the fire prevention and control technology of area cut top relief retaining face “Open Goaf” in Shendong mining area

SONG Li-bing，GUO Chun-yu，WANG Xiao-rong，WANG Xiao-dong

(Halagou Coal Mine，Shenhua Coal Group，Yulin 719315，China)

Cut the top automatic pressure relief into the lane without pillar mining technology is an important innovation of coal mining technology，fire prevention and management of goaf is one of the key factors of this new technology can be applied.Article of Shendong mining area Hala ditch coal mine 12201 roof cutting unloading pressure without coal pillar mining gob fire prevention and management were studied.From the new technology of goaf management analysis，analysis of ventilation system analysis，wind configuration，goaf gas，mined out area “spontaneous combustion” three zones distribution analysis and comprehensive fire prevention and extinguishing technology application，summed up the roof cutting pressure relief without coal pillar mining technology of goaf fire prevention and management experience，for Shendong mining area of shallow buried depth of near distance coal seam in the promotion and application of cutting top pressure relief automatically into the lane without coal pillar mining technology laid the foundation.

fire prevention and control technology；cut the top relief；non pillar mining；“Y” type ventilation；goaf spontaneous combustion three zone

2016-01-25

宋立兵(1975-)，男，宁夏平罗人，硕士研究生，高级工程师，现从事煤炭采掘技术工作。

TD75

A

1004-4051(2016)08-0117-05