伪倾斜柔性掩护支架采煤工作面自然发火综合防治技术

王 洋

（沈阳焦煤股份有限公司林盛煤矿辽宁沈阳110122）

0 引言

伪倾斜柔性掩护支架采煤法是开采急倾斜中厚煤层的较好的一种方法[1-5]，这种采煤法不但取消了单体铰接梁支护和采空区顶板管理，减轻作业人员劳动强度，增强作业人员作业安全性，创造良好的劳动条件，降低材料消耗，而且还可以一次采全高，大大减少煤炭的损失量，提高回采率。但是伪倾斜柔性掩护支架支护采煤法存在很多不利于自然发火防治的因素，防治自然发火工作困难：一是工作面遇地质变化带，变化带顶煤冒落采空区无法回收；二是回顺上帮煤柱及松散、破碎、氧化浮煤进入采空区；三是采空区漏风大，特别工作面爆破期间、存货造成工作面断面小，增加采空区漏风；四是工作面遇地质变化带及临近终采，推进度慢等问题，不利于自然发火防治。针对以上问题，研究并制定采空区灌浆技术措施，通过实践，确保了林盛煤矿-675下延区1204柔掩工作面安全回采。

1 林盛煤矿工作面概况及自然发火原因分析

1.1 工作面概况

-675 下延区1204 柔掩采煤工作面的地面标高+32.7 m～+36.3 m，位置于苏家屯原北树林子旧址及水田地内。井下标高-731 m～-797 m，西邻-675下延区 1202 采面，北邻 1203 采面，南邻-735 南石门，东部为未采动煤、岩层。工作面走向长度521 m，伪倾斜长度80 m～110 m。工作面煤层地质资料：12 煤为复合煤层，分12-1和12-2煤，煤层层理、节理发育。12-1煤为黑色、粉状，平均厚度0.6 m；12-2煤为黑色、粉状，厚度3.1 m～2.7 m,局部火成岩侵入；12-1煤和12-2煤之间为厚 1.5 m 的泥岩；煤层倾向 108°～120°，煤层倾角∠42°～∠55°；种类为肥煤；1204 采面主要对开采12-2煤层，工作面直接顶为厚度1.5 m 泥岩和平均厚度0.8 m 的12-1煤层混层，直接底为0.3 m 厚泥岩，基本底为平均厚度8 m 的细砂岩。该煤层均有自然发火倾向，属Ⅱ类自然发火煤层，自然发火期74 d～88 d。

1.2 采空区遗煤

采煤工作面采空区遗煤氧化为自然发火的根本因素。采空区遗煤成因：主要来源于12-1煤层冒落采空区，由于开采的12 煤层为复合煤层，12-2煤层回采后，平均1.5 m厚直接顶及0.8 m厚度的12-1煤层垮落采空区；其二是来源于遇地质变化带,断层煤或煤层不能采全高的煤冒落采空区；其三是回风顺槽上帮隔离煤柱进入采空区后受压力破碎氧化，以及回风顺槽原帮顶碎煤回收不净进入采空区，这些帮顶松软破碎煤，增大了与氧接触的面积，更易氧化；其四是回风顺槽及运输顺槽在掘进过程中有时会出现高顶，煤顶受压力作用破碎氧化，进入采空区，将进一步加剧氧化自燃。

1.3 采空区漏风

采空区漏风供氧是自然发火的重要因素。采空区漏风存在多种原因：1.采空区冒落不严，存在漏风通道；2.伪倾斜柔性掩护支架采煤法采空区漏风严重；3.工作面生产爆破落煤后，自滑跑槽出煤慢，工作面通风断面减小，局部通风阻力增大，采空区漏风增加；4.抽采治理瓦斯过程中，埋管、钻孔抽放采空区瓦斯，增加采空区的漏风，进一步为采空区遗煤供氧。

1.4 回采推进度缓慢

柔掩工作面自滑跑槽溜煤，生产受限，影响回采速度。遇地质变化带或临近终采，工作面回采推进速度慢。为采空区遗煤的氧化、聚热、升温、自燃的发生提供了充裕的时间。

1.5 工作面通风系统影响

系统内设置的风门，行人行车运料通过时，工作面风量、风压受到一定影响。另外，工作面采空区相邻巷道，受采动压力破坏，产生裂隙带漏风，不利于自然发火管理。

2 采空区煤炭自然发火防治技术

采空区灌浆的作用是隔绝氧气，将河沙灌入采空区后，其中的河沙沉淀，充填于煤、岩碎块的缝隙之间，并将碎煤包裹起来。这样，不仅增加了采空区的密实程度，减少了漏风，而且又防止了碎煤氧化；地下水进入采空区后，增加碎煤的湿润，并吸热降温，从而抑制煤的氧化进程。

2.1 改变通风方式

-675 下延区1204 采煤工作面通风方式从传统的U 型通风方式改为E 型通风方式，工作面掘送中间顺槽，分工作面上部和工作面下部生产。通风系统为下顺槽和中间顺槽为入风顺槽，上顺槽为回风顺槽的“两入一回”的上行通风方式。中顺上部和下部采面交替生产，保证采面月回采推进80 m～90 m，使采空区遗煤提前进入窒息带。

2.2 减少采空区遗煤

（1）自开切眼摆柔掩支架起，每摆一组支架，收净支架后帮顶松散煤和木头、拌子、帘子。每组支架至少有两根短架子，保证支架后煤回收质量。

（2）运回顺槽进入采空区之前，提前回收净掘进期间出现的局部高顶处的松散煤，接顶刹实并用白泥充填满。

（3）上口摆架子前，超前3架棚拆帮，将回顺上帮、顶的松散煤收净；每摆一组支架后，回收铁棚的同时，二次对回顺上帮和顶板冒落的松散煤回收，包括木头、拌子、帘子一并收净。采面抓顶板开采，每班爆破前，回收净柔掩支架后浮煤（以支架下半部间隙无碎煤无准）。工作面下口长壁段回收放顶后，将空区碎煤收净，减少遗煤进入采空区。

2.3 限制采空区漏风

（1）回风顺槽预埋灌浆管或在-735 m 水平的12煤层底板巷向采空区顶板打钻孔，采煤工作面每推进50 m 时，利用地面灌浆系统向采空区内灌浆注沙，充填采空区冒落不严的空间，形成隔离带，阻隔漏风通道，同时对采空区煤矸进行湿润降温，每次采空区灌浆结束后，测量空区温度平均下降2℃～4℃，灌浆前后各采空区埋管CO浓度在0.002%左右下降到0.0 013%左右，采空区灌浆CO浓度明显降低。灌浆系统如图1。

图1 采空区灌浆系统示意图

（2）采面下口每推进50 m，在运顺下帮到柔掩支架尾的长壁段采空区一侧打不小于1.5 m宽的防火墙，进一步减少向采空区漏风供氧。

（3）工作面开采前，封闭1204 采煤工作面空区的邻近巷道,将-735 斜下石门、-800 m 水平 12 煤北底板巷、-800 北风道封闭。开采期间，加强采面系统内的风门、密闭检修维护，保证密闭质量和风门设施灵敏可靠，通风系统稳定、空区内外压力均衡。

（4）保持采煤工作面畅通，爆破前清净浮煤，每次爆破时控制炸药量，爆破后及时溜完煤，再进行下一循环爆破，预防工作面断面减小，采空区漏风增加。

挂篮施工是预应力混凝土连续梁的重要施工方法，在该连续梁桥的施工中，挂篮是重要的施工装置，其对铁路连续梁桥施工的影响主要体现在其稳定性不足时，会导致连续梁构造尺寸产生误差。因此，在控制挂篮施工对连续梁桥的影响时，通常需要减弱挂篮的预压，从而减小因扣件松动产生的误差，并检测挂篮的变形值，减小挂篮的变形。

（5）加强采前抽放瓦斯，采时以高位钻孔抽放为主，取消埋管抽放，在瓦斯浓度控制在规定的安全范围内，尽可能少抽。

2.4 注白泥、注阻化剂和注氮气综合预防措施

（1）自1204 开切眼摆架子起，开始对每组支架后帮顶喷洒浓度20%阻化剂，湿润煤矸。工作面开采期间，在回顺每20 m 预埋2 寸注白泥铁管，进入采空区后，利用注浆泵交替向采空区注白泥，对采空区煤矸湿润，充填采空区煤矸空隙；上尾巷每次回收后，用插管注白泥和浓度为20%的阻化剂湿润覆盖上尾以里采空区的煤矸；利用抽放钻场的防火钻孔和报废的抽放钻孔，向采空区注白泥，覆盖湿润采空区煤矸；上尾架子头以外，根据条件每2 m～5 m向上帮、煤顶打钻孔，向上帮和煤顶注白泥，进行提前预防，施工示意图如图2和图3所示。

图2 采空区埋管注白泥示意图

图3 上口尾巷上帮向12-1煤层打钻注白泥布置图

（2）采取采空区注氮气措施。在采煤工作面下口运输顺槽和回风顺槽预埋4 寸注氮铁管，当埋管进入采区氧化带之后，利用西风井地面DM-1000型的制氮机向井下1204 采空区注氮（氮气浓度不低于97%）。注氮管每70 m～80 m 一埋，保证埋管于氧化带，降低采空区氧含量，缩小采空区氧化带范围。注氮系统如图4所示。

图4 1204采煤工作面注氮防灭火系统示意图

（3）加强防火预测预报工作

采煤工作面开切眼上口、下口、开切眼中顺口及回风顺槽每30 m埋设一检测管，如图5所示，进入采空区后，专职防火员每天检查，并取样化验分析。防火员每天对采煤工作面回风、上隅角以外10 m处、上隅角、上尾巷以里1.2 m、瓦斯抽放管路与钻孔内、以及上尾往下5 m、10 m、15 m、20 m处的柔掩支架后采空区各点、包括与采空区连通的密闭内进行全面防火检查，检查内容为：CH4、CO2、CO 浓度及温度等自然发火标志气体，同时取气样进行色谱仪化验分析，瓦检员每班至少进行一次现场防火检查，发现隐患问题，及时记录，并向相关单位领导汇报。

（2）安装 KJ428 火情监测系统，对 1204 采空区CH4、CO2、CO、O2、C2H2、C2H4、C2H6的气体成份以及温度监测，进行了采空区自然发火三带划分。三带划分确保了自然发火预防措施事半功倍。

3 防治效果

为了对比分析采空区防灭火的效果，通过在1204工作面的进风、回风顺槽内埋设束管，监测随着工作面的推进，氧气浓度的变化。

采取措施前氧气浓度变化如图6所示。

图6 采取措施前O2浓度变化

从图6中可以得知，随着工作面的推进，采空区垮落的顶板比较松散，漏风较大，氧气浓度下降较快，氧气浓度急剧下降。同时，1204工作面回风顺槽内的O2浓度比进风顺槽O2浓度降低的快。当回风顺槽O 浓度在18%时，工作面推进了18 m，当推进到120 m 时，进入了窒息带。在回风顺槽一侧，因为进风顺槽漏风的存在，测点在达到26 m时O2才开始下降，达到135 m时进入窒息带，氧化带的宽度为22 m～125 m。

采取措施后采空区O2浓度变化如图7所示。

图7 采取措施后O2浓度变化

从图7中可以得知，采取防灭火措施之后，采空区内部的O2浓度快速降低。当工作面推进到15 m时，在回风顺槽内得到的氧气浓度由20.8%降低到了18%，进入到氧化带；进风顺槽在推进到20 m时才进入。回风顺槽内的测点到达采空区83 m 时，进入到窒息带，而当工作面推进到98 m 时，进风顺槽采进入到窒息带。采区措施之后，氧化带的宽度变为18 m～88 m。说明了采用措施以后，氧化带宽度减小，对煤自然的防治起到了较好的效果。

通过该套综合防治煤炭自然发火技术措施实施，林盛煤矿-675 下延区1204 柔掩工作面自然发火得到有效预防，杜绝自然发火隐患发生，工作面已安全终采、回收、灌浆封闭。

4 结论

通过上述分析主要得到以下结论：

（1）详细分析了林盛矿采空区自然发火是多种因素复合作用的结果，主要受采空区遗煤、采空区漏风、工作面推进缓慢和通风方式等影响。

（2）根据煤自然发火原因制定了综合防灭火方案，同时改变了通风方式、减少采空区遗煤以及减少漏风等方法，成功抑制了采空区煤炭的氧化，效果明显。为以后伪倾斜柔性掩护支架采煤工作面的煤炭自然发火防治积累了宝贵经验。