三交河煤矿2-502工作面采空区综合防灭火技术研究与应用

巨 涛

(霍州煤电集团汾河焦煤公司 三交河煤矿，山西 洪洞 041600)

1 工程概况

山西汾河焦煤股份有限公司三交河煤矿2-502工作面井下位于五采区，工作面开采2号煤层，煤层平均厚度4.2 m，平均倾角10°，煤层内部含有1层夹矸，厚度为0.5 m，煤层顶板岩层为泥岩、砂质泥岩和粉砂岩，底板岩层为泥岩和中砂岩，工作面采用大采高一次采全高采煤方法，“U”型通风。根据矿井地质资料可知，2号煤层自燃等级为Ⅱ级，属自燃煤层，煤尘具有爆炸性。由于工作面区域内煤层厚度存在变化，采用大采高采煤工艺会存在一定的煤炭遗留在采空区内，现为防止2-502工作面采空区出现遗煤自燃现象，特进行采空区综合防灭火技术的研究。

2 采空区束管监测系统

为掌握2-502工作面采空区内情况，工作面回采期间采用KJ95N束管监测系统进行采空区内指标气体的实时监测，监测系统中监测管主要布置在工作面的两侧区域，具体工作面监测方案如下：

1) 监测束管由+1 050 m西大巷管路中引出，接引2路束管，束管布置在运输巷内。在束管埋设时，为防止采空区内部存在积水现象而导致管路内气体不流通，预埋管路须高于巷道底板0.5 m以上[1-2]，具体束管布置方式如图1所示。

图1 2-502工作面采空区束管监测系统示意

束管监测系统不仅能对采空区内的指标气体实施监测，同时还能够对采空区内的温度情况进行测量，采空区温度的测量主要通过万用表换算成热敏电阻阻值，再通过相关公式换算为采空区温度数值[3-4]。

2) 工作面上隅角区域采用编织袋装煤渣搭设气室，并在气室的上部分别悬挂甲烷、一氧化碳和氧气浓度传感器，以实现对工作面上隅角区域指标气体的实时监测。

3) 每间隔50架液压支架布置1趟MJ-8煤层火灾监测管路，该管路插到液压支架之间和架后区域，监测作业每天进行1次，以此实现对工作面架后区域温度和气体的实时监测。

3 防灭火方案与效果

3.1 防灭火方案

2-502工作面的回采阶段可将工作面划分为3个回采阶段：初采期间、正常回采期间和回撤期间。工作面在不同的回采阶段采空区内的浮煤厚度、漏风强度、推进速度和氧气浓度等参数均会发生变化，采空区内自燃危险区域也会随之发生变化。根据2-502工作面的煤层赋存及条件，设计工作面初采期间采用插管注浆+多轮注氮为主的防灭火措施[5-6]，工作面在正常回采期间采用黄泥灌浆+注氮为主的防灭火措施，工作面回撤期间采用注氮+注胶为主防灭火措施。

3.1.1 初采期间防灭火措施

1) 工作面上下端头分别布置两个防灭火钻孔，钻孔参数为D75 mm×3 000 mm，钻孔由工作面向上3 m布置，回风巷钻孔向采空区内实施间歇多轮灌浆作业，运输巷钻孔向采空区内实施间断注氮作业。工作面回采推进10 m时，即可开始灌浆和注氮作业，随着工作面回采作业的进行，持续进行灌浆和注氮作业。

2) 在工作面开切眼内喷洒阻化剂，共计布置2组喷头，第一组位于1～2号支架间，第二组位于36号支架处，阻化材料为MgCL2，阻化剂浓度为37%，其所能达到的阻化率为81%[7-8]，初采期间每天喷洒1次，每次喷洒量为1 450.3 kg。

3) 在开切眼煤体上进行喷浆作业，设置喷浆层的厚度为50～80 mm，以防止从煤体裂隙向采空区内漏风。

3.1.2 工作面正常回采期间防灭火措施

工作面正常回采期间，防灭火措施以黄泥灌浆+采空区注氮为主，工作面上下隅角注胶、加快回采推进速度为辅的防灭火措施，具体如下：

1) 采空区注氮：注氮管路布置在运输巷内，具体注氮管路布置见图2。注氮纯度>97%，注氮流量为400～450 m3/h，注氮采用交替迈步式，步距为25 m，注氮压力为0.3～0.6 MPa，注氮时每次必须连续进行4 d以上。当工作面上隅角CO浓度>40×10-6时，需保持注氮流量为1 000 m3/h连续进行10 d注氮作业。

图2 注氮管路布置方式示意

2) 黄泥灌浆：采空区灌浆采用随采随灌浆的方式，灌浆管路布置在回采巷内，采空区内预埋灌浆管路长20 m，随着回采作业进行，持续进行灌浆作业，当灌浆管路外漏小于10 m时，通过回柱绞车进行灌浆管路的牵引，灌浆管路每牵引作业1次，同时需进行1次灌浆作业，具体灌浆工艺见图3。

图3 埋管灌浆示意

3) 上下隅角钻孔注胶：在上下隅角上方通过木背板进行冒顶区域的密实填充，根据束管监测系统，对监测得出的高温区域进行打钻注凝胶作业。

4) 加快工作面回采作业：根据2号煤层的自燃发火特征可知，2号煤层最短自燃发火期为42 d，采动作用下超前支承压力会使前方30 m煤体易产生裂隙氧化，结合采空区自燃“三带”分布可知，采空区40 m深度处达到窒息带。基于上述分析，设置工作面每月推进距离须大于70 m，以降低采空区氧化发火的概率。

3.1.3 工作面回撤期间防灭火措施

工作面回撤期间采用注氮+注胶+降低工作面风量的防灭火措施；撤架期间注氮流量为300 m3/h，注氮区域为工作面后方30 m的范围，其余注氮各项参数均同上；撤架期间注胶时，注胶重点区域同样为工作面后方30 m，注胶钻孔共计布置5组，每组内布置钻孔3个，注胶钻孔开孔高度为2 m，深入采空区的长度为4 m，钻孔倾角为45°，终孔高度为4 m。注胶作业时，每个注胶钻孔注入的胶体量约为5.4 m3，具体工作面注胶钻孔布置方式见图4。

图4 回撤期间注胶钻孔布置方式示意

3.2 效果分析

2-502工作面采空区防灭火方案实施后，工作面回采期间，通过束管监测系统对采空区内的CO浓度进行实施监测分析。根据监测结果可知，回采期间采空区内的CO浓度始终在0～10×10-6的范围内，采空区内的O2浓度稳定在0%～20%的范围内。据此可知采空区防灭火方案实施后，采空区内CO浓度无超限现象，O2浓度也处于合理范围内，防灭火方案实施效果显著。

4 结 语

根据2-502工作面的地质条件，通过布置束管监测系统实现采空区内指标气体的实施监测，结合2号煤层自燃发火特征及开采条件，分别对工作面初采期间、正常回采期间和撤架期间的防灭火方案进行设计。根据防灭火方案实施后采空区内的束管监测结果可知，回采期间采空区内的CO浓度和O2浓度均在合理范围内，防灭火方案有效解决了采空区遗煤易自燃的问题，为工作面的安全高效开采提供了保障。