漏风条件下工作面煤自燃封堵防灭火技术研究

周 鹏

（内蒙古蒙泰不连沟煤业有限责任公司）

煤炭是我国的主要能源，煤自燃发火严重威胁矿井的安全生产［1-3］。煤炭自燃主要发生在综采工作面的采空区，随着机械化水平的提高，厚煤层放顶煤一次采全高的开采方式得到大量应用，随之带来的是采空区的遗煤量增大，而采空区遗煤自燃问题，大部分都是由于漏风引起的［4-7］，漏风导致采空区大量遗煤持续保持良好的供氧状态，最终发生煤氧化自燃，故良好的封堵是防治煤炭自燃的关键，也是防止有害气体涌出，保障工作面安全推采的前提。

1 工作面概况

不连沟煤矿F6211 综放工作面（以下简称工作面）位于东翼二盘区，西至6 煤辅运大巷，北临F6210辅运顺槽，南临F6212备采工作面，煤层结构复杂，含夹矸7～8 层，煤层平均厚度19.4 m，6 煤自燃倾向性为I 类容易自燃，自然发火期为31 d。工作面倾向长度275 m，安装液压支架160台。在推采过程中，由于漏风导致采空区遗煤高温氧化，采空区CO 气体浓度升高并不断涌入工作面，严重影响了工作面的安全生产。F6211 工作面回风隅角CO 气体浓度变化趋势如图1所示。

2 治理分析

2.1 煤自燃成因分析

（1）地表漏风。工作面煤层埋藏浅，距地表200 m 左右，工作面放煤高度10 m 以上，推采过后，采空区顶板垮落下沉，最终与地表导通，形成大量漏风通道。从2018年12月10日—2019年1月30日，工作面漏风量由350 m3/min 左右上升至1 200 m3/min 左右，采空区大面积供氧充足。

（2）推采缓慢。工作面推采过程中遇2 条大断层，破岩工程量大，设备磨损严重，导致工作面推采缓慢，氧化蓄热时间长。

（3）采空区遗煤多。工作面初采90 m 未放顶煤，采空区遗煤量大；放顶煤期间采空区有一定量遗煤，进、回风巷在推采过程中不放或少放顶煤，上、下部部分范围遗煤较多。

2.2 治理难点分析

（1）受地表漏风影响，采空区CO 气体从工作面全长范围内涌出，且从F6212辅运施工的措施孔抽取CO 气体数据来看，准确定位遗煤氧化升温区域难度较大。

（2）地表漏风裂隙丰富，漏风量大，整个采空区处于持续供氧、氧化的有利环境，在工作面持续推进的过程中，必然会有新的氧化升温区域出现，氧化点分散。

（3）目前工作面已回采超过500 m，倾向距离较长，采取采空区灌水或黄泥浆很难有效地覆盖遗煤氧化区域，达到窒息火源的目的。

（4）最为关键的问题在于，由于地表向采空区的漏风通道畅通且动态变化，架后垮落煤岩漏风裂隙丰富，导致采空区内的大量CO 气体不只是从回风隅角涌出，而是从进风隅角开始到进风侧工作面架间的新鲜风流都有大量CO 气体。工作面内高浓度的CO 气体影响到工人身体健康及工作面安全顺利生产。

（5）在采空区氧化范围广，氧化点多，治理难度大，周期长的情况下，地表回填工作又暂时不具备实施条件，故为最大程度降低工作面CO 气体浓度，唯一有效的办法是将工作面全长架后遗煤充填，降低漏风及气体涌出，为工作面快速推进创造条件。

3 工作面封堵防灭火治理

3.1 治理方案

方案中针对工作面全长的防灭火注浆治理主要分两步：第一步，工作面推进15 m 不放顶煤，后放顶煤推采4 m 左右后停采；第二步，工作面全长架间打钻灌注普瑞特Ⅱ防灭火材料。工作面全长276 m 左右，共有160台液压支架。通过工作面架间向采空区打设注浆钻孔，设计在2 台液压支架架间布置1 个注浆钻孔，钻孔终孔点控制在距后尾梁10 m 的位置，终孔高度在煤层底板以上4 m。打钻设计如表1、图2、图3所示。

3.2 普瑞特固化泡沫封堵技术

（1）技术特点。普瑞特固化泡沫封堵材料采用创新性的发泡技术，发泡和固化过程均不产生热量；发泡后，初期呈乳化状泡沫，具有良好的流动性，有利于扩散，可在破碎岩体内达到理想的充填效果，固化后能够全面填充注浆位置周围煤岩裂隙；固化泡沫体阻燃性好，在上千度的高温火源下泡沫不坍塌，不燃烧，也不助燃；最终形态为固化泡沫体，固化后的泡沫闭孔率高，透气率低，泡沫与煤岩体固结成一体，能够有效充填空洞裂隙，具有良好的封堵漏风性能［8-11］。普瑞特固化泡沫主要技术参数如表2所示。

（2）应用工艺。普瑞特固化泡沫由A 料和B 料组成，按体积比1∶1 通过混合枪进行混合反应，通过钻孔压注进入充填封堵区域，在很短时间内发生聚合反应，并逐渐固化。普瑞特Ⅱ型固化泡沫的制备系统工艺流程如图4所示。

3.3 应用效果

工作面采用全长架后打钻注浆治理措施，通过钻孔注入的普瑞特固化泡沫，发泡后以泡沫状向采空区破碎煤岩裂隙内流动和扩散，全面覆盖充填注浆周围煤岩裂隙上、中、下位置，固化后粘附在煤岩体表面，与煤岩体形成密实的固结体，有效地阻断了漏风通道，固化泡沫体中含有一定量的水分，对高温氧化点起到了吸热降温的作用，在采空区内形成了一道防火墙，控制了煤自燃区域扩大蔓延的现象，避免了火灾事故，保证了工作面继续安全推采。工作面治理前后CO气体变化曲线如图5、图6所示。

4 结论

（1）F6211 工作面煤层厚，采空区遗煤量大，加之地表漏风明显，采空区遗煤长时间的供氧、蓄热，最终工作面采空区深部发生遗煤氧化自燃，采空区内部氧化产生的大量CO 等有害气体涌入工作面，严重影响工作面作业安全。

（2）通过对工作面遗煤自燃成因及治理难点的分析，氧化自燃区域较为复杂且隐蔽，针对氧化区域的治理很难达到较好的治理效果。同时结合明显的地表漏风问题，提出了工作面封堵漏风的治理方案，在封堵的前提下防止大量有害气体涌出，最终能保证工作面的安全作业，快速推进。

（3）治理施工采用普瑞特固化泡沫封堵技术，该材料主要解决了发泡充填材料的反应发热问题，避免对遗煤带来自燃隐患，针对遗煤自燃区域的充填封堵效果突出，施工工艺简单、快捷。

（4）该防灭火技术在F6211工作面全长的封堵治理施工，最终工作面的CO 气体得到有效的控制，工作面在安全的环境下持续生产。此次防灭火治理也为类似工作面的煤自燃防治工作提供了新的材料、技术手段和宝贵的经验。