工作面末采回撤时期防灭火及快速回撤技术

孙雪亮

（神华新疆能源有限责任公司 碱沟煤矿，新疆 乌鲁木齐 830000）

由于新疆地区煤层普遍埋藏较浅，尤其是急倾斜煤层，其基本上是裸露在大气中，且随煤层开采，架后采空区垮落直接与地表连通，在矿井负压通风作用下，地表向井下漏风较为严重。工作面在正常回采时，推进速度较快，很快将氧化带甩入窒息带中，架后采空区发生自然发火的可能性较小。但是，在工作面末采回撤时期，末采时期工作面推进缓慢，若工作面回撤周期较长时，采空区氧化带内的浮煤与氧接触时间接近甚至超过最短自然发火期，采空区极有可能发生自然发火。为了防止工作面末采回撤时期采空区遗煤出现自然发火，以碱沟煤矿+495 m B1-2工作面为研究对象，研究在工作面末采回撤时期防灭火及快速回撤技术，对新疆其它矿井工作面末采回撤时期防灭火及快速回撤具有借鉴和指导意义[1-2]。

1 工作面概况

1.1 历史回撤工作面概况

+495 m B3-6工作面位于碱沟煤矿副斜井东翼，开采B3-6煤层，南侧50 m为B2煤层，北侧为B6煤层顶板，其上部存在+518 m B3-6采空区、+541 m B3-6采空区和+572 m B3-6采空区等上覆采空区。工作面标高为+495 m，地面标高为+765～+815 m。

+495 m B3-6工作面开采的是B3-6煤层，其位于八道湾向斜南翼，为单斜构造，煤层走向自西向东54°～57°，呈略向北突出的弧形，煤层倾向 326°，倾角85°～87°，煤层平均厚度 39.8 m，有益厚度平均 30.8 m，有2层夹矸，夹矸平均总厚为9.7 m。B3-6煤层均具有自然发火倾向性，自燃倾向性等级为Ⅰ类，属自燃煤层，B3-6最短自然发火期为31 d。B3-6煤层煤尘均具爆炸危险性。

+495 m B3-6工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤开采方法，全部垮落法管理采空区，水平分段高度为23 m，其中机采高度为3.2 m，放顶煤高度为 19.8 m，采放比 1∶6.2，采煤机截深为 0.6 m。工作面共安设了36副支架，其中30副中间支架，3副过渡液压支架和3副超前液压支架。

1.2 +495 m B1-2回撤工作面概况

+495 m B1-2工作面位于碱沟煤矿副斜井东翼，东部为+495水平边界煤柱，西部为工业广场保护煤柱，北部50 m为B3煤层，南部为B1煤层底板。+495水平B1-2工作面上部存在+518 mB1-2采空区、+541 m B1-2采空区和+572 m B1-2采空区等上覆采空区，下部为B1-2煤层实体煤，南部为B1煤层地板岩层，北部50 m为+495 m B3-6采空区。工作面标高+495 m，地表标高+765～+815 m。

+495 m B1-2工作面开采B1-2煤层，其位于八道湾向斜南翼，为单斜构造，煤层走向自西向东54°～57°，呈略向北突出的弧形，煤层倾角 85°～87°，煤层平均厚度 39.8 m，有益厚度平均 30.8 m，有 2层夹矸，岩性分别为炭质泥岩（平均2.3 m）和粉砂岩（平均 7.4 m），夹矸平均总厚为 9.7 m。

B1-2煤层均具有自然发火倾向性，自燃倾向性等级为Ⅰ类，属自燃煤层，B1-2煤层最短自然发火期为36 d。B1-2煤层煤尘均具爆炸危险性。

工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤开采方法，全部垮落法管理采空区，所采煤层分段高度为23 m，其中机采高度为3.2 m，放顶煤高度为19.8 m，采放比 1∶6.2，采煤机截深为 0.6 m。工作面共安设了20副支架，其中16副中间支架，3副超前支架和1副端头液压支架。

2 历史回撤工作面CO浓度异常因素分析

2.1 +495 m B3-6工作面出现CO浓度情况

1）工作面回风隅角及采空区CO浓度相对矿井历史其他工作面回撤时高。

2）在回收完除支架外全部设备回收工作后，在工作面8#～22#架前及后溜位置底板检测到较高浓度的CO气体，一般在37×10-6左右，支架中上部采空区碎煤区域CO浓度反而较低，其中18#架后溜底板位置CO浓度最高，超过100×10-6，且从底板上局部区域有较高浓度的H2S气体涌出，经取样分析最高浓度达到200×10-6，底板涌出气体内氧气浓度基本在8%以下。

3）在工作面开始支架回收后，随支架拉出，顶煤垮落后，垮落区域内CO浓度很高，达到400×10-6以上，但氧气很低。

2.2 CO浓度异常原因分析

2.2.1 采空区及回风隅角CO浓度异常原因

超前预裂残留炮烟及煤体吸附CO气体受扰动影响逐渐释放。+495 m B3-6工作面于2016年12月2日起爆最后1排超前预裂爆破，共使用乳化炸药1.8 t，工作面于2016年12月17日保护性封闭，于2017年2月12日启封回撤，在回撤支架扰动影响下，超前预裂钻孔内残留炮烟和煤体吸附CO气体受扰动影响而解吸涌出，由此导致工作面架后采空区及回风隅角CO浓度相对其他工作面浓度更高。

+495 m B1-2采空区采取全部垮落法管理顶板，随+495 m B1-2采空区垮冒，+518水平及以上各水平的采空区与+495 m B1-2采空区垮冒在一起且形成更加复杂的采空区，在矿井全负压通风作用下，上覆采空区内积存少量的CO气体（上覆采空区内无C2H4、C2H2）也将涌出至+495 m B1-2工作面，工作面回风隅角CO浓度异常。

2.2.2 底板CO和H2S气体异常原因

+495 m B3-6工作面在停采线位置矿压较大并导致底鼓现象。+495 m B3-6工作面架后约20 m采空区正下部26 m为+469 m B3-6工作面东翼B6巷与东翼B3巷联络巷，在回采动压和较大的矿山压力作用下，煤层受压破碎，形成裂隙漏风通道。在矿井负压通风作用下，+469 m B3-6工作面风流通过阶段破碎煤体内的裂隙漏入+495 m B3-6工作面，阶段破碎煤体氧化升温，生成较高浓度的CO气体，较高的温度也促进了破碎煤体内H2S气体的脱附，导致了有害气体的异常涌出现象。

2.2.3 支架回撤时垮冒区域CO浓度异常原因

支架回撤时，垮冒区域CO浓度异常原因主要有以下3个方面：一是超前预裂残留炮烟及煤体吸附受扰动影响逐渐释放CO气体；二是采空区内遗煤氧化时间超过最短自然发火期，回撤工作面采空区内遗煤进入氧化时间累计53 d，超出最短自然发火期22 d，采空区破碎煤体经长时间氧化也会生成大量CO气体；三是工作面与上部多层采空区、地表都可直接垮通，地表新鲜风流在矿井负压和自然风压等作用下，可渗流经过多层采空区并进入回撤工作面，在长期的回撤过程中，回撤工作面顶部的多层采空区内破碎遗煤也会氧化产生大量CO气体，随漏风漏入回撤工作面。

3 +495 m B1-2回撤面防灭火及快速回撤技术

为避免+495 m B1-2工作面回撤时出现+495 m B3-6工作面回撤时的气体异常问题，吸取+495 m B3-6工作面回撤时的经验，+495 m B1-2工作面回撤时采取了以下措施。

3.1 末采阶段强化放煤

在工作面末采阶段且施工矿务工程前，提高顶煤放出率，直到支架放煤窗口见黄土时停止放煤，目的是在架后形成1道黄土隔离带、减小氧化带范围。当工作面回采至距停采线14 m时，开始施工回撤通道、铺网等矿务工程，此阶段不放顶煤，因此架后15 m范围是采空区防灭火工作的重点区域[3-4]。

3.2 双巷回撤吊装硐室外移

碱沟煤矿早期的回撤工作面均采用单巷回撤，回撤时间较长，导致较大自燃隐患的发生，而改为双巷回撤后，将极大缩短工作面支架回撤时长。

为了进一步缩短支架回撤时长，将巷道内的吊装硐室位置由原来的距离停采线30 m挪至巷口，与工作面停采线位置距离扩大至84 m，这样可加快工作面支架的抽出速度，未拆解的支架也可储存在回撤工作面的2条巷道内，而支架全部拉出后，即可修筑回撤工作面2条巷道距停采线最近的永久密闭，而2条巷道内储存的支架则可慢慢拆解[5-7]。

3.3 主动的防灭火技术

3.3.1 堵漏措施

1）地表堵漏。由于工作面采出煤层厚度大，地表将形成深度较大的条带状的塌陷坑，地表塌陷坑的填埋应作为工作面末采回撤期间的防灭火关键工作来做，必须及时对地表塌陷坑进行填埋，填埋后必须保证不露出煤岩体。

2）采空区两巷道封堵。在工作面推进至距离停采线50 m位置时在工作面进、回风巷端头垒厚度大于1 m的砂袋或黄土挡风墙，挡风墙必须与巷道外帮和顶部接实接严，并向挡风墙表面喷涂史达夫等堵漏材料，以最大限度减少漏风；之后，工作面每推进20 m，按同样的要求再在进、回风巷端头分别构筑2道挡风墙[8-10]。

3）加强对上部+564水平、+541水平、+518水平各工作面密闭的检查，杜绝漏风。

4）在工作面回撤期间，利用+495水平B1-2工作面两巷道及架间预留钻孔灌注史达夫封堵煤体裂隙通道。

3.3.2 立体注氮措施

1）架后注氮。工作面回撤前分别在架后15 m和25 m采空区内铺设全断面φ50 mm注氮管路，注氮管路每隔30 cm打1个眼，有利于氮气均匀分布在采空区内，注氮流量为300 m3/h，架后采空区注氮管路布置示意图如图1。

图1 架后采空区注氮管路布置示意图

2）上覆采空区注氮。+495 m B1-2工作面第1道联络巷设置钻场，向+518 m B1-2工作面停采线位置施工1组注氮钻孔，共4个钻孔，开口间距为1 m，终孔间距为10 m，上分层采空区注氮钻孔布置示意图如图2。

图2 上分层采空区注氮钻孔布置示意图

3.3.3 灌浆措施

1）架后预防灌浆。利用采空区预埋的注氮管路向采空区间歇式注浆（水），消除+495水平与+469水平间的破碎阶段煤柱和+495水平采空区自然发火的危险。

2）顶煤灌浆。在工作面10#～20#支架架间往采空区方向施工了4个倾角为75°的钻孔，钻孔终孔高度至+518 m水平，施工的各钻孔全程下套管，向支架上方的破碎顶煤和采空区浅部的中上部破碎煤体灌浆，工作面架间钻孔布置示意图如图3。

4 效果分析

在+495 m B1-2工作面末采阶段，强化放顶煤、提高停采线附近的采出率，直至放煤窗口见黄土时关闭放煤窗口，有效地减小采空区遗煤量并在架后形成1道黄土隔离带，减小采空区氧化带范围。工作面采取了吊装硐室外移和双巷回撤，增加了拆架和移架空间，极大缩短了工作面设备回撤周期。主动的防灭火技术措施起到了抑制和阻碍煤自然发火，延长煤体自然发火周期。通过上述措施，工作面回撤周期缩短至18 d，并无出现自然发火征兆。

图3 工作面架间钻孔布置示意图

5 结论

1）强化放煤减少采空区内遗煤量、在架后采空区形成1道黄土隔离带和减小采空区氧化带范围。

2）双巷回撤，吊装硐室外移，增加了拆架、移架的空间，有利缩短工作面回撤周期，减少采空区遗煤氧化时间。

3）主动的防灭火技术措施抑制和阻碍了煤体自然发火的进程，延长了煤体自然发火周期，为+495 m B1-2工作面安全回撤提高了安全系数。

4）+495 m B1-2工作面回撤周期缩短至18 d，为其它矿井工作面防灭火及快速回撤提供借鉴和指导意义。