513外段大采深、强冲击、极慢推进度综采放顶煤工作面防灭火技术

513外段大采深、强冲击、极慢推进度综采放顶煤工作面防灭火技术
发布时间：2023-02-01T08:05:02.424Z 来源：《工程管理前沿》2022年第18期作者：刘双海李维军徐振湖
[导读] 通过对513外段综采工作面开采期间影响煤炭自燃发火条件因素分析，
刘双海李维军徐振湖
吉林省龙家堡矿业有限责任公司130504
摘要：通过对513外段综采工作面开采期间影响煤炭自燃发火条件因素分析，采取加大采空区注氮流量、加强工作面上、下隅角封堵、合理配风等措施减少采空区漏风量，提高采空区惰化效果；工作面上、下顺槽顶板采取超前施工防火钻孔注水、注黄泥浆措施；回撤期间工作面采空区侧采取全长喷水泥砂浆封堵、施工高位注浆钻孔等一系列措施，为成功防治大采深、强冲击、极慢推进度综采放顶煤工作面煤炭自燃发火提供参考与借鉴。

关键词：强冲击、极慢推进度、采空区、注氮流量、供风量、注浆钻孔
龙家堡矿业公司（以下简称龙家堡煤矿）隶属于吉林省能源投资集团、辽源矿业集团公司，2009年7月正式投产，设计能力300万吨/年。

按照冲击地压防治要求，2020年8月矿井生产能力核减为200万吨/年。

井田面积16.5979平方公里，截止2021年末，剩余地质保有资源储量1.6亿吨、可采储量1.05亿吨，现开采深度为-1050m。

矿井为高瓦斯矿井，煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃。

513外段工作面位于矿井五采区-950～-1010水平，为Ⅱ、Ⅲ合采的原始煤层，煤层平均厚度13.4m，走向长530m，工作面长 182m，工作面倾角平均 15°，地质储量223.8万吨，可采储量187.4万吨。

工作面煤层原始地温30～32℃，工作面回采期间的冲击地压危险等级为强冲击危险。

513外段工作面于2019年5月14日贯通并开始安装，2019年6月9日龙家堡煤矿305回采工作面发生冲击地压事故，矿井停产，工作面封闭。

2020年2月513外段工作面启封恢复安装作业，2020年8月12日正式回采，2022年3月6日停止推进，历时572天，推进475m，平均日推进
0.8m、平均月推进23.9m，采出煤炭128万吨。

1.513外段工作面开采期间面临的防灭火问题
1.1 该工作面掘进期间上、下顺槽主要采取打钻注水泥和玻璃水等措施进行防火，顺槽局部一氧化碳最高浓度达0.1%。

工作面贯通到正常开采，历时466天，部分煤炭已经充分供氧氧化，工作面贯通后11号支架处局部一氧化碳达0.02%，存在发火危险。

1.2 为加强两顺槽支护强度减少煤层冲击危险，回采前在工作面两顺槽增加施工每2m一组的恒阻锚索，孔深13.3m，通过钻孔向煤层供氧，为顶板煤炭氧化创造了条件。

1.3 上、下顺槽掘进期间，随施工进度距工作面不超过5m范围内，在上顺槽下帮侧、下顺槽两侧垂直巷道前进方向每隔0.5m施工一组缷压钻孔，孔径153mm、孔深20m，回采前在上、下顺槽又重新施工缷压钻孔，孔深增加到30m，钻孔施工完毕后在孔口进行了封堵，封都段距巷帮不超过0.5m，无法保证钻孔与巷道有效隔绝，使巷道两侧煤体供氧氧化。

1.4 工作面开采前，分别在工作面、上、下顺槽进行全采场切缝卸压和深孔断顶爆破，进一步造成两道顶煤破碎，超前氧化，加大了自然发火危险性。

1.4.1 开切眼预裂切缝卸压
爆破施工位于开切眼煤帮侧U型钢棚上铁卡顶板处，偏向煤帮方向，与铅垂线夹角为5°，布置一排预裂切缝炮孔，切缝孔间距为
500mm，钻孔深度设计为20m。

工作面切眼预裂爆破示意图如图所示。

513工作面切眼预裂爆破断面图
1.4.2 两顺槽预裂切缝卸压措施
运输顺槽顶板爆破施工位于其上帮侧U型钢棚上铁卡处，偏向上帮方向，与铅垂线夹角为10°，切缝孔间距为500mm，切顶钻孔深度设计为18m，。

回风顺槽顶板爆破施工位于其下帮侧U型钢棚上铁卡处，偏向下帮方向，与铅垂线夹角为10°，切缝孔间距为500mm，切顶钻孔深度设计为18m。

1.4.3 在上、下顺槽顶板每24m开展一组深孔断顶爆破，每组5钻，间距8m，孔径153mm、孔深50-60m，第8m、16m处各1钻，第24m处3钻，每孔装药量60-90kg，大量炸药爆破后产生高温被封闭在上部煤岩体中，加速煤炭氧化。

1.5 工作面开采期间采取了“限制工作面推进度、限制工作面采放高度、限制进入危险区域人员”的三限措施，最低时每天推进度控制在一个循环，推进度不大于0.8m，经统计513外段工作面正常回采至开采结束，平均月推进23.9m，最低时月进度14m，创下了龙家堡煤矿投产以来工作面最慢推进记录，给防灭火工作带来极大困难。

1.6 工作面回采前，在上、下顺槽超前200m范围内共安装了70盘抬棚吸能液压支架和70盘圆弧顶梁吸能液压支架。

随工作面推进这些支架需要依次回撤至200m以外位置并重新安装，增加了回采期间检修工作量，由于施工区域实行限员管理，作业人员不足，极大影响了工作面正常推进，间接增加了工作面防火难度。

2. 开采过程中采取的防灭火方法及措施
由于防治冲击地压需要新增加了恒阻锚索、切缝、深孔预裂、两帮钻孔等支护及卸压措施，煤体破坏，供氧氧化，极大增加了513工作面防灭火工作难度，使工作面防灭火工作面临前所未有严峻形势，为有效做好该工作面防灭火工作，确保工作面顺利开采，我们在巩固用好采空区注氮气、注浆等传统防灭火方法的基础上通过不断分析总结，进一步采取加强下隅角封堵、设置风帐等措施减少采空区漏风，同时不断研究创新了顶板钻孔注浆、注重氮等新方法，使工作面发火隐患始终处于可控状态，消灭了煤层自燃发火，保证了工作面顺利开采。

2.1 回采前对上、下顺槽顶板局部破碎地点打钻注水泥浆和水玻璃进行固化封堵，防止煤炭继续氧化发火，彻底根除了上、下顺槽发火隐患，从而得以在回采期间把防灭火重点和全部力量投入到工作面及采空区防灭火上来。

2.2 增加工作面注入惰性气体流量，提高采空区惰化效果。

全矿共有4台地面制氮机组，总装机容量5000m3/h，实际效率50-60%，原开采期间地面开2台制氮机组，工作面注氮量在1000-1600m3/h左右，513外段工作面由于推进缓慢，回采期中后期，4台制氮机全部投入运行，注氮量2700-3200m3/h。

通过实际观察，对下顺槽注氮步距、同时注氮管路数量进行调整，将注氮步距由原来的20m调整为10m，同时注氮管路至少保证3趟，当远端注氮管路达40m时停止继续注氮，同时新埋入一趟管路，近端注氮管路达到10m开始注氮，如此交替进行，采用此种方式注氮步距能尽可能使氮气在工作面均匀分布，工作面架后、上、下隅角处氧气均能维持在低氧状态。

另外，增加了采空区灌注二氧化碳防火措施，开采初期，每旬灌注一次液态二氧化碳，每次12吨，开采中、后期在工作面一氧化碳隐患增加趋势明显时，对采空区灌注液态二氧化碳进行防火。

2.3 加强封堵，减少采空区漏风
2.3.1 工作面下隅角挡风帘，减少采空区漏风。

随工作面推进在下隅角挡风帘，风帘由原来的一道增加为两道，分别在煤帮溜子头和砂帮溜子头里侧各挡一道风帘，砂帮侧风帘由运输顺槽下帮，跨溜子后，挡到1或2号支架处，长度6m，外侧风帘下端由运输顺槽下帮，跨溜子后，挡到5或6号支架处，长度12m，加设风帘提前改变了运输顺槽里侧风向，避免进风直接吹到砂帮处再改向，尽量减少进入采空区的风量。

2.3.2 加强上、下隅角回落管理，减少采空区漏风。

工作面每推进一循环上、下隅角不能自然冒落严密时，用丝袋子装煤垒砌成隔墙进行人为封堵。

2.4 巷道超前防火。

针对上、下顺槽切缝可能造成煤炭氧化发火隐患，采取在上、下顺槽随工作面推进超前20m范围内向巷道顶板施工防火钻，孔深以穿过煤层为准，孔间距5m，向孔内注水和黄泥浆，对切缝区域进行防火处理，防止上、下顺槽顶板已经提前氧化的煤炭未经处理就进入采空区。

2.5 工作面每天推进一条帮，进度不超过0.8m，不考虑顶板破碎，超前抽冒形成裂隙供氧等特殊情况，工作面处于原始封闭隔绝状态的煤炭由揭露开始供氧氧化到移架后自然冒落，跨度约8.3m，时间约10天左右，煤炭揭露初期原始温度34℃，通过检测统计，在未经防火处理情况下，煤炭进入采空区前随着供氧氧化逐渐升温，最高温度达到40℃，如不采取防火措施，冒落煤炭进入窒息带前，必然加速升温
氧化，造成煤炭自燃发火。

为此，初期利用风煤钻在架间向采空区方向施工消火钻，由于架间空间狭窄，施工条件受限，造成钻孔浅，一般为3-4m，终孔高度为支架上2-3m，经实际检验防火效果差，开采期间工作面局部一氧化碳浓度最高曾达1000ppm。

后来利用气动锚索钻机，沿工作面每10个支架打一钻，孔深8-10m，终孔位置超过煤层顶板为止，下插管封孔后进行注水、灌黄泥浆，对工作面顶板煤炭提前注水、灌黄泥进行防火。

工作面共123盘支架，一班以打钻注水为主，小班平均4钻，二班以注水、灌黄泥为主，约3-4天一个循环，第一循环从5号架间开始施工，到115号完毕，第二循环从10号架子开始施工，到120号完毕，通过对工作面顶板煤层超前注水、灌黄泥浆，使工作面上方煤炭在落入采空区前进行充分湿润、降温，并用黄泥浆包裹减少供氧，延缓了煤炭的氧化发火进程。

回采期间工作面顶板防火钻孔注水、灌浆图
2.6 风道施工高位钻孔，注水、注黄泥。

在上顺槽工作面往外20m位置，定期利用ZDY3200钻机施工高位钻孔，孔深40-60m，终孔高度位于工作面支架上方15-30m，控制范围从工作面110号到80号支架范围，通过钻孔向采空区注水、灌黄泥浆进行防火。

2.7 及时调整工作面风量。

在满足有害气体防治、人员需求及风速、温度等条件下尽量减少工作面供风量，提高采空区注氮防火效果。

513外段工作面由于开采强度受限，瓦斯涌出量约3—5m3/min，温度是决定工作面供风量大小重要指标，根据工作面温度变化，及时调整降低工作面配风量，从而减少工作面向采空区进风，秋冬季减少风量、春夏增加风量，尽最大可能提高采空区惰化效果。

尤其是临近结束期间，工作面供风量从最高时的1400m3/min减少到700m3/min。

3. 回撤期间防火
2022年3月6日工作面回采结束，至9月 26日回撤结束封闭，期间继续增加了工作面钻孔注水、灌黄泥、减风等措施。

3.1 工作面停止推进后，除原有钻孔外，在工作面全长从13号至103号每10个支架利用ZDY3200全液压钻面向采空区顶板施工长距离注
浆钻孔，倾角40-51°，孔深17-24m，终孔进入采空区6-10m，对采空区进行注浆防火。

3.2 停止推进后，工作面初期配风量减少到530m3/min，后期减少至430m3/min，3月28日在下顺槽工作面往外10m进行封闭后，工作面采用局扇供风，风量减少至320m3/min。

工作面形成局部通风机供风的正压通风方式，提高工作面风压，减少采空区气体向外流动，提高采空区惰化效果。

3.3 工作面停止推进后，对工作面上、下隅角及采空区侧全长喷水泥砂浆，对采空区进一步封闭，减少采空区漏风。

4. 回采及回撤期间工作面一氧化碳和氧气浓度情况
工作面开始安装至开采结束，架间局部一氧化碳检测值0-1800ppm，开采初期一氧化碳浓度基本稳定在200ppm左右，最大值发生在2020年11月，主要原因是地面制氮机房至井筒一段埋藏在地表以下的输氮管路损坏泄漏，造成井下采空区注氮流量不足1500m3/h，时间近半个月，工作面煤炭氧化加剧，一氧化碳浓度持续增高，经对注氮管路进行抢修恢复正常注氮流量后，工作面一氧化碳情况也逐步恢复正常。

工作面结束回撤前（3月份）18、23、45、75、92号综采支架顶板局部氧气浓度分布图
工作面结束回撤前（3月份）18、23、45、75、92号综采支架顶板局部一氧化碳浓度分布图
5.取得效果分析
5.1 513外段采煤工作面开采上下限在-870～-990m之间，开采深度为1073.3～1215.8m，月平均推进度23.9m，在正常开采条件下，这种大采深、极慢推进度在全国少有。

回采期间局部一氧化碳出现过增大现象，但通过及时采取措施，使隐患得到治理，工作面发火隐患始终在可控范围内，特别是在工作面开采中后期发火隐患逐步稳定下降，工作面未出现险情。

5.2 在传统防灭火方式方法上又有了新的应用和创新
5.2.1 分别采用了区内近距离、上水平远距离灌注液态二氧化碳与注氮相结合方式进行防火，提高采空区惰性气体密度，减少采空区下部及区内惰性气体扩散流失，提高防火效果，满足了特殊时段工作面防火需要。

5.2.2 注氮方法创新，通过合理调整埋入采空区注氮管路释放口位置，改变了沿工作面的漏风方向，使采空区窒息带外移，极大缩减了工作面冷却带和氧化带宽度，为有效防治采空区发火创造了有利条件。

5.2.3 首次采用随工作面推进向顶板垂直施工钻孔，超前对煤休进行注水、注黄泥浆进行防火，既防治了煤炭自燃发火，同时也降低了开采期间煤尘飞扬。

5.2.4 工作面开采结束后，对采空区一侧全长喷砂浆封闭及利用液压钻机向采空区施工长距离深钻孔进行注浆防火方法也是矿井开采以来首次应用。

5.3 加大防火安全投入。

工作面回采期间共施工防火钻孔1716个，注黄土4460m3，注氮气143万m3、注液态二氧化碳120吨，注水泥吨112吨、水玻璃56吨，上述物资、材料的有效投入，为有效预防煤炭自然发火奠定了基础。

6. 存在问题
6.1 工作面实施大流量注氮防火时，造成工作面上、下隅角氧气浓度低，影响作业安全。

6.2 受地温高影响，工作面风量需经常保持在1000m3/min以上，否则工作面温度高，人员作业条件受到影响，制约了工作面减风降压措施实施。

6.3 工作面实施生产班不超过16人，检修班不超过40人的限员管理，使防灭火人员投入受限，一定程度上影响了防灭火工作开展。

6.4 工作面防冲支架撤除、安设时，由于工序复杂、设备重、撤除、运输条件受限，所需时间、人力投入大，影响工作面快速推进，对防火工作增加了困难。

7. 今后需要完善方面
7.1 在确保冲击地压防治有效情况下进一步优化工作面两顺槽防冲支护，从而减少不必要的资金、人力投入，提高工作面推进速度，为防灭火创造有利条件。

7.2 大力推行智能化开采，优化开采工艺，减少工作面开采所需人员，从而为增加防灭人力投入创造条件。

7.3 购进能适用于在工作面施工的小型液压钻机，解决工作面开采期间大型液压钻机无法在工作面施工以及现有锚索钻机施工深孔能力不足问题。

7.4 对工作面实施机械降温措施，从而在温度允许范围内进一步减少工作面供风量，降低工作面两端压差、减少采空区漏风。

7.5 针对采空区大流量注氮期间工作面上、下隅角处氧气浓度不足现象，采取加强检查、控制人员进入和增加局部供风等措施防止出现危及人员安全现象发生。

7.6 推广新材料新技术应用，采用煤装袋垒砌成墙对上、下隅角封堵，并对袋墙注水泥提高封堵效果，投入人力多、耗时长，如能购进快速封堵的新型材料，可节省人力和时间并提高封堵防火效果。

参考文献：
[1]陈晓坤张华成翟小伟等注氮对采空区氧气分布影响的数值模拟煤矿安全（2014-11）作者简介：刘双海（1970 - ），男，吉林辽源人，高级工程师，1992年毕业于辽源煤炭工业学校，现任吉林省龙家堡矿业有限责任公司副经理，主要从事煤矿安全及“一通三防”管理。

李维军（1978 - ），男，吉林通化人，工程师，2001年毕业于辽源煤炭工业学校，现任吉林省龙家堡矿业有限责任公司经理，主要从事矿井煤炭开采管理工作。

徐振湖1973年8出生，函授毕业2013年7月，辽宁工程技术大学。