复合煤层分层开采自然发火防治技术的探讨与实践

2012-12-12刘海源李长贵

中国煤炭 2012年4期

刘海源李长贵王平

（1.沈阳焦煤有限责任公司，辽宁省沈阳市，110122；2.中国矿业大学（北京），北京市海淀区，100083）

1 矿井概况

沈阳焦煤公司红阳二矿的南翼区主采煤层12＃煤层为复合煤层，开采方式分层爆破开采，属二类自燃煤层，由于复合煤层分层之间夹矸薄，开采顺序是由上而下分层开采。开采上分层所形成的再生顶板不完整，裂隙发育，漏风通路复杂，造成在开采下分层时，曾多次发生自然发火事故。因此，进行复合煤层分层开采的防火技术研究，对保证矿井高产高效及安全生产有着极其重要的意义。

2 12＃煤层自然发火隐患分析

2.1 内在因素

（1）煤体具有自燃倾向性。12＃煤层采空区挥发分较高，为21.76%，燃点低，属一级容易自燃。

（2）12＃煤层硬度小，节理发育，且受上分层采动影响，煤层存在破裂状态，且上覆采空区有遗留煤炭。

（3）复合煤层分层开采后，由于夹矸薄，岩石硬，形成的再生顶板破碎不完整，裂隙发育，漏风通路复杂，有利于向上覆煤层采空区连续供氧。

（4）上分层采空区和下分层开采形成的采空区都具备热量积聚条件。

2.2 外在因素

（1）12＃煤层厚4.5m左右，煤层倾角35～45°，由于受地质条件限制，工作面走向长一般布置在300m左右，倾斜长120m左右。由于受回采工艺影响，工作面推进速度慢，开采时间长，下层和上层采空区漏风通路复杂，氧化时间长。

（2）由于老区为煤与瓦斯突出区域，开采上分层时需要采取局部防突措施，回风巷都实行无煤柱开采，导致采空区大面积相连。并且在采取防突措施的同时也影响工作面的回采速度。

（3）上分层开采过程中，为保证假顶形成，留有一定的浮煤，当上层开采洒水不充分或者高温水分蒸发后，再生顶给下分层煤层开采时留下自燃隐患。

3 骨架充填防火技术

红阳二矿以往对采煤工作面的防火措施主要包括上尾巷埋管注水，上下尾巷打隔断防火墙、砌沙袋墙封堵；放顶前喷洒阻化剂；上层巷道挖水坑向再生顶注水；对重点工作面采空区实行下尾巷埋管注入惰性气体等。虽然有一定效果，但是没有从根本上解决分层开采自然发火问题，自然发火隐患还是时有发生。

对分层开采可能造成自然发火的原因进行分析并总结多年来综合防火措施的实施和存在的不足后认为，采取上述措施时只能减少本工作面向采空区漏风，尚不能解决工作面向上分层漏风问题。经过不断探索分析，提出骨架充填式防火技术。

分层骨架充填防火方法，其实质就是在12＃煤层再生顶及其上部的海相泥岩中利用打孔注浆的方式对冒落空间、裂隙带进行充填和封堵，给漏风通路增设了较厚的隔离屏障，减少漏风。这样就有效地控制了连续供氧条件，对破碎和裂隙煤炭用白泥进行了充填和包裹，使煤炭不能氧化生热，消除了可燃物和热源，从而阻止了煤的自燃。

4 工程应用

4.1 工作面概况

红阳二矿南二下延12＃煤层下伏回采工作面位于－700m南石门以南，开切眼以北，工作面走向长260m，倾向长110m。该采面12－1＃煤层厚约0.9m，已回采，12－2＃煤层厚2.6m，已采出0.6～0.8m，12－2＃煤层剩余厚度0.4～2m，平均厚1.4m。煤种为焦煤，12＃煤层直接顶为上覆采空区形成的再生顶，岩性为厚约15m的黑色海相泥岩，节理发育。

4.2 工作面通风系统及自燃征兆

南二下延12＃煤层下伏回采面，进风由－700m水平的12＃煤层下伏进风巷进入工作面，回风经回风石门进入南二南回风巷。进风巷、开切眼、回风巷均沿12＃煤层上覆再生顶掘送。12＃煤层下伏工作面实际供风量240m3／min。

该工作面在准备运输巷和回风巷时，温度就在26～28℃左右，贯通形成通风系统后，通风区防火员在检查开切眼高顶和进、回风巷高顶时，发现局部温度高达43℃，回风巷顶板温度也达到了33℃；并在回风石门高顶内检查时发现有一氧化碳气体显现，说明该工作面顶板或者上分层采空区煤炭已出现自然发火征兆。

4.3 骨架充填防火法的实施

骨架充填防火法即通过喷浆将巷道周边封闭，形成第一层较坚固的的骨架封闭层，再向骨架内高顶和破碎煤炭注白泥充填和包裹，形成第二层封闭层，最后向再生顶裂隙打钻注白泥充填形成第三层封闭圈。该技术一是充填破碎煤炭裂隙空间，二是使喷浆内的高顶、浮煤和裂隙发育的煤炭形成一整体类原生状态，三是巷道周边形成密封包裹层，堵塞向采空区漏风，消除煤炭氧化热量积聚和储存条件。三层骨架施工方法如下：

第一层，首先将－700m南小石门及回风巷前20m巷道喷浆封闭帮顶，将回风巷及回风石门全部喷浆，喷浆后，在巷道帮顶内形成一道骨架，类似“厚壁管”。

图1 骨架式喷浆填充示意图

第二层，沿走向施工倾角5～10°钻孔安装注白泥管，利用白泥泵向整个回风巷及石门高顶注白泥浆，直至注满为止。利用此方式充填巷道高顶空间，人为地使整个回风巷这一“管子”的管壁加厚。这一层不仅起到了对再生顶托起作用，防止裂隙煤炭继续冒落氧化，而且也起到了充填堵漏密封作用，见图1。

由于12＃煤层下伏再生顶是浮煤和海相泥岩，层理发育、破碎，进风巷向上的漏风主要流向两处，一是受负压影响向回风巷内漏风，二是负压影响向上区段采空区内漏风。有时自然发火从上区段向下区段（采面或掘进面）蔓延，为此施工第三层骨架。

第三层，在石门和进、回风巷中向棚梁上仰角为45°施工钻孔，深1.2m，深度可根据现场实际情况变化，打到直接顶为止，然后在孔中安装一根1.5m注白泥管，每隔一架棚打一个孔，封孔后向海相泥岩注白泥，见图2。这样有效封堵了石门和进、回风巷漏风通路，也消除石门和进、回风巷巷道周边冒落松动煤炭氧化圈，有效地减少了漏风。同时，在打注白泥孔时发现，巷道内漏风也有规律性，其漏风大小从石门到工作面方向为由强变弱，这与预测和分析结果相吻合。

由于上尾巷内高温气体受采煤工作面通风系统负压影响，当矿井风压发生变化或大气压发生较大变化时，上区段采空区气体也可能进入开采工作面，所以骨架充填式防火法并不能彻底解决采面上尾巷温度居高不下问题。鉴于此，需要在上区段密闭外进行风压调节或者利用抽放采空区瓦斯均压解决压差漏风问题，但是必须加强气体检查和检测，防止调压不当造成次生漏风加速煤炭氧化。