王崇景，杨 峰，李可可，刘 硕

(1.济宁能源发展集团有限公司，山东 济宁 272000；2.中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221000)

自19世纪90年代引入综放开采技术，经过十几年的探索逐步发展成熟，然而由于以前技术、设备等的限制，导致前期开采遗留大量煤柱。采空区遗煤复采，不仅有效提高了煤炭的采出率，而且充分利用了煤炭资源，但受复杂地质条件影响，复采区松散遗煤多，顶板破坏严重且呈不规则分布，加剧了复采面的遗煤自然发火的可能性，严重威胁工作面的安全复采，因此对防灭火综合治理技术研究迫在眉睫。

国内学者针对防灭火技术及措施开展了研究工作：郭明生[1]研究了切顶留巷采空区自然发火特征，基于分级防控防灭火的思路，制定了防漏风和间歇性注氮防灭火技术措施，并在现场成功应用；刘德宝[2]对自燃“三带”进行划分，确定自燃带宽度，并提出防灭火对策；杨伟[3]基于实际观测的氮气扩散半径和采空区自燃三带的分布，优化改进了迈步式全断面埋管注氮工艺参数的计算方法，并进行了实际布置；邓军[4]对采空区煤自燃的原因及影响因素进行了分析，全面阐述了现有的采空区火灾的预防、抑制与灭火技术；吕长刚[5]创新性地提出了构建高地温特厚煤层综放面末采-撤架期间的双重防灭火体系，即“三步法撤面技术体系、一张图撤面管理体系”，对采空区遗煤自燃危险区域实现超前预防、治理和监测监控。同时在防灭火材料方面也做出了大量研究，其中段西凯等[6-10]对防灭火凝胶材料进行了一系列的研究，以及其他学者[11-15]对粉煤灰、泡沫、液态CO2等的研究。在数值模拟方面也取得了一些进展，白刚[16]采用Design Expert软件进行BoxBehnken试验设计，构建了采空区氧化带最大宽度在三因素、三水平条件下的二次回归响应曲面模型，并对不同条件下采空区氧化带最大宽度进行了预测与分析；张晓旭[17]采用Fluent模拟软件，建立该工作面采空区不同注氮条件下的自燃“三带”迁移模型，以确定最佳注氮位置、注氮温度、注氮流量，并在寸草塔二矿开展现场试验，验证该模型的科学性和有效性。然而针对运河煤矿复采工作面综合治理并无相关研究。山东济宁运河煤矿F1301工作面的煤层煤质较好，工作面煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层。面对矿井火灾隐患，首先从工程技术方面采取措施，结合矿井开采实际条件，最大限度地消除可能发生火灾事故的因素，建立完善的煤矿自燃火灾防灭火系统[18-20]，加强防灭火监测监控系统的作用，对运河煤矿F1301工作面进行科学的煤自燃综合防治研究。

1 工作面概况

运河煤矿F1301工作面宽度80 m，工作面轨道巷长度1033.2 m，运输巷长度1033.8 m。工作面北部27 m及南部26 m区域为原1301、1302工作面采空区，煤厚平均3.0 m，中部区域为原1301、1302工作面煤柱，煤厚平均7.0 m。工作面受南张向斜影响煤层总体呈现东西高中间低的形态，煤层倾角为13°～17°，平均15°。工作面煤层底板标高-420～-520 m，平均标高-470 m。F1301工作面的煤层煤质较好，属低灰、低硫、特低磷、高发热量煤层，煤层硬度系数f=1～2，属中硬煤，F1301工作面布置如图1所示。

图1 F1301工作面布置Fig.1 Layout of F1301 working face

复采探巷沿空掘进段，前550 m巷道采用喷浆，之后采用喷涂发泡材料，采用发泡材料段，每5 m施工一组凝胶墙。F1301轨道巷自开门口58.9 m开始沿空掘进时，每5 m施工一组凝胶墙，每组布置4个钻孔，钻孔深度均不小于5 m，其中巷道顶板布置2个钻孔，在巷道两肩窝向巷中0.8～0.9 m范围内垂直于顶板各布置1个注胶钻孔；巷道每帮各布置1个钻孔，在巷道两帮距顶板向下不大于1.2 m处以仰角45°各施工1个注胶钻孔。

2 F1301工作面自然发火隐患分析

2.1 自然发火隐患分析

F1301工作面巷道在采空区松散煤体中掘进，受围岩应力变化及矿山压力影响，煤体进一步破碎产生裂隙存在漏风通道。F1301工作面采用放顶煤回采工艺，推进速度较慢，初采期间顶煤受采动影响范围较小不易垮落，顶煤回收不彻底，采空区遗煤量较大，同时由于回采初期工作面采空区顶板冒落不密实漏风扩散范围大，采空区持续有氧气供给，为采空区遗煤自然发火创造了良好的供氧及蓄热条件。且后续的工作面回采期间遇断层或其他特殊地质构造区域时，局部可能留有遗煤且裂隙丰富，存在漏风通道，造成遗煤持续氧化。另外在工作面回采过程中两端头局部出现的遗煤回收不彻底进入采空区，存在自然发火隐患，增加工作面回采期间的防灭火管理难度。

F1301工作面轨道巷在原1301工作面采空区中掘进，运输巷在原1302工作面采空区中掘进，受围岩应力变化及矿山压力的影响，F1301工作面巷道掘进过程中煤体进一步破碎，产生新的裂隙及漏风通道，导致F1301工作面回采期间巷道向邻近原1301和1302工作面采空区漏风。根据1月至3月进回风巷钻孔的气样数据可以得出：各取样钻孔在形成初期，采集气样中的CO普遍高于0.05‰，呈现较高浓度，主要是由于采空区内部积存较高浓度的CO所致；随着取样周期的延长，大多数钻孔中CO浓度逐渐呈现波动下降趋势，直至最后稳定在0.02‰以下，表明这部分钻孔区域附近采空区的煤自燃隐患较小。如轨道巷12#左、13#左、14#右等钻孔。部分钻孔中CO浓度持续稳定在较高水平，表明该钻孔区域附近采空区存在遗煤氧化现象，持续氧化形成CO气体，如轨道巷3#右、11#左、15#右等钻孔，运输巷9#、14#等钻孔。通过工作面轨道巷和运输巷各观测钻孔的CO浓度变化规律，可将F1301工作面巷道两侧采空区煤自燃的危险程度分为高风险、一般风险和低风险三个级别，F1301工作面回采期间巷道两侧采空区煤自燃风险区域分类统计见表1，F1301工作面巷道两侧采空区煤自燃各类风险区域分布如图2所示。

表1 F1301工作面回采期间巷道两侧采空区煤自燃风险区域分类统计Table 1 Classification of coal spontaneous combustion risk areas on both sides of the goaf during the mining period of F1301 working face

图2 F1301工作面巷道两侧采空区煤自燃各类风险区域分布Fig.2 Distribution of various risk areas for coal spontaneous combustion in goaf areas on both sides of F1301 working face roadway

2.2 煤自燃风险区域分析

2.2.1 煤自燃一般风险区域

由于轨道巷12#—17#钻孔连续取样数据较少(C3和C8)，CO浓度仍处于较高水平，难以根据CO浓度变化规律分析钻孔附近采空区遗煤氧化情况，需进一步连续监测再做分析，暂定为一般风险区域。

2.2.2 煤自燃低风险区域

在工作面轨道巷一侧，观测孔7#右—11#右(C2)、1#左—4#左(C5)、9#左—11#左(C7)附近区域从1月至3月期间的CO气体浓度持续较低；此外，在17#右—F1301工作面开切眼(C4)、17#左—F1301工作面开切眼(C9)区段内轨道巷两侧为实体煤，因此上述区域为煤自燃低风险区域。

在运输巷一侧，观测孔1#—4#(C10)、7#—8#(C12)、11#—13#(C14)、16#—18#(C16)附近区域从1月至3月的CO浓度持续较低，表明上述区段附近采空区内遗煤与氧气的反应速率较慢，CO气体的生成量较低，因此上述区域为煤自燃低风险区域。

2.2.3 煤自燃高风险区域

在工作面轨道巷一侧，观测孔1#右—6#右附近(C1)、5#左—8#左(C6)附近采空区CO浓度持续呈现较高水平，最高达到0.08‰以上，表明采空区内部存在遗煤持续氧化现象，因此上述区域为煤自燃高风险区域。

在运输巷一侧，观测孔5#—6#(C11)、9#—10#(C13)、14#—15#(C15)、19#—20#(C17)附近采空区CO浓度始终维持在较高水平，最高达到0.1‰以上，表明遗煤氧化连续产生CO气体，因此上述区域为煤自燃高风险区域。工作面轨道巷和运输巷各观测钻孔的CO浓度变化规律如图3和图4所示。

图3 工作面轨道巷观测孔CO变化规律Fig.3 CO variation law of observation holes in the track roadway of the working face

图4 运输巷观测孔CO变化规律Fig.4 CO variation pattern of observation holes in transportation tunnels

3 煤自燃灾害监控与综合治理技术

3.1 F1301工作面防灭火监测监控系统

F1301工作面防灭火监测地点包括回风隅角、采空区、工作面风流、工作面回风流。F1301工作面防灭火监测方法采用人工检测、束管监测系统、安全监控系统、悬挂便携式检测仪器及人工采样分析等多种方法，监测监控系统现场布置如图5所示。

图5 F1301工作面监控系统Fig.5 F1301 working face monitoring system

通过对F1301工作面防灭火监测监控系统的布置，加强工作面轨道巷和运输巷现有观测孔的气体在线监测，针对工作面轨道巷C1和C6区域附近巷道等高风险区域进行加强喷浆与堵漏，在此基础上若该高风险区域CO仍处于较高浓度水平可进行间断性大流量注氮，同时针对切眼位置受断层影响的情况，可采取向断层上方顶煤施工注胶钻孔，惰化堵漏托顶煤区域，具体方案如下。

3.2 加强气体监测

加强工作面轨道巷和运输巷现有观测孔的气体在线监测，一旦发现钻孔内CO持续升高，要做到早预警。此外，需重点监测工作面轨道巷2#右、3#右、8#左等观测孔，以及运输巷5#、9#、14#、19#等观测孔的气样变化规律；针对12#—17#观测孔连续监测时间较短、CO浓度仍处于较高水平的问题，需进一步监测其气样变化规律，持续关注钻孔内CO浓度的变化趋势，同时做好数据记录，以便于回采期间对遗煤氧化自燃的变化趋势进行更为清晰地研判。对于高风险区域的观测孔，采用人工取样与连续取样相结合的方式进行持续观测。其中，高风险区域的观测孔取样频次为1 d/次；一般风险区域的观测孔取样频次为2 d/次；低风险区域的观测孔取样频次为3 d/次。

3.3 加强喷浆与堵漏

为最大限度地减少向采空区的漏风，延缓采空区遗煤的氧化聚热发展趋势。在持续监测的基础上，需重点加强工作面轨道巷C1和C6区域附近巷道，以及运输巷C11、C13、C15和C17附近巷道的二次喷浆(或喷涂)；建议在原有注胶封堵的基础上，根据现场实际进行补充注胶与采空区充填堵漏。

3.4 重点区域目标注氮

在喷浆与堵漏的基础上，如果上述高风险区域观测孔内CO仍处于较高浓度水平，或其他钻孔出现CO持续升高的现象，可通过向CO浓度较高的钻孔等重点区域，进行间断性大流量注氮，达到增大采空区内部压力减少漏风量，以及惰化重点区域抑制煤体氧化的效果。对于工作面两条中间巷的煤自燃预防，建议不要提前施工深部钻孔进行惰气压注或凝胶压注，避免钻进过程中的水冲刷采空区，人为造成采空区漏风通道、裂隙增加；建议在回采时超前100 m或200 m区段进行深孔施工，提前压注惰气和凝胶。

3.5 切眼位置遗煤堵漏降温

针对切眼位置受断层影响的情况，当工作面推进采空区垮落后，可采取向断层上方顶煤施工注胶钻孔，惰化堵漏托顶煤区域；仰角45°～55°，使用防火钻杆打入后进行压注凝胶，对顶煤进行堵漏和惰化处理。此外在切眼位置预先铺设注浆和注氮管路，管路出口沿倾向距离巷道20 m处，有助于扩大注浆或注氮的控制范围。同时对于开切眼周边煤壁及扩切眼侧破碎离层等自燃危险区域采用直接喷洒阻化剂的措施进行自然发火的预防。

4 综合治理效果分析

基于F1301工作面的自然发火隐患区域划分结果，在采取喷浆与堵漏、重点区域目标注氮、切眼位置遗煤堵漏降温等综合治理技术之后，工作面轨道巷和运输巷各观测钻孔内CO浓度整体呈现波动下降趋势，并最终稳定在0.024‰以下，表明上述措施有效封堵了工作面轨道巷和运输巷的漏风通道，阻断了巷道向采空区的漏风通道，有效抑制了采空区内遗煤的氧化进程，消除了F1301工作面开采过程中邻近1301、1302采空区的煤自燃隐患，有利于保障F1301工作面后续的顺利回采。

5 结 语

通过分析运河煤矿F1301复采工作面煤层赋存特点及煤层自燃影响因素，采取上述综合性的煤炭自燃火灾预防措施，有效预防了工作面煤炭自然发火，确保了工作面的安全回采，为后续复采煤层回采防灭火工作积累了一定的经验。其中运河煤矿F1301工作面主要来源于遗煤自燃火灾威胁，结合工作面的具体情况，划分了F1301工作面回采期间巷道两侧采空区煤自燃风险区域，设计提出了综合防治措施方案，并进行实际应用，应用结果表明经综合治理后CO含量得到有效控制，最终稳定在0.024‰以下，达到防灭火控制标准，从而满足该煤矿工作面安全开采的需要，为今后的煤矿开采防灭火设计提供一定的技术借鉴。