马莉萍

（1.河南理工大学安全学院，河南 焦作 454000；

2.平顶山天安煤业股份有限公司二矿，河南 平顶山 467000）

平煤股份二矿庚20 煤层为深部高硫突出煤层，开采深度已达800 m，煤层含硫高（3.60%～6.52%），庚组煤层赋存的正、逆断层等地质构造较多，这些因素的综合叠加，使得庚组煤层开采过程中面临的内因火灾防治压力较大，严重制约矿井的安全生产。研究庚20 煤层工作面过断层期间采空区自然发火防治技术，对预防采煤工作面自然发火、提高矿井安全保障能力具有重要意义。

1 工程概况

平煤股份二矿目前主要开采己15、16 和 庚20煤层。庚20 煤层厚0.26～3.9 m，平均厚度1.52 m，属较稳定大部分可采煤层。煤质属于低～中灰，特高硫、高挥发分、特高发热量的肥煤，但有机硫含量高，洗选脱硫效果不佳，利用上受限制。庚20 煤层的自然发火期为3～6 个月，属自然发火煤层，煤层煤尘爆炸指数20.93%～28.23%，有煤尘爆炸危险性。

2 技术方案

当工作面遇到断层时，工作面的推进速度会变慢，采空区氧化带内的浮煤有较长时间氧化升温，升温时间超过煤的自然发火期后，采空区浮煤就会自燃。由于从工作面向采空区深部注防火材料难度较高，尤其难以使防火材料控制采空区中部浮煤氧化自燃，因此，为了防止过断层时采空区自燃，除了采取正常回采时的自燃预防技术外，还需在遇到断层前提前对氧化带内庚19 煤中部、庚20 断层区域的煤体采取防火措施，从而使得浮煤进入氧化带后氧化速度降低，预防采空区自燃。

3 庚20 工作面正常回采时采空区自燃预防技术

3.1 采空区堵漏风技术

在工作面推进初期，两巷被甩入采空区后部时，由于无老顶来压，采空区后部漏风空间非常大，尤其是距开切眼0～20 m 范围内，两巷漏风通道可能直达开切眼，加之开切眼形成后处于风流的氧化时间比较长，氧化条件好，因此当工作面形成后，必须先对开切眼进行阻化处理，推进一定的距离后，再进行两巷的充填与堵漏[1]。以庚20-23190 工作面为例，随着工作面的回采，在上下顺槽堆砌堵漏墙，堵漏墙可用袋子装填沙土进行堆砌，袋子之间用沙土充填。每间隔5 m 堆砌一座，厚度0.6 m，宽度为巷道宽度，从而增加采空区后部漏风风阻。

3.2 喷洒阻化剂防灭火

选用在水中有较高的溶解度、来源广泛、经济成本低的MgCl2或者Na2CO3，作为注入高硫煤体用的阻化剂。喷洒阻化液所用的搅拌水箱放在工作面进风巷适当位置,从工作面上隅角到下隅角接一趟8′高压软管，每隔12 m 留一个三通（带阀门），并将高压管吊挂在工作面液压支架支柱上，高压管随工作面推进前移。工作面支架每推进一排，对工作面采空区侧浮煤进行一次全断面喷洒阻化液，根据现场情况可以调整工作面喷洒次数。阻化剂溶液的浓度要保持在20%左右，以达到最佳防灭火效果.

3.3 注惰防灭火

结合平煤二矿的实际情况，进行间歇性注氮。根据庚20 煤层自然发火特点，在下述条件下注氮：一是当工作面上隅角一氧化碳含量递增达到24 ppm时，或者含量波动，但最高达到30 ppm 时，要立即注氮防火；二是未达到合理防火推进度时，即工作面旬推进度＜15 m，必须及时注氮；三是工作面45 ℃≤采空区温度＜70 ℃，或40 ℃≤上隅角温度＜45 ℃时，必须及时注氮；四是在撤架时，当进入采空区氧化带与窒息带交界处的煤炭达到发火期，必须及时注氮防火；五是巷道高温煤炭进入到采空区时，必须立即注氮[2-3]。

根据实际情况，庚20 煤23190 工作面回采过程中采煤工作面风量为1900～2000 m3/min，在进风侧距离工作面40 m、45 m、50 m 处分别设置注氮口进行模拟。氮气出口紧贴底板和煤壁，注氮量采用该面注氮流量15 m3/min。当风量为2000 m3/min、注氮口为40 m 和45 m 时注氮效果较好，注氮口为50 m 时注氮效果较差。考虑到注氮口为40 m 时可以较好地使回风侧的氧化带宽度变窄，且回风侧氧化区域温度较高和回风侧有高位钻孔抽放，选用注氮口为进风侧距离工作面40 m。

4 遇到断层前庚组煤层自燃防火技术

4.1 遇断层前19 煤中部预注阻化液抑制煤自燃

4.1.1 预注阻化液区域选择

由于庚19 煤距离庚20 有一定的距离，观测数据显示，庚19 煤氧化带宽度小于庚20 氧化带宽度。为了防止过断层时采空区发生自燃，庚19 煤预注液区域按照庚20 氧化带宽度进行预注，即过断层前，庚19煤按照图1 所示的预注阻化液范围进行预注。

图1 遇到断层前19 煤预注阻化液区域

4.1.2 钻孔布置及技术参数

庚19 煤在倾向上被划分成三个区域：A 区为利用回风侧的高位抽放钻孔进行提前预注阻化液，有4 个钻孔，钻孔参数同前；在遇到断层前，在进风侧打高位抽放钻孔对C 区进行预注阻化液，其钻孔参数与A 区对称；对于B 区，共有12 个钻孔，其中1#～6#钻孔从回风侧打钻，7#～12#钻孔从进风侧打钻。根据需要预注阻化液的区域大小选取钻孔的组数，其详细参数如图2 所示，其影响半径为5 m。为了避免钻孔偏差相互影响，每次打钻起点都向远离工作面方向运移1 m。从中可以看出，钻孔最深85.5 m，工作面较大，根据现场预注效果，可以调整钻孔组数，从而减少工作量。

4.1.3 注液工艺及时间

为了在进回风侧同时进行预注阻化液，需要在进风和回风巷分别制作一套注液系统，且加工一个多通，每个钻孔上安装阀门，根据需要选择部分或全部钻孔进行注液。在提前预注阻化液时，如果发现钻孔或周围有阻化液渗出，先暂停注液，等恢复正常后继续注阻化液。

当钻孔终孔到达采空区后，由于浮煤冒落后变得松散，使得注液量增加，且多余的阻化液会从采空区流向工作面，从而难以起到作用，因此，发现有阻化液流出采空区时应该立刻停止对应钻孔的注液。

图2 19 煤中部钻孔参数布置示意图

4.2 遇断层前庚20 短孔预注阻化液抑制煤自燃

当工作面过断层时，一方面工作面推进速度变得很慢，另一方面断层区域丢入采空区的浮煤较多，利用喷洒阻化液工艺对断层区域的浮煤进行惰化效果较差。为了对较厚浮煤进行惰化，采用短孔注入技术对庚20 工作面断层区域的煤体进行预注阻化液。短孔预注阻化液技术原理：在煤体开采前，利用煤层高压注水工艺将阻化液注入煤体，一定时间后，阻化液逐步浸入煤的层理、节理、裂隙和孔隙中。当煤体被开采后，破碎的煤体与外界空气的接触面上会存在一层阻化液膜，可以起到阻止煤与氧接触，达到防止氧化自燃的作用[4]。该方法与向空区内的浮煤喷洒或灌注阻化物相比较，阻化效率高，阻化时间长，能够更好地防治采空区浮煤自燃。

4.2.1 钻孔布置及施工

工作面注液孔的总数设计为42个，钻孔高1.5 m，孔径42 mm，孔深大约6 m，孔间距4 m。为了节省时间和成本，根据断层影响范围进行打孔预注阻化液，工作面两个端头0～10 m 范围内不打孔注液，以减少工作面两端煤壁片帮的可能性。

4.2.2 注液时间及系统

封孔采用橡胶快速封孔器封孔，如图3 所示。工作面钻孔共分3 组，每14 个钻孔为一组，1～14#钻孔为第一组，15～28#钻孔为第二组，29～42#钻孔为第三组，采用BRW-200/31.5 乳化液泵注液。在检修班一部煤电钻机1 个组打注液孔，保证每个注液孔净注液时间不低于35 min。

图3 封孔器

4.3 遇断层前阻化液雾化抑制采空区浮煤自燃

当雾化的阻化液进入采空区后，一方面可以降低采空区内部的氧气浓度；另一方面阻化液附着在浮煤上后，可以在浮煤上形成一个阻化液膜，阻止浮煤氧化升温；最后，当阻化液中的水分汽化时，可以吸收大量的热，从而降低采空区内部的温度。

4.3.1 工作面雾化喷头安装

雾化喷头安装如图4 所示。在进风隅角设置3个喷头，位于堵漏墙和支架后侧。阻化液被雾化后随风流进入空气，从而在采空区凝结惰化采空区浮煤。

图4 雾化喷头安装示意图

4.3.2 工作面日喷雾量

V=（1-a）KdLhS/R （1）

式中：V 为日喷雾量，m3；R 为雾化率，取80%；K 为每吨浮煤用液量，取0.02 m3/t；d 为实体煤的密度，t/m3；L 为工作面长度，200 m；h 为采高，工作面采高为2.5 m；S 为日进尺，m；a 为工作面回采率，%。

5 效果分析

庚20-23190 综采工作面过断层期间，采面上隅角CO 浓度维持在75～120 ppm 间，回风流CO 浓度维持在11～18 ppm 间。采空区自燃隐患区域已得到有效的控制，防止了采空区自燃，确保了庚20 煤层工作面过断层期间的安全生产。