东山煤矿 黑龙江 鸡西 158100
【摘 要】通过对某矿4#煤层自燃发火倾向性的分析，指出整合前小矿采后遗留在4#煤层底板的大量浮煤是煤层容易自燃的主要原因。分析了4#煤层底板地势条件对喷射覆盖材料的影响，及高分子聚合物的应用。论述了各种覆盖材料的优缺点，表明混有一定浓度凝胶的黄泥浆与氮气配合使用较为经济，且效果较好。论述了矿井通风系统与4#煤层漏风的关系，并指出减少4#煤层漏风的方法。通过对地面及井下打钻方法的对比，指出某矿各地点打钻方式的选择。
【关键词】煤层自燃倾向性；浮煤；高分子聚合物；黄泥浆；钻孔方式
采煤工作面过老空巷方法较多，应根据工作面及相应的地质情况选择适当的过空巷方法。某矿由于历史原因老空巷道较多，根据过空巷的经验积累，一般采用工作面调斜的方法过空巷，以减少老空巷道的空顶面积。由于调斜，工作面的方位发生变化，相应的超前压力也发生了变化；工作面及两巷的压力重新分布，致使原先两巷的某些地点局部受力过大，容易造成巷道顶板下沉量加大及冒落危险。
1 综采工作面过老空巷的方法
1.1 综采工作面及老巷概述
工作面采用综合机械化低位放顶采煤工艺，全部垮落法管理采空区，工作面坡度0-4°，运输顺槽、回风顺槽均为矩形断面，工作面顺槽长度2028m，工作面长200m。
采煤工作面回采11#煤层，11#煤层赋存于太原组中下部，位于太原组下部。上距10#号煤层底9.10-11.20m，平均10.20m，煤层厚5.23-7.77m，平均6.53m，属全区稳定可采煤层。结构复杂，含夹矸2-4层，夹矸厚度一般0.20 m，岩性为泥岩。顶板为泥灰岩，底板为砂质泥岩。
工作面内有5条旧巷贯穿工作面，全部为相邻煤矿越界巷道，且与工作面上下顺槽基本垂直。由工作面向外依次将此五条巷道编号为5#、4#、3#、2#、1#老巷。其中以2#、3#老巷相聚较近，仅12m，且压力显现较为明显。
2#老巷巷道宽度在3m，高度在3.5m左右，巷道支护方式采用“锚杆+木板”，一排支护3根锚杆，排距为1.5m左右，两帮基本没有封帮，在帮壁较破碎处采用了金属网与锚杆的联合支护，2#老巷靠近回风顺槽侧顶板压力大，局部顶板已冒落。
3#老巷靠近回风顺槽侧，顶板压力较大，掘进时已用49架梯形棚支护，棚距为1m。由于工字钢棚压力显现较大，贯通旧巷后在工字钢棚下架设了11个木垛维护顶板，此巷道宽度在5m，高度在4m左右，顶板稳定处采取的支护方式为“木板+锚杆+金属网”的支护方式，且两帮也采用“锚杆+金属网”的支护方式，排距为1.5m左右。
1.2 综采工作面调斜过2#、3#老巷及注意事项
由于3#老巷与2#老巷相距较近，仅为12m，这一段地点应力较为集中；3#老巷、2#老巷靠近相邻煤矿一侧，与相邻煤矿采空区距离仅为30m；且过完3#老巷，再过2#老巷过程中可能会遇到周期来压等原因，使得过2#、3#老巷这段距离内压力较大，应力分布较为混乱，不均匀，给工作面过老巷造成了困难。
为了使工作面顺利过老空巷，经过相应的技术分析决定，采用工作面调斜过3#、2#老巷，以减小空顶面积，防止工作面前方因空顶面积过大而出现冒落。调采过程中采煤工作面上下顺槽按比例进行推进，使上顺槽超前下顺槽一定距离，保证老空巷暴露长度在5-10台架子之间。且采煤机必须在调采过程中割通刀，以防止支架出现咬架、运输机机头下窜等现象。
工作面首先过3#老巷，上顺槽超前下顺槽5m，3#老巷上顺槽侧靠近相邻煤矿，压力显现较大，预先架设了木堆积维护。在采机经过这段时候，工作面超前拉支架，护帮板配合使用。特别需要注意的是这段顶板比较破碎，这就需要拉支架人员在拉支架降柱过程中，保证合理的降柱距离并迅速拉架到位，这过程如果动作较慢，或是护帮板升起不及时极容易出现工作面前方顶板冒落事故。
工作面过2#老巷时，由于2#老巷压力较大，顶板整体下沉。为了迅速控制2#老巷顶板，降低了工作面支架的高度，减小了支架前后柱的行程。由于支架支柱行程减少，支柱的工作阻力也相应的减小，且工作面顶板大面积来压，造成了工作面中间10部架子支柱行程不到400mm，使工作面迅速过2#老巷耽误了许多时间。由于过空巷的时间延长，工作面前方应急集中，造成了顶板下沉量的继续加大。所以在工作面调斜过老巷时还应保证工作面支架有足够的初撑力，降低支架高度应根据压力保证合理的行程。
2 工作面调斜过老巷压力分布情况
2.1 工作面未调斜前超前压力分布情况
超前压力（曾称移动支承压力）是指采煤工作面前方形成的支承压力，它随着工作面的推进而不断向前移动。超前压力作用工作面前方的时间一般与工作面推进速度有关，峰值一般形成在工作面推进一段距离，采空区冒落的矸石由松散进入压实状态，其大小为煤岩自重的2-4倍，峰值一般深入煤体内部2-10m，放顶煤可能更远，影响范围一般在90-100m。
侧支承压力指回采空区及巷道一侧或两侧多的支承压力，其峰值一般为回采工作面的2-3倍。
具体如图1所示。
从图1中可以看出，高分子聚合物从钻孔中流出后将向地势较低的范围内流动，由于其随浓度的变化，凝结时间有一定限制的原因，限制了其流动距离，从而与地势较高的地点圈定了一个范围。随着流量的增加，其高分子聚合物将形成堆叠，如同砌体的结构，且其强度很高，遇高温的稳定性较好。关于高分子聚合物方面的防灭火中国矿大徐州校区的人员正在进行相关的研究。
利用高分子聚合物将4#煤层分成若干个小的区域，每个小区域由高分子聚合物和较高地势的区域组成类似盆形的封闭区。然后在打钻孔注射覆盖材料，可使覆盖材料很好的覆盖圈定区域内的浮煤表面，而不受地势限制。
2.2 工作面调斜后超前压力重新分布及影响地点的超前维护
现有预防自燃发火的覆盖材料主要有凝胶、阻化剂、浆体、及三相泡沫。前三种在注入覆盖材料的同时，一般还配合氮气一并注入。相对来说注入凝胶效果是最好的，但由于其流量小，价格昂贵，大量喷洒覆盖地点一般情况不使用；阻化剂只是延长煤的自燃发火期，一般配合其它覆盖材料使用；浆体由于其渗流较小，停止注浆后风流会很快渗透进去，容易引起复燃，并人为制造了隐蔽性。
三相泡沫是一种新兴的预防煤层自燃的覆盖材料，其基本由气相、液相和固相物质组成[4]。气相一般使用惰性气体，氮气较为常用，液固相一般由黄泥浆或是粉煤灰浆体组成，加入适当的发泡剂，使黄泥浆等疏水性加强，很好的附着在泡沫上，通过动力装置使泡沫表面携带大量的黄土喷洒到浮煤表面起到灭火作用。但是在现场实际应用发现，由于动力装置设计的落后，制约了三相泡沫在现场的实际应用，发泡装置所形成的泡沫并没有达到理想的效果，制造出的泡沫很少，与设计差距较大。
笔者认为利用黄泥浆（粉煤灰浆）搅拌过程中适当加入一定浓度的凝胶，且与氮气配合使用是一种较为实用的方法。黄泥浆（粉煤灰浆）注入凝胶，凝胶分子渗入到黄泥浆（粉煤灰浆）颗粒内部，使其彼此粘结，可减少风的渗透作用，增加黄泥浆（粉煤灰浆）喷射厚度可以增加风渗透到浮煤内部的阻力，进而整体达到覆盖浮煤预防自燃的目的。虽然注入凝胶会降低黄泥浆（粉煤灰浆）的喷射流量，但由于凝胶的浓度不是很高，黄泥浆（粉煤灰浆）的流量的减少量很小，且黄土和粉煤灰取材广泛，价格低廉，适用于大面积煤层自燃预防。
2.3 4#煤层浮煤自燃发火预防的综合方法
某矿预防4#煤层自燃首先应减少4#煤层漏风量，从而减少煤层自燃的供氧量。某矿通风系统与4#煤层漏风量大致可看成图2所示。
由图2可以知道，矿井通风系统与4#煤层漏风情况大致可以看成并联系统[5]。根据并联通风系统原理可知，当总风量不变的情况下要减少4#煤层的所流经的风量，需要减小矿井通风系统的总风阻，使矿井通风系统的风量增多，以减少4#煤层的漏风量。所以某矿应首先优化矿井通风系统，来减少总阻力。
减少备用巷道或备用面的闲置时间，以缓解开采9#煤层产生的裂隙对4#煤层自燃的影响，从而减少自燃氧化的时间；同时加强对4#煤层漏风地点的检查，发现有漏风地点及时封堵，通过减少负压来减少4#煤层的供氧量，供氧量得到相应的控制，自燃的范围就得到了相应的控制。
在上述常规方法的基础上对4#煤层有计划的进行分块，并利用混有一定浓度凝胶的黄泥浆（粉煤灰将）配合氮气对分块地点浮煤进行覆盖，使浮煤与外界隔绝，从而减少煤层的自燃。
在打钻选择方面来看，与从井下打钻相比，地面打钻对覆盖浮煤的效果相对较好。因为从地面注浆，浆体利用自身重力在管体内滑动，浆体混合相对较为均匀、不分层，且喷射到空间中呈伞形分布，覆盖较为均匀。而从井下打钻，注浆时浆体容易分层堵塞管体，且向空间喷洒面积小，覆盖不均匀。但从整体经济效益来看，对9#煤层已经进行掘进的巷道，从9#煤层底板打钻进行喷射覆盖材料，虽然效果比从地面打钻效果差一些，但可以通过多打钻孔来弥补其缺点，整体经济效益较高。而对9#煤层没有采动的地点可采用地面打钻注浆。所以对4#煤层打钻根据采动情况选择。
3 结论
1）通过对4#煤层自燃倾向性分析可知，4#煤层较为容易自燃的是原先小矿采动后遗留在底板的浮煤。
2）某矿预防4#煤层自燃发火，喷洒覆盖材料主要受地势影响。
3）通过钻孔注入高分子聚合物，控制其流动距离可解决地势对覆盖材料的影响。
4）通过分析各种覆盖材料的优缺点可知，某矿4#煤层喷洒含有一定浓度凝胶的黄泥浆（粉煤灰浆）与氮气配合使用，对预防4#煤层自燃较为实用。
5）某矿通风系统与4#煤层漏风可简单看成是并联通风系统，并应用并联通风系统原理指出减少4#煤层漏风的方法，以减少煤层自燃供氧量。
6）减小备用巷道及备用工作面的闲置时间，可以缓解开采9#煤层产生的裂隙对4#煤层自燃的影响，从而减少自燃氧化的时间。
7）加强对漏风地点的封堵工作，可通过减少负压来减少4#煤层的供氧量，进而控制煤层氧化的范围。
8）通过地面打钻与井下打钻对比指出，地面打钻对预防4#煤层自燃效果较好；但对9#煤层已经开采的巷道而言，可通过多打钻孔来弥补其缺点，且整体经济效益较高。
参考文献
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[3]王衍生，尹经梅，董日喜.浅谈中厚煤层综放工作面煤层自燃的防治[J]. 矿业安全与环保，2002（29）:43.
[4]陈足章，赵庆民.“三相泡沫”在矿井防灭火中的应用[J]. 煤矿现代化，2010（3）:26.
[5]吴超.矿井通风与空气调节[M].长沙:中南大学出版社，2008.
【作者简介】张成东（1966-），男，黑龙江鸡西人，工程师，现为东山煤矿员工，从事矿山安全工作。
论文作者:张成东
论文发表刊物:《低碳地产》2016年9月第18期
论文发表时间:2016/11/18
标签：煤层论文; 工作面论文; 顶板论文; 巷道论文; 泥浆论文; 压力论文; 灰浆论文; 《低碳地产》2016年9月第18期论文;