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孤岛工作面多作业环节防火技术应用研究

2023-10-27 71 上传者：管理员

摘要：防止工作面遗煤发生自然发火，是矿井火灾防范工作的重中之重，尤其是孤岛工作面，相较于普通回采工作面存在更大的自然发火风险。以A矿孤岛工作面回采期间防火为例，采用注氮、阻化剂喷洒及自然发火预测预报等多种技术手段。通过对井下气体进行监测，选择合适的时机注氮、喷洒阻化剂，能有效消除井下火灾隐患，对孤岛工作面的防火有很大的参考与推广价值。

关键词：
回采工作面
孤岛工作面
矿井火灾防范
遗煤自然发火
采空区
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当所采工作面两侧均为已采区域、形成孤岛工作面时，采空区容易在采动过程中形成互相连通的状态。孤岛工作面相较于普通回采工作面存在更大的自然发火风险，主要原因如下：1)开采煤层具有自然发火倾向（一类或二类），当采空区浮煤长期氧化时，特别是工作面过断层推进度慢时，易自然发火；2)放顶煤开采的工作面，一般采空区内留有15%～20%的浮煤，受回采工艺影响，浮煤覆盖采空区全断面，受长期氧化影响，浮煤易自然发火；3)矿井回采工作面距离地表较近，开采时易在地表形成裂隙，在矿井采用负压通风方法的情况下，造成地表形成裂隙后向采空区漏风，导致遗煤易自然发火。因此孤岛工作面防火技术研究对于回采期间安全保障具有必要性。

1、工作面概况

A矿2-103工作面切巷长132 m，顺槽设计走向为1 085 m，所采煤层平均厚度4.5 m左右，开采方式为综采放顶，采用U型通风方式，计算配风量556 m3/min，工作面预计推进度为60 m/月，为低瓦斯工作面，开采煤层为Ⅱ类自然发火煤层，最短发火期为89 d。2-1031进风顺槽相隔15 m煤柱为2-101工作面（采后已封闭，曾自然发火，火区已注销），2-1032回风顺槽邻近相隔7 m小煤柱为2-105工作面（采后已封闭），2-103工作面为孤岛工作面。

2、工作面上部小窑空巷防火技术

工作面上部小窑空巷较多，采用封闭注氮方式治理小窑采空区会面临成本高、工作量大的情况，因此，防火方式以自然发火监测为主，当监测到发火预兆时，再注氮和注防灭火材料浆液。小窑空巷自然发火监测方法为：在回风顺槽向小窑空巷打钻孔，钻孔下6分套管，准备与套管长度相匹配的束管单管，对小窑空巷的自然发火进行有效监测[1]。

3、工作面初采时防火技术

1)工作面初采期间，如有冒顶，作业队组应及时清除落到工作面的浮煤，减少遗煤。2)检修班每天喷洒阻化剂，喷射范围为采空区，上、下隅角，架间等地点。阻化剂选用质量分数为15%的CaCl2溶液。3)注氮防火。注氮管路沿工作面进风侧铺设至距离工作面60 m处，然后采用双管路铺设，便于单独控制，两趟管路间距30 m。当第一趟管路的N2释放口进入到采空区内25 m（散热带和氧化带分界处）位置时开始注氮；当第一趟管路的释放口进入采空区55 m（氧化带和窒息带分界处），第二趟管路N2释放口进入采空区25 m处时，关闭第一趟注氮管阀门，打开第二趟注氮管阀门，开始注氮[2]。按此交替方法循环往复进行注氮（见图1）。

图1 注氮管路布置示意图

4、工作面回采期间防火技术

4.1 工作面回采期间采空区自然发火预测预报

采空区自然发火预测预报按下列步骤进行：1)在进行采空区“三带”考察时，利用考察所埋设的束管采样器对采空区进行自然发火预测预报。若未进行采空区“三带”考察，采空区的预测预报需在工作面回风顺槽设置测点1，在工作面上隅角设置测点2，回风顺槽重点高冒区设置束管测点3，工作面前方每隔100 m向2-101采空区打钻，设立束管测点4[3]。图2为作面气体监测布置示意图。2)瓦斯检查员每班对工作面上隅角、回风流及高冒区各点气体进行监测。3)每3 d对工作面上隅角、回风流等点气体取样化验一次。

图2 作面气体监测布置示意图

4.2 工作面回采期间注氮

孤岛工作面开采采空区空间大，漏风较严重，地表存在漏风，采空区浮煤较多，因此需保持采空区大流量注氮。矿井现使用1台700 m3/h的制氮机。目前国内外采空区开放式注氮有3种方式：采空区埋管注氮、采空区钻孔注氮、采空区拖管注氮。当采空区冷却带宽度超过20 m，即N2释放口距离采空区20 m左右时，由于采空区顶板垮落，管路承压后不易拖拽，不宜采用拖管方式注氮。经测算研究，2-103工作面冷却带范围均超过20 m，所以选用埋管方式注氮（见图3)[4]。

图3 2-103采空区埋管注氮布置图

注氮时机合理与否会直接影响工作面的防火工作是否能够达到理想效果，对试验工作面进行自然发火研究后，选定了以下防火注氮时机。

1)当工作面上隅角出现CO气体，且监测数值呈现持续增长态势时，必须立即注氮防火。

2)当工作面回采进度小于60 m的最低推进度要求时，必须及时注氮，直到工作面推进度大于或等于防火合理推进度时停氮。

3)工作面温度监测地点出现下列情况时必须立即注氮防火：①测温地点的温度与进风流温度温差达到10℃；②放煤温度高于30℃；③进入末采及回撤支架；④工作面初采时，推进到25～60 m的范围。

2-103工作面回采时，受采动影响，工作面邻近的2-101采空区老火点可能漏风复燃，采取的防复燃措施有以下2种。

1) 2-101采空区气体监测。沿工作面前方的进风顺槽每隔100 m打钻孔1个，钻孔下Φ20 mm套管，套管中插入束管单管，每天测试采空区气体一次，测试采空区钻孔温度一次。测气时，如果钻孔气体入、排不定，测该气体不是钻孔内的真实气体，只有在钻孔完全向外排气时，测到的气体才是真实气体。如果2-103工作面巷道掘进期间打的监测钻孔完好，则可以利用这些钻孔测气、测温，不必新打钻孔。

2) 2-101采空区注氮。如果发现钻孔中CO气体体积分数超过0.001%，或O2体积分数超过7%，或温度超过30℃，则立即向钻孔注氮降氧，注入N2流量为500 m3/h，连续注氮，直至工作面推过该区域。如果有异常情况，应编制专项措施，若注氮不能将O2体积分数降到7%以下，则向采空区注重氮降氧。

5、工作面回撤期间防火技术

当工作面进入末采及回撤支架阶段时，由于工作面不再推进，采空区“三带”呈现固定态势，当漏风持续、O2供给稳定且煤层本身具有自然发火性时，容易发生自然发火，这是工作面防火的难点，因此要特别重视工作面回撤时的防火。

5.1 回撤期间容易发火地点

1)采空区氧化带与窒息带交界处。工作面所采煤层的最短自然发火期为89 d，工作面的推进度为60 m/月，根据采空区“三带”范围，采空区进风侧约101 m为窒息带，回撤时采空区氧化带与窒息带交界处的浮煤已达到其最短自然发火期，回撤期间采空区持续漏风，浮煤进一步与空气接触，此时遗煤自燃条件均满足，若发生自燃，涌出的CO等有毒有害气体将导致撤架作业停滞。

2)冷却带上部垂直氧化带上方碎煤。综放面采空区不仅有水平“三带”，还有垂直“三带”，工作面切顶线至切顶线以里15 m范围为采空区冷却带，其下部浮煤不易自然发火，但2#煤层上分层采空区浮煤处于垂直“三带”的氧化带，注氮时N2不易达到此处，极易自然发火。根据回撤时采空区垂直“三带”自然发火测试结果，工作面底板上方4～26 m为垂直氧化带，而工作面后部漏风较严重，注入的N2容易被漏风带走，因此冷却带上部2#煤层的上分层采空区浮煤极易自然发火。

3)支架上部浮煤。回撤时采空区顶板虽然可以正常垮落，但支架上方与顶板接触处存在固定的漏风通道，再加上支架上方O2体积分数一般为15%～18%（易氧化区间），因此支架上方破碎煤比采空区浮煤更易氧化自燃。

4)工作面前方支承压力影响的进、回风顺槽松动圈。根据经验，工作面前方支承压力影响的范围为32 m，在此范围内进、回风顺槽松动圈发育，是回撤时容易忽视的防火点，恰好也是特别容易自然发火的点[5]。

5.2 回撤期间防火技术应用

1)选择合适的停采位置。在工作面进、回风顺槽局部压力较大，顶板比较破碎，松动圈发育，如果停采位置正好选择在这些地方，则顶板压力大，回撤困难，导致回撤时间长，使采空区内浮煤易氧化自燃。为此，将2-103工作面停采线选在顶板岩层比较稳定的地点，使支架尽快顺利撤完。

2)加强火灾预测预报。在回撤时采取的预测预报措施为：①人工在工作面上隅角及支架上部、回风流处取气样到地面化验，可通过O2体积分数论证采空区注氮实际效果。②瓦斯检查员在现场实时监测CO体积分数，并对支架上部浮煤温度和拉架后铁丝网上浮煤温度进行监测记录。③将20 mΦ50 mm的钢管内穿束管埋入采空区回风侧，以监测采空区早期发火预兆，当所监测CO体积分数低于支架上部时，证明支架上部存在高温区域；反之，则表明采空区内部存在高温区域。

3)回撤时工作面通风方式。因该工作面为低瓦斯工作面，停止割煤作业后瓦斯可控，为减少采空区漏风，缩小氧化带覆盖范围，将工作面风量由900 m3/min减至600 m3/min左右。

4)回撤时采空区氧化带与窒息带交界处最易氧化自燃，可采取注氮措施降低该区域的O2体积分数，因此回撤时利用采空区钻孔向采空区连续注N2，直至回撤作业结束。

5)防火线为采空区冷却带上部的老空氧化带，在采空区冷却带上部的氧化带，采空区钻孔注入的N2被漏风所带走，不易将其O2体积分数降到10%以下，这一带的浮煤特别容易氧化自燃，是回撤防火的难点。为此，建议向支架上方打高位钻孔注水，延长浮煤的自然发火期。

6)支架上方的浮煤由于停止回采作业后持续与空气接触，容易发生自然发火。工作面1—55号支架最先撤除，自然发火危险相对较小；75—86号支架上部及后部处于回风侧，是N2积聚的地方，O2体积分数低，自然发火危险也相对较小；自然发火危险最大的就是56—74号支架上部及后部浮煤，采空区注入的N2不容易到达此处。为此，在工作面回撤定位前10 m时，必须在55号支架后部埋入Φ50 mm的钢管，利用此管注氮，降低此处的O2体积分数。

6、结束语

通过对2-103孤岛工作面防火技术的研究，综合探讨了具体的防火技术应用的时机、有效性，对孤岛工作面的防火工作起到了指导作用，降低了矿井火灾发生的可能性，有效保证了矿井安全生产。

参考文献:

[1]张勋,路冰.采空区注氮条件下自燃危险区域变化及注氮极值研究[J].山西焦煤科技,2021,45(9):4-8.

[2]汤笑飞.安家岭露天矿小窑火区快速治理技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2015.

[3]贺桥顺,白宇.我国煤矿矿井防灭火技术研究[J].内蒙古煤炭科技,2020(15):65-66.

[4]秦波涛,仲晓星,王德明,等.煤自燃过程特性及防治技术研究进展[J].煤炭科学技术,2021,49(1):66-99.

[5]张磊,陈云,王冠赵.采煤工作面相邻采空区防灭火实践[J].内蒙古煤炭科技,2021(13):114-115.

文章来源:苑帅.孤岛工作面多作业环节防火技术应用研究[J].能源与节能,2023(10):158-160.