综采工作面采空区防灭火技术应用

孙月明

（山西潞安集团左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600）

采空区防灭火对煤矿安全生产具有重要意义。 工作面在回采过程中由于受采煤工艺、地质构造以及管理水平等影响，采空区内出现大量遗煤，导致采空区遗煤在高温氧化作用下出现煤层自燃现象[1-6]，造成采空区内CO 浓度升高，威胁着工作面安全生产。 综采工作面原来主要采用回风隅角封堵、 架后洒水等技术手段控制采空区煤层自燃[7]，但这些防灭火措施局限性大、治理效果差，达不到采空区防煤层自燃的目的[8]。 本文以阜生煤矿1105 工作面为研究对象，通过对工作面回采前期采空区煤层自燃原因分析，对工作面采空区防煤层自燃技术措施进行优化，确保了工作面安全稳定回采。

1 概述

山西潞安集团左权阜生煤业有限公司1105工作面沿煤层走向布置、沿倾斜方向回采。 工作面切眼长度为150 m，运输顺槽长度为939 m（可采长度为509 m），回风顺槽长度为866 m（可采长度为509 m）。工作面回采煤层为15#层，可采厚度为6.5 m，平均倾角为8°，煤层结构相对复杂，煤层内含多层夹矸，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 1105 工作面回采煤层顶底板岩性

1105 工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化一次采全高全部垮落采煤法，工作面采用MG750/1940-WD 型电牵引采煤机，采高为6.0 m，回采率为93%。

2 工作面回采现状及问题分析

2.1 回采现状

截至2020年12月11日1105 工作面已回采60 m，工作面回采至52 m 处时，位于45#～87#支架前方揭露一条F8正断层，断层落差1.4 m，断层对工作面回采影响长度为56 m。 工作面揭露断层后决定采用仰斜回采工艺，即工作面从45#支架开始以6°的仰角上山回采，上山回采期间留断层上盘底煤破顶岩，当工作面上山回采至断层下盘且完全揭露下盘煤体底板时停止上山回采，以近水平角度进行回采。 在工作面前50 m 范围内回采时，工作面采空区内有害气体无上升趋势，控制在允许范围内。 当工作面揭露断层后第三天开始，位于回风隅角往里5～10 m 处采空区内CO 浓度为0.004 2%，过断层第七天采空区内CO 浓度达0.006 7%，同时在风压作用下CO 向工作面及回风顺槽内涌入量逐渐加大，严重威胁着工作面安全回采。

2.2 回采前期采空区瓦斯治理措施

为了控制采空区CO 浓度，1105 工作面回采前期主要采用回风隅角封堵、 以及架后洒水的措施防止煤层自燃。

（1）回风隅角封堵：通过现场CO 浓度采集发现，1105 工作面在前期回采过程中机道处CO 浓度相对较低，而CO 浓度集中区主要位于回风隅角前后5.0 m 范围内。因此，决定对回风隅角处进行封堵，在回风隅角采空区方向安装一道风障，风障一侧采用立柱与顶板进行固定，另一侧通过S 型挂钩与巷帮进行固定，工作面每回采20 m 安装一道风障。

（2）架后洒水：工作面前期回采过程中在相邻两架间隙处安装一套洒水装置，该装置主要由高压喷头、高压胶管、阀门等部分组成，洒水装置水压为1.5 MPa，洒水装置布置间距为30 m。

图1 回采前期采空区防灭火系统布置

2.3 采空区CO浓度超限原因分析

（1）煤体氧化时间长：2020年8月14日1105工作面切巷施工到位，11月8日工作面全部准备完成，11月12日开始割煤，前期平均回采进度为3.2 m/d。 工作面揭露断层后回采速度降低至2.4 m/d，在此期间工作面煤层及回采遗煤氧化时间长，从而导致煤层发热自燃现象。

（2）采空区遗煤量大：1105 工作面采用一次采全高回采工艺，回采高度为6.0 m，留顶煤厚度为0.5 m；同时工作面过F8断层时采用仰斜回采工艺，工作面留底煤量大，预计留底煤量达2 100 t，导致采空区内遗煤量大[9]，遗煤在氧化作用下出现自燃现象。

（3）采空区漏风量大：1105 工作面回采期间实测1105 运输顺槽（进风巷）配风量为1 421 m3/min，实测工作面机尾处风量为1 329 m3/min，损失风量主要沿机头以及移架间隙进入采空区内，新鲜风流进入采空区后为采空区内遗煤自燃创造条件，同时在风压差作用下风流将采空区内有害气体带入至工作面、回风隅角以及回风巷内。

（4）采空区发火监控不到位：1105 工作面回采前期，主要在回风隅角处安装一氧化碳传感器，监测采空区内煤层自燃情况，该监测系统无法实时对采空区煤层自燃情况进行监控，监控自动化及灵敏度低[10]。

（5）CO 治理效果差： 由于工作面回采后采空区区顶板随之垮落，在垮落过程中对风障及洒水装置损坏严重；而且洒水装置喷水射程有限，喷水后降温效果差，导致传统采空区防火治理效果差。

3 采空区综合防灭火技术应用

3.1 综合防灭火措施

为了保证工作面后期安全回采，阜生煤矿决定从控制采空区漏风量、 减少采空区遗煤以及提高采空区束管监控力度等几方面着手，从而控制采空区煤层自燃现象。

（1）安装导风装置：1105 工作面回采前期采空区漏风主要来自于端头支架与巷帮侧间隙，以及分段移架时支架与支架之间间隙。 为了减少采空区漏风量，决定在端头支架处安装“Z”型导风装置；该装置一端安装在1105 运输顺槽距端头12 m处巷帮上，另一端安装在端头支架顶梁下方，如图2 所示；为了避免移架时出现架间漏风，在支架后液压支柱上安装柔性风筒进行堵风。

图2 1105 工作面综合防灭火系统布置

（2）注氮防火：为了抑制采空区煤层自燃现象，决定对采空区喷洒液态氮气，采用ZH-800-98型制氮机制氮并利用直径为110 mm 无缝钢管由地面输送至1105 工作面回风隅角处，然后对接安装直径为108 mm 注氮软管并延伸至采空区内，随着工作面推进50 m 后将第一根注氮软管甩入采空区内，安装第二根注氮软管继续注氮，依次类推直至工作面回采至停采线位置。

（3）优化采煤工艺：1105 工作面采用仰采回采过F8断层时，留顶煤量大且预留难度大，为了减少过断层期间煤柱损失，决定对原回采工艺进行优化，采用松动爆破强行破岩法，首先对工作面进行旋转调面，确保工作面与断层面平行进行伪斜回采，然后在断层岩体处施工松动爆破孔，采用强行破岩法过断层。 工作面过断层后再次旋转调整工作面伪斜，进行正规循环作业，从而有效减少过断层期间煤柱遗失量。

（4）安装束管监控系统：由于传统采空区CO监测系统监测误差率大、灵敏度低，1105 工作面在后期回采时在采空区安装了JSG5 型束管监控系统。该系统采用光谱技术进行气体检测，1105 工作面共计安装了三套束管监测系统，分别安装在22#支架、87#支架以及回风隅角后方20 m 处；JSG5型束管监控系统具有监测灵敏度高、 测量数据准确、数据上传速度快等优点。

3.2 应用效果分析

2020年12月开始对1105 工作面采取综合防灭火措施，截至2021年4月21日工作面已回采到位，通过5 个月实际应用效果来看，工作面采取综合防灭火技术后，实测机尾处回风量为1 403 m3，减少了采空区漏风量，采空区内O2浓度降低为2.7%，CO 浓度降低为0.001 6%；工作面回采期间实测机道处CO 浓度不足0.000 5%，回风流中CO 浓度不足0.000 9%。 同时工作面在过断层期间采用松动爆破回采工艺后，提高了工作面煤层回采率，采空区内遗煤量减少了1 800 t，避免了煤层自燃现象，工作面回采速度提高至5.7 m/d。

4 结论

1）对采空区采取堵风措施后，可减少采空区漏风量，在降低采空区风压差的同时，可延长采空区内遗煤氧化时间，以及煤体自然发火期；同时对采煤区遗煤采取注氮措施后，降低煤体表温，稀释采空区内氧气浓度，从而达到煤体阻燃的目的。

2）工作面采用松动爆破回采工艺过断层时，无须预留顶煤，减少了过断层期间采空区遗煤量，且无须对过断层期间顶板采取永久支护，回采后采空区顶板可及时垮落，缩短了采空区遗煤与空气接触时间，有效地控制了煤层发火。