王海波

(山西潞安化工集团 左权佳瑞煤业有限公司，山西 左权 032600)

1 工程概况

左权佳瑞煤矿15101工作面开采15号煤层。煤层位于太原组下段下部，上距K2石灰岩8.06 m，下距K1砂岩8.96 m。煤层厚度4.78～5.81 m，平均5.50 m，工作面采用综采放顶煤开采方法。根据矿井地质资料可知，15号煤层自燃等级为Ⅱ级，有自燃倾向性。由于15101工作面采用综采放顶煤开采工艺，采空区内遗煤较多，为有效防止采空区出现自燃现象，特进行采空区防灭火方案的设计。

2 采空区气体浓度测试分析

为掌握15101工作面采空区内各项气体的含量，在工作面推进0～150 m的范围内进行气体监测作业，为保障采空区测气的准确性，在束管口上接三通，并在其两侧加过滤、束管及套管[1-2]，如图1所示。

15101工作面回采期间持续进行采空区气体的观测作业，基于现场测试得出的采空区内各项气体的含量数据，能够绘制出采空区内O2及CO与工作面距离间的曲线图，如图2所示。

分析图2可知，采空区内的O2浓度基本在14.0%～20.45%之间波动，CO浓度基本在10×10-6～65×10-6间波动；工作面正常回采期间，工作面后方采空区内的CO浓度表现为逐渐升高的趋势，O2浓度表现为随着距工作面距离的增大逐渐降低。在测点距工作面0～38.5 m范围内，采空区内的CO和O2浓度的变化幅度不大，且采空区内的氧气浓度基本与巷道内的氧气浓度相同，此时采空区内的CO浓度较低，这表明采空区漏风现象较为严重，采空区内的CO气体在风流的作用下被带出采空区；当测点在距工作面38.5～132.5 m的范围内时，采空区内的O2含量大幅下降，CO气体浓度逐渐增大，据此可知该区域内采空区的遗煤出现氧化反应，产生了CO气体；当测点与工作面间的距离大于132.5 m时，采空区内的O2浓度基本无变化，CO浓度呈现出逐渐降低的趋势，这表明在该范围内采空区内的遗煤氧化反应基本终止。

图2 采空区内指标气体浓度曲线

综合上述分析可知，采空区距工作面约0～38.5 m的范围为散热带，距工作面约38.5～132.5 m的范围为氧化带，距工作面>132.5 m的区域为窒息带。

3 采空区防灭火技术

3.1 防灭火方案

基于15101工作面的地质条件，根据上述采空区自燃“三带”的大致分布规律，在进行防灭火方案设计时应主要针对采空区氧化带采取防灭火措施，根据目前国内外现有的防灭火技术，设计采空区采用注氮+堵漏风+喷洒阻化剂的防灭火方案。

3.1.1 注氮防灭火

1) 注氮管路布置：工作面进风侧布置注氮管路，管路释放口布置于距工作面30 m的位置处，注氮口距底板高度为300 mm；为保障氮气能够全部进入到采空区内，防止氮气泄露至回采空间，在采空区注氮口位置处采用木垛或石块进行保护封闭，并在氮气释放口管路上设置0.5 m长度的花眼[3-4]，并用铁丝网包裹，具体工作面注氮口位置如图3所示。

2) 注氮参数及工艺：本次注氮管路直径为100 mm，注氮流量为1 000 m3/h，采用连续注氮方式。注氮实施时采用交替迈步式，迈步距离为30 m，即当工作面推过下一条注氮管路30 m后，即可开始停止上一条管路注氮，开启下一条注氮管路进行注氮作业，如此循环往复，直至采空区内的自燃发火倾向被消除。

图3 注氮管路系统布置示意

3.1.2 堵漏风防灭火

采用吊挂帆布的方法，即在工作面切顶线的位置处，采用矸石或者袋装碎煤的方式在工作面上下隅角区域后方分别构筑两道堵漏风墙[5-6]。随着工作面回采作业推进，工作面每回采30 m，即在其后方构筑一道堵漏风墙，如此循环往复，直至工作面回采完毕，具体堵漏措施如图4所示。

3.1.3 阻化剂防灭火

15101工作面采空区采用小型阻化装备对工作面两端头进行喷洒作业，采用喷洒阻化剂+汽雾阻化的防灭火工艺，具体阻化剂防灭火措施的各项参数设置如下：

1) 阻化剂的材料及浓度：本次阻化剂以氯化镁为原料，与水的配比浓度一般为10%～20%。

2) 阻化剂防灭火工艺：阻化剂喷洒作业主要对采空区两端头浮煤喷洒阻化剂溶液，在进风和回风两侧对端头采空区浮煤进行润湿作业，工作面一次喷洒阻化剂量可按下式计算[7-8]：

V=K1γcLShA/γ

(1)

式中：V为采煤工作面一次喷洒阻化剂的阻化剂量，m3；γc为采空区遗煤容重，取1.4 t/m3；K1为易自燃部位阻化剂溶液喷洒富裕系数，一般取1.2；L为工作面长度，m，两端头取10 m；S为一次喷洒宽度，m，根据实际采煤工艺，检修班喷洒，按1.2 m计算；h为遗煤厚度，m，端头煤不能采出，按1 m计算；A为遗煤吸阻化剂量，t/吨煤，(残煤用液量30～50 kg/t，可为40 kg/t)；γ为阻化液的容重，t/m3。

将上述数据代入式(1)中能够计算出一次喷洒阻化剂量V=2.1 m3。

3) 汽雾阻化防灭火工艺：工作面在进行阻化剂喷洒时，在进风一侧加装雾化器，以使阻化液微粒与浮煤接触，延长煤的氧化进程，从而达到阻止或延缓煤炭自燃的目的。

图4 工作面上、下端头堵漏措施示意

3.2 效果分析

15101工作面回采期间，通过工作面的束管监测系统进行两回采巷道CO浓度和O2浓度的监测作业，根据观测结果能够得出采空区进风巷道侧和回风巷道侧CO浓度和O2浓度曲线，见图5。

分析图5(a)可知，工作面回采期间，采空区内进风巷道侧O2浓度曲线随着埋深的增大呈现出先减小后稳定的趋势，当测点埋入采空区大于70 m时，O2浓度便开始逐渐趋于稳定。进风巷道侧CO浓度在埋入采空区0～60 m时，浓度较低，当埋入采空区60～75 m时，CO浓度开始逐渐增大，并在埋入采空区70 m的位置处达到最大值21×10-6，当测点埋入采空区大于70 m时，CO浓度便大幅降低。

分析图5(b)可知，随着埋入采空区深度的增加，采空区回风巷道侧O2浓度逐渐降低，当测点埋入采空区60 m时，O2浓度基本处于稳定状态，采空区回风侧CO浓度在埋入采空区45～75 m区域浓度较高，CO最大浓度在埋入采空区52 m的位置处取得，最大值为70×10-6。

综合上述分析可知，采空区采用防灭火方案后，工作面回采期间采空区内的O2浓度随着距工作面距离的增大而逐渐减小，浓度处于合理范围内；采空区内CO浓度的最大值未超过80×10-6，回采期间采空区内无遗煤自燃现象出现，为工作面的安全回采提供了保障。

图5 采空区内CO和O2浓度分布曲线

4 结 语

通过现场测试的方式进行15101采空区内指标气体浓度的分析，得出采空区内自燃三带的大致分布规律，结合采空区自燃特征，设计采用注氮+堵漏风+喷洒阻化剂的防灭火方案，根据防灭火方案实施后的效果分析可知，防灭火方案有效解决了采空区内遗煤易自燃的问题。