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张 喜
（中煤华昱元宝湾煤业有限公司，山西 朔州 036900）
山西朔州山阴金海洋元宝湾煤矿39105 工作面位于一水平一采区，工作面走向长度650 m，工作面宽度245 m，煤层平均倾角为7°，工作面内9 煤厚度8.5～14.5 m，平均11 m；
属全区可采的稳定煤层，煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，自燃倾向性为自燃。39105 工作面南部130 m 区域范围内上覆4 煤层有整合前无序开采巷采区、采空区，呈南高北底，东高西低，在工作面上覆6203 工作面采后裂隙与4 煤部分采空区沟通，4 号煤层采空区内存在遗煤氧化产生的一氧化碳等气体，现为有效治理上覆采空区内的有毒气体、防止本工作面采空区遗煤自燃，特进行防治方案研究。
根据现场实测资料可知，39105 工作面上覆4煤层老空区内的CH4、CO2、CO 浓度呈现向南逐步增大的趋势，甲烷最大浓度0.31%、二氧化碳最大浓度13.55 %、一氧化碳最大浓度7 608×10-6；
井田南部边界缠腰湾古空区内依次出现乙烷、乙烯、乙炔气体，且气体浓度呈增大趋势，乙烷最大浓度0.023 5 %、乙烯最大浓度0.000 9 %、乙炔最大浓度0.000 2%。钻孔内可明显观测到烟气向巷道空间溢出，钻孔内温度最大达到170℃以上。因此，39105 工作面在掘进和回采过程中将面临上覆邻近采空区高温及高浓度灾害气体的威胁，严重影响工作面安全回采。因此，本方案除采用增压通风技术防止有毒有害气体涌出之外，拟采用对上覆4 煤采空区注三相泡沫技术置换采空区内高温高浓度有毒有害气体，避免贯通上覆老空区时，气体大量涌出，涌入工作面；
此外还能避免上覆采空区内遗煤发生自燃以及熄灭可能存在的火区。
主要采取井下打钻灌注三相阻化泡沫灭火材料的方法对可能存在的火区进行治理，充分发挥三相阻化泡沫防灭火材料流量大、扩散性强、吸热降温效果好的特点，实现快速治理，具体方案如下：
1）均压通风：根据气象条件、CO2涌出量、工作面同时工作最多人数、瓦斯涌出量等分别对工作面风量进行计算[4]，最终确定39105 工作面应配风量为1 278 m3/min。
局部通风机全风压计算公式为：
式中：hv为风筒出口动压损失，经计算取0.811；
h为副斜井井口至39105 工作面通风阻力，取1 009Pa；
R为风筒的总阻力，经计算取0.920 4 N·s2/m8；
Q为风机吸风量，14.2 m3/min；
Hc为出口阻力，经计算为180 Pa；
基于上述数据能够计算得出局部通风机全风压Ht=1 571 Pa。
根据矿井当前闲置4 台FBD№8.0（2×75 kW）局部通风机，拟采用“两两并联”使用。现对其性能及效果进行预分析。4 台同型号同厂家的局部通风机，其曲线也相同。根据风压不变，对应相同风压的风量相加的原则，可以绘制出风机并联运行曲线。同理，可将均压的风压值看作1 台均压风机的风压，均压风量的50%看作为1 台均压风机的风量。
图1 FBD№8.0（2×75 kW）的通风机性能曲线图
由图1 可知，当1 台风机风量在850～980 m3/min（2 台风机并联风量1 700～1 960 m3/min）时，风压为5 300～1 800 Pa, 均大于计算结果1 571 Pa，满足要求。
根据39105 工作面特征，为确保工作面风量充足，设计工作面风机、风窗位置如图2。风机、风窗的具体布置如下：①在39105 主运顺槽口构筑1 道调节墙并安设调压风机4 台（2 用2 备）调压风机的出口通过与风机配套的铁风筒延伸至调节墙内侧；
②在39105 主运联巷构筑一组无压风门；
③在39105回风绕道口构筑2 道调压风门，调节风窗大小为1.5×2 m2，并放置足够量的窄调节板；
在调节墙外侧安置1 个“U”型水柱计，监测调节墙与回风绕道的压差；
④作业期间，所有风机应能实现双电源自动切换和三专两闭锁。
图2 均压通风系统示意图
2）钻孔灌注三相阻化泡沫：该钻孔主要为熄灭上部采空区及小窑火区而施工的钻孔。根据现场实际情况，依据火区的范围具体布置钻孔深度、角度及个数等[5-6]。
灭火钻孔主要是为了熄灭上部采空区及小窑火区而施工的钻孔。根据现场实际情况可在巷道内直接向上部采空区或小窑方向施工灭火钻孔，必要时可以做钻场实施灭火钻孔。钻孔个数和长度视火区范围而定。向上覆采空区及小窑火区施工钻孔时，根据实际情况布置探孔，探孔施工时应在不同深度测量孔内温度并检测气体指标，如发现温度和气体指标反常必须取气样进行多种指标气体分析，并补充探孔数量以确定火源点确切位置并将其扑灭。灭火钻孔主要沿工作面倾向布置，钻孔终孔位置施工至已探知或可能的火区。为充分发挥三相阻化泡沫的大流量灌注的特点，实施的钻孔全程下套管，且套管内径大于75 mm，在圈定的火区内施工三相阻化泡沫灌注钻孔时，一组钻孔一次灌注，一组钻孔内包含2～3 个钻孔，灌注示意图如图所示。
图3 钻孔治理火区示意图
为保障39105 工作面的安全回采，必须根据矿上实际情况制定针对性强的综合防灭火系统，即建立由注氮、灌浆、三相阻化泡沫共同组成的综合防灭火系统；
具体防灭火系统中各项防灭火措施的参数如下：
3.1 注氮防灭火
工作面采用KM-60/10 型移动式制氮机，注氮机注氮流量≥600 m3/h，出口压力0.5～1 MPa，制氮机纯度≥97%，功率185 kW；
制氮机安装在采区6 煤辅助运输巷的注氮硐室内。灌浆管路布置的作用：为三相阻化泡沫发生装置提供浆源。位于工作面主运顺槽敷设一趟型号为φ108 mm 的无缝钢管，将管路作为注氮的主要管路，并在主要管路上每间隔20 m 布置1 个三通和控制阀门，通过此方式能够对采空区内监测到的危险钻孔实现快速惰化[7-8]，以此达到有效控制火区发展的目的。
采空区内注氮管路布置采用迈步式埋管，即在主输顺槽内布置2 趟φ108 mm 的钢管，设置2 趟管路的压茬距离为30 m，随着工作面回采作业的进行，当一趟管路埋入采空区的深度达到150 m 时，此时即可开始进行注氮作业，当另一趟管路埋入采空区150 m 后，即可开启第二趟注氮管路，在工作面进一步推进30 m 后，此时即可停止第一趟管路的注氮作业。具体工作面注氮系统布置如图4 所示。
图4 39105 工作面注氮系统布置示意图
3.2 注浆防灭火系统
在辅运顺槽布置灌浆管路，敷设一趟型号为φ108 mm 的无缝钢管作为注浆主管路，主管路间隔20 m 左右分出三通和控制阀门，能够对监测到的危险钻孔实现快速灌注，控制火区发展；
采空区内采用迈步式埋管，分别埋设2 趟型号为φ108 mm 的钢管，管路压茬距30 m，当注浆出口进入采空区10 m时开始注浆，随工作面推进依次交替连接2 趟注浆管路，迈步式注浆，具体注浆系统布置如图5 所示。
图5 39105 工作面注浆系统图
3.3 三相阻化泡沫防灭火
三相阻化泡沫系统主要由制注浆（井下移动式注浆系统）、注氮系统和矿用三相阻化泡沫发生器组成，三相阻化泡沫灌注管路布置同注氮系统。
3.4 工作面回采期间防灭火技术
1）端头封堵：为减少工作面采空区漏风，上下端头自回采开始应每推采距离隔20～30 m 砌筑2 道挡风墙，挡风墙中间用封堵材料封堵压实。在跺袋隔墙外部设置挡风帘，挡风墙和挡风帘的施工方式如图6 所示。即：首先沿底板铺设风帘布，如图中（1 图）所示，而后在风帘布的一端上垒设黄泥袋子墙，之后将风帘紧贴袋子墙吊起（2 图），把风帘布的另一端利用铁丝挂设在巷道顶板的锚网上（3 图），这种方式施工的袋子墙具有更好的堵漏效果。同时还要加强监督管理，每班规定专人对挡风墙的质量和挡风帘的悬挂位置进行视察，如出现挡风墙上部不接顶等漏风现象立即组织人员堵漏。
2）埋管注氮:通过预埋管注氮，可以惰化采空区，置换氧气，降低浮煤氧化速度，稀释有害气体，同时可以提高工作面采空区压能来抑制上邻近层火区的有害气体，工作面主运顺槽采用迈步式埋管，灌注氮气，随采随灌。当工作面回采超过100 m 时，进风巷预埋管间距由20 m 改为30 m。当第一趟预埋管出口距工作面10 m 时，开始灌注氮气；
当工作面推进至距离第一趟管路出口30 m 处，开始预埋第二趟管路，当工作面距第二趟管路出口10 m 时，第二趟管路开始灌注，第一趟管路停止灌注；
以此类推交替进行。预埋管路的端口采用铁丝网罩好，并用坚固的护栏(或石墙)保护，防止煤岩、泥水等进入管孔内，堵住管路出口，如图7 所示。
图6 跺袋墙施工方式示意图（沿工作面走向垂直剖面）
图7 工作面回采期间注氮防灭火示意图
3）注浆。由于39105 工作面为俯采工作面，不利于工作面灌浆，故采用工作面封闭后灌浆，或在工作面有自然发火征兆时灌浆。灌浆工作是与回采工作紧密配合进行。设计灌浆为三班灌浆，每天灌浆时间为10 h，若矿井自燃发火严重，且所需灌浆的工作面较多，宜采用四班灌浆，每天灌浆时间为15 h。灌浆时应时刻观察注浆效果，并适时调整灌浆量，以防发生事故。
39105 工作面回采期间，采用束管监测系统进行工作面采空区内指标气体的监测分析，根据监测结果能够得出采空区进风侧或回风侧CO 和O2浓度的变化曲线如图6 所示。
图6 采空区进风和回风侧CO 和O2 浓度曲线图
分析图6 可知，工作面采用有毒气体防治方案及采空区防灭火方案后，采空区内的CO 浓度始终处于较低的水平，监测期间，在最大埋深120 m 的深度内，采空区内的CO 最大浓度最大不超过80×10-6且氧气浓度也处于正常状态。另外，在工作面回采期间，根据现场观测结果可知，回采期间采空区无遗煤自燃现象出现。
根据39105 工作面的赋存特征，基于9 号煤层自燃特征及上覆采空区内有毒气体赋存情况，设计采用均压通风+ 钻孔灌注三相阻化泡沫灭火方案治理上覆采空区有毒气体，采用注浆+注氮+高倍阻化泡沫进行采空区防灭火，根据工作面回采期间采空区内气体的监测结果可知，有毒气体防治及采空区防灭火方案实施效果显著，有效保障了采空区的安全。
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