工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法

本发明属于隧道工程爆破施工技术领域，具体涉及一种工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法。

背景技术：

煤炭工业是我国重要的基础产业，是关系国民经济安全的重要行业和关键领域。随着开采技术与开采设备的发展，建设特大型高效矿井已成为我国煤炭工业发展的方向。但随着浅部资源的枯竭和深部资源的延伸，其开采环境日趋复杂(煤层埋藏深，围岩温度高，高溶水等)，致灾因素也越来越多样化，叠加化，复杂化，给深部矿井采空区遗煤防灭火工作带来新的挑战，严重制约着现代矿井的安全发展与生产。众所周知，煤层自燃灾害是矿井的主要灾害之一，不仅会造成大量煤炭资源损失，而且会产生大量有毒有害气体(co、ch4、so2、h2s等)，严重威胁井下工作人员的生命安全。由于我国综采放顶煤技术的推广，在提高煤炭产量的同时，但由于技术工艺的缺点导致两道顶煤不回采，放顶煤的回采率仅能达到70％～80％左右，导致采空区两道、采空区内存有大量的遗煤，且遗煤破碎严重呈自然堆积状态，加之，工作面末采期间回采速度慢且支架撤架周期长，各因素相互叠加导致煤自然发火的概率性极高。

根据我国1998年7月1日施行《煤矿注浆防灭火技术规范》要求，目前现代化大型矿井的制浆量、注浆量、注浆区域远远不能达到现行注浆防灭火技术规范要求，且忽视了现代新型材料(胶体、液态co2等)防灭火效果，因此针对现有综放工作面回撤期间的超长时间防灭火工作，需要从新的工艺，新的治理思路，新的体系预防煤自燃。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其通过在末采阶段采用隔离墙、注浆和注胶相结合的技术手段，惰化和封堵采空区的遗煤，不仅能够对进风巷和回风巷的遗煤进行惰化降温，同时还能够保证采空区的惰氧状态，进而能够起到延长煤自然发火周期的目的，为工作面液压支架的安全回撤赢得的时间，同时也保障了撤架期间人员、财产安全，可供类似煤矿借鉴使用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、施工准备：在末采前，根据采空区自燃三带划分标准对末采-停撤期间的煤层划分出末采阶段防灭火的隔离墙构筑区域、注浆区域和注氮区域，同时根据隔离墙构筑区域，在进风巷和回风巷需要构筑隔离墙的位置处挂牌标记；

步骤二、注浆管路和注氮管路的预设：在进风巷和回风巷由采煤工作面向设计停采线处均预埋注浆管和注氮管，同时根据注浆区域在注浆管上设置多个注浆口，根据注氮区域在注氮管上设置多个注氮口；

步骤三、采空区气体监测束管的预设：在进风巷和回风巷由当前采煤工作面所处位置向设计停采线均设置多路监测束管；

步骤四、末采前隔离墙封堵：末采前，在挂牌标记的位置采用折叠式建墙方式构筑第一道隔离墙，并对隔离墙进行钻孔注胶；

步骤五、采煤工作面推进至停采线过程中遗煤封堵惰化：在进入末采阶段后，遗煤封堵惰化的具体过程如下：

步骤501、在采煤工作面推进的过程中，通过监测束管对采空区内煤自燃产生的气体类型和co浓度进行监测，当采空区内煤自燃产生的co浓度大于煤矿安全规程规定的安全值或采空区内出现乙烯气体时，通过采空区上隅角和下隅角布置的错位钻孔对采空区的遗煤进行注胶体作业，并采用注氮管向采空区注氮；

或者当采煤工作面每向前推进达到第一设定距离后，在采空区的上隅角和下隅角布置错位钻孔，并通过错位钻孔对采空区的遗煤进行注胶体作业；其中，第一设定距离为5m～10m；

步骤502、采煤工作面继续向前推进，当采煤工作面每向前推进达到第二设定距离后，向采空区压注一次液态co2；其中，第二设定距离为20m～30m；

其中，在采煤工作面推进的过程中，通过注浆管上设置的多个注浆口向采空区注浆，通过注氮管上设置的多个注氮口向采空区注氮；并在挂牌标记的隔离墙构筑位置构筑中间的隔离墙；

步骤六、停采后隔离墙封堵及液压支架后部遗煤惰化：当完成末采后，即采煤工作面推进至设计停采线处时，采用折叠式建墙方式在设计停采线两侧的进风巷和回风巷分别构筑隔离墙，其中，隔离墙为两道，两道隔离墙之间沿进风巷和回风巷的长度方向的间距为5m；

同时，在液压支架的间隙施工高位钻孔、中位钻孔和低位钻孔，并通过高位钻孔、中位钻孔和低位钻孔对采空区的遗煤进行注胶，实现对液压支架后部采空区遗煤的惰化和对采空区的堵漏风；

步骤七、支架回撤：在采煤工作面液压支架回撤过程中，液压支架每撤5架至10架，采用注胶管向液压支架的撤离区域注胶。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤一中的隔离墙构筑区域包括位于设计停采线后方90m、70m、50m、30m、10m和5m处的进风巷和回风巷，所述注浆区域包括位于设计停采线后方90m、70m、50m、30m和10m的采空区，所述注氮区域包括位于设计停采线后方90m、70m、50m和30m的采空区。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤二中的注浆管上设置有五个注浆口，五个注浆口分别布设在注浆管上位于设计停采线后方90m、70m、50m、和30m和10m的位置处，所述注氮管上设置有四个注氮口，四个注氮口分别布设在注氮管上位于设计停采线后方90m、70m、50m和30m的位置处。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤五中通过注浆管向采空区注浆时，当采煤工作面推进至距设计停采线70m时，利用注浆管上位于设计停采线后方90m处的注浆口向采空区注浆；当采煤工作面推进至距设计停采线50m时，利用注浆管上位于设计停采线后方70m处的注浆口向采空区注浆；当采煤工作面推进至距设计停采线30m时，利用注浆管上位于设计停采线后方50m处的注浆口向采空区注浆；当采煤工作面推进至距设计停采线10m时，利用注浆管上位于设计停采线后方30m处的注浆口向采空区注浆；当采煤工作面推进至设计停采线位置后，利用注浆管上位于设计停采线后方10m处的注浆口向采空区注浆；

步骤五中通过注氮管向采空区注氮时，当采煤工作面推进至距设计停采线70m时，利用注氮管上位于设计停采线后方90m处的注氮口向采空区注氮；当采煤工作面推进至距设计停采线50m时，利用注氮管上位于设计停采线后方70m处的注氮口向采空区注氮；当采煤工作面推进至距设计停采线30m时，利用注氮管上位于设计停采线后方50m处的注氮口向采空区注氮；当采煤工作面推进至距设计停采线10m时，利用注氮管上位于设计停采线后方30m处的注氮口向采空区注氮。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤四中采用的隔离墙为由多层煤袋子构筑而成的袋式隔离墙，所述隔离墙的厚度为1m；采用折叠式建墙方式构筑隔离墙时，首先将底层的煤袋子压设在涂塑布或风筒布的一端，然后每垒两层煤袋子，涂塑布或风筒布向内或向外折叠一次，使得每两层煤袋子之间均设置有一层涂塑布或风筒布。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤五中向采空区压注液态co2时，利用移动式液态co2储罐，将液态co2运输至采煤工作面压注地点，然后采用2寸管路向采空区压注液态co2。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤五中在采空区的上隅角和下隅角布置错位钻孔时，利用气动架柱式钻机在采空区上隅角和下隅角各施工三个钻孔深度和倾角均不同的注胶钻孔，并在注胶钻孔内敷设一次性钻杆。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤五中采煤工作面推进至设计停采线过程中，利用坑道钻机对没有开采顶煤的区域进行钻孔并压注胶体，对该区域的遗煤进行包裹降温惰化处理。

上述的工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，其特征在于：步骤五中在液压支架的间隙施工的高位钻孔、中位钻孔和低位钻孔均向采空区倾斜。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过在末采前，首先确定出隔离墙构筑区域、注浆区域和注氮区域，能够首先树立一个煤自燃隐患超前治理思维，打破以往支架停止推进后才采取防火措施的惯性思维，采煤工作面进入末采阶段后即可开始展开大量合理的遗煤自燃防火工作，确保末采-停撤期间的施工安全。

2、本发明通过在末采阶段采用隔离墙、注浆和注胶相结合的技术手段，惰化和封堵采空区的遗煤，不仅能够对进风巷和回风巷的遗煤进行惰化降温，同时还能够保证采空区的惰氧状态，确保对工作面末采-停撤期间采空区内遗煤自燃的合理防治。

3、本发明通过在末采节段向采空区压注液态co2，能够起到对采空区的遗煤区域进行压惰化降温和降氧，达到延长遗煤自燃发火期的目的，同时每天在工作面检修班期间对液压支架后方的遗煤进行洒水和喷浆处理，提前惰化遗煤。

4、本发明通过监测束管对末采节段采空区的co浓度进行监测，同时采取在液压支架的间隙施工高位钻孔、中位钻孔和低位钻孔对采空区的遗煤进行注胶时，能够在液压支架的架间形成封堵漏风的隔离屏障，实现堵漏惰化抑制遗煤高温点。

综上所述，本发明通过在末采阶段采用隔离墙、注浆和注胶相结合的技术手段，惰化和封堵采空区的遗煤，不仅能够对进风巷和回风巷的遗煤进行惰化降温，同时还能够保证采空区的惰氧状态，进而能够起到延长煤自然发火周期的目的，为工作面液压支架的安全回撤赢得的时间，同时也保障了撤架期间人员、财产安全，可供类似煤矿借鉴使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为本发明隔离墙、注浆管、注氮管和监测束管的布设结构示意图。

图3为本发明错位钻孔的布设结构示意图。

图4为本发明高位钻孔、中位钻孔和低位钻孔的布设结构示意图。

附图标记说明:

1—进风巷；2—回风巷；3—采空区；

4—注浆管；5—注氮管；6—监测束管；

7—隔离墙；8—高位钻孔；9—中位钻孔；

10—低位钻孔；11—注胶钻孔。

具体实施方式

如图1至图4所示的一种工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、施工准备：在末采前，根据采空区自燃三带划分标准对末采-停撤期间的煤层地质构造区域、工作面架间高温、气体异常(co，c2h6等)区域、进风巷和回风巷区域易发生煤自燃的危险区域进行预判，划分出末采阶段防灭火的重点区域，即隔离墙构筑区域、注浆区域和注氮区域，同时根据隔离墙构筑区域，在进风巷和回风巷需要构筑隔离墙的位置处挂牌标记；

实际使用时，在末采前，首先确定出隔离墙构筑区域、注浆区域和注氮区域，能够首先树立一个火灾超前治理的思维，打破以往支架停止推进后才采取防火措施的惯性思维，采煤工作面进入末采阶段后即可开始展开大量合理的遗煤自燃防火工作，确保末采-停撤期间的施工安全。

需要说明的是，进行整个工作面末采-停撤期间采空区遗煤自燃的防治时，均在检修班期间进行操作，不影响煤矿的正常生产。

具体实施时，末采节段是指距离设计停采线后方90m以内的区域。

步骤二、注浆管路和注氮管路的预设：如图2所示，在进风巷1和回风巷2由采煤工作面向设计停采线处均预埋注浆管4和注氮管5，同时根据注浆区域在注浆管4上设置多个注浆口，根据注氮区域在注氮管5上设置多个注氮口；

实际使用时，通过在注浆管4上设置多个注浆口，能够根据注浆口在对应的注浆区域内进行注浆，提前治理该区域内的破碎遗煤，通过在注氮管5上设置多个注氮口，能够根据注氮口在对应的注氮区域内进行注氮作业，使得采空区3形成惰氧的状态，进而能有效降低发生煤自燃的概率。

步骤三、采空区气体监测束管的预设：在进风巷1和回风巷2由当前采煤工作面所处位置向设计停采线均预设4路监测束管6，4路监测束管6分别设置在距设计停采线80m、60m、40m和20m的位置处；

实际使用时，通过在进风巷1和回风巷2分别预设4路监测束管6，能够通过4路监测束管6随时监测采空区3因煤自燃产生的气体变化，进而便于施工人员及时发现井下异常并采取相应的措施。

步骤四、末采前隔离墙封堵：末采前，在采煤工作面所处位置两侧的进风巷1和回风巷2内挂牌标记的位置采用折叠式建墙方式分别构筑一道隔离墙7，并对隔离墙7进行钻孔注胶；

实际使用时，通过在进风巷1和回风巷2构筑隔离墙7，能够减少工作面向采空区3漏风，进而降低采空区3的氧气含量，降低采空区发生煤自燃的概率。

需要说明的是，通过对隔离墙7进行钻孔注胶，能够对隔离墙7的间隙进行封堵，增强隔离墙7的封堵漏风效果。

步骤五、采煤工作面推进至停采线过程中遗煤封堵惰化：在进入末采阶段后，遗煤封堵惰化的具体过程如下：

步骤501、在采煤工作面推进的过程中，通过监测束管6对采空区3内煤自燃产生的气体类型和co浓度进行监测，当采空区3内煤自燃产生的co浓度大于煤矿安全规程规定的安全值或采空区3内出现乙烯气体时，通过采空区3上隅角和下隅角布置的错位钻孔对采空区3的遗煤进行注胶体作业，并采用注氮管5向采空区3注氮；

或者当采煤工作面每向前推进达到第一设定距离后，在采空区3的上隅角和下隅角布置错位钻孔，并通过错位钻孔对采空区3的遗煤进行注胶体作业；其中，第一设定距离为5m～10m；

步骤502、采煤工作面继续向前推进，当采煤工作面每向前推进达到第二设定距离后，向采空区3压注一次液态co2；其中，第二设定距离为20m～30m；

其中，在采煤工作面推进的过程中，通过注浆管4上设置的多个注浆口向采空区3注浆，通过注氮管5上设置的多个注氮口向采空区3注氮；并在挂牌标记的隔离墙构筑位置构筑中间的隔离墙7；

实际使用时，通过向采空区3压注液态co2，能够起到对采空区3的遗煤区域进行压惰化降温和降氧，达到延长遗煤自燃发火期的目的，同时每天在工作面检修班期间对液压支架后方的遗煤进行洒水和喷浆处理，提前惰化遗煤。

需要说明的是，通过在采空区3的上隅角和下隅角布置错位钻孔对采空区3的遗煤进行注胶体作业，能够完成对进风巷1和回风巷2的丢煤区域的超前治理，惰化和封堵两道端头厚遗煤。

实际使用时，随着采煤工作面不断向前推进，灵活的采取构筑隔离墙7、注浆和注氮的措施，不仅能够对进风巷1和回风巷2的遗煤进行惰化降温，同时还能够保证采空区3的惰氧状态，确保对工作面末采-停撤期间采空区3内遗煤自燃的合理防治。

实际使用时，煤自燃一般会产生co、o2、ch4、c2h6、c2h4等气体，当采空区3内的co浓度大于24ppm时，液压支架的间隙出现较高的温度(大于50℃)时，就需要对采空区3的遗煤进行注胶惰化处理；同时，为了进一步提高防火效果；采用注氮管5向采空区3注氮时，选择注氮管5上位于采空区内且靠近监测到乙烯气体的一路束管6的注氮口向采空区3通入氮气，使得采空区3形成惰氧的状态。

步骤六、停采后隔离墙封堵及液压支架后部遗煤惰化：当采煤工作面推进至设计停采线处时，采用折叠式建墙方式在设计停采线两侧的进风巷1和回风巷2分别构筑两道隔离墙7，其中，两道隔离墙7之间的间距为5m；

同时，在液压支架的间隙施工高位钻孔8、中位钻孔9和低位钻孔10对采空区3的遗煤进行注胶，实现对液压支架后部采空区遗煤的惰化和对采空区的堵漏风；

实际使用时，当液压支架回撤后，通过在设计停采线两侧的进风巷1和回风巷2分别构筑两道隔离墙7，能够有效将采空区进行封堵；其中一道隔离墙7位于设计停采线位置处，另一道隔离墙7布设在设计停采线的前侧。

具体实施时，高位钻孔8的仰角α在45°～50°度左右，孔深7m～9m，主要处理顶部破碎煤体；中位钻孔9的仰角β在40°～45°度左右，孔深2m～3m，主要处理后顶部破碎煤体；低位钻孔10的仰角γ在15°～25°度左右，孔深3m～4m，主要处理底板冒落浮煤。

需要说明的是，在液压支架的间隙施工高位钻孔8、中位钻孔9和低位钻孔10对采空区3的遗煤进行注胶时，高位钻孔8、中位钻孔9和低位钻孔10内均注入胶体灭火剂50㎏，在液压支架的架间形成封堵漏风的隔离屏障，有效降低采空区温度。

步骤七、支架回撤：在采煤工作面液压支架回撤过程中，液压支架每撤5架至10架，采用注胶管向液压支架的撤离区域注胶。

实际使用时，当采煤工作面推进至设计停采线处后，工作面停采，立即将工作面风量调整至适合该工作面撤架的风量；根据工作面的条件选择单向或双向的撤架方式实现支架的回撤。

需要说明的是，在工作面液压支架回撤前，向液压支架的撤离区域铺设注胶管，液压支架每撤5架至10架，采用注胶管向液压支架的撤离区域注胶体灭火剂，能有效惰化和封堵支架的撤离后采空区的遗煤。

本实施例中，步骤一中的隔离墙构筑区域包括位于设计停采线后方90m、70m、50m、30m、10m和5m处的进风巷1和回风巷2，所述注浆区域包括位于设计停采线后方90m、70m、50m、30m和10m的采空区，所述注氮区域包括位于设计停采线后方90m、70m、50m和30m的采空区。

实际使用时，随着采煤工作面不断靠近设计停采线，进风巷1和回风巷2中隔离墙7的建墙密度也增大，能进一步减少采空区3漏风。

本实施例中，步骤二中的注浆管4上设置有五个注浆口，五个注浆口分别布设在注浆管4上位于设计停采线后方90m、70m、50m、和30m和10m的位置处，所述注氮管5上设置有四个注氮口，四个注氮口分别布设在注氮管5上位于设计停采线后方90m、70m、50m和30m的位置处。

本实施例中，步骤五中通过注浆管4向采空区3注浆时，当采煤工作面推进至距设计停采线70m时，利用注浆管4上位于设计停采线后方90m处的注浆口向采空区3注浆；当采煤工作面推进至距设计停采线50m时，利用注浆管4上位于设计停采线后方70m处的注浆口向采空区3注浆；当采煤工作面推进至距设计停采线30m时，利用注浆管4上位于设计停采线后方50m处的注浆口向采空区3注浆；当采煤工作面推进至距设计停采线10m时，利用注浆管4上位于设计停采线后方30m处的注浆口向采空区3注浆；当采煤工作面推进至设计停采线位置后，利用注浆管4上位于设计停采线后方10m处的注浆口向采空区3注浆；

步骤五中通过注氮管5向采空区3注氮时，当采煤工作面推进至距设计停采线70m时，利用注氮管5上位于设计停采线后方90m处的注氮口向采空区3注氮；当采煤工作面推进至距设计停采线50m时，利用注氮管5上位于设计停采线后方70m处的注氮口向采空区3注氮；当采煤工作面推进至距设计停采线30m时，利用注氮管5上位于设计停采线后方50m处的注氮口向采空区3注氮；当采煤工作面推进至距设计停采线10m时，利用注氮管5上位于设计停采线后方30m处的注氮口向采空区3注氮。

本实施例中，步骤四中采用的隔离墙7为由多层煤袋子构筑而成的袋式隔离墙，所述隔离墙的厚度为1m；采用折叠式建墙方式构筑隔离墙时，首先将底层的煤袋子压设在涂塑布或风筒布的一端，然后每垒两层煤袋子，涂塑布或风筒布向内或向外折叠一次，使得每两层煤袋子之间均设置有一层涂塑布或风筒布。

实际使用时，为加强封堵漏风效果，最大限度降低采空区3的漏风量，采用折叠式建墙方式，即每垒两层煤袋子，涂塑布或风筒布向内或向外折叠一次，并确保建墙接顶接帮，挂好篷布，保证建墙质量。

本实施例中，步骤五中向采空区3压注液态co2时，利用移动式液态co2储罐，将液态co2运输至采煤工作面压注地点，然后采用2寸管路向采空区压注液态co2；同时当采煤工作面推进至停采线过程中，每天对支架后方的遗煤进行洒水和喷浆处理，提前惰化遗煤。

如图3所示，本实施例中，步骤五中在采空区3的上隅角和下隅角布置错位钻孔时，利用气动架柱式钻机在采空区上隅角和下隅角各施工三个注胶钻孔11，并在注胶钻孔11内敷设一次性钻杆，三个注胶钻孔11的孔深和倾斜角度均不相同。

实际使用时，三个注胶钻孔11均为水平钻孔且其均向隧道中部倾斜，其中，第一个注胶钻孔11的孔深为18.2m，倾斜角度为37°，第二个注胶钻孔11的孔深为16.5m，倾斜角度为42°，第三个注胶钻孔11的孔深为15.2m，倾斜角度为46°，三个注胶钻孔11构成一个类似于扇形的注胶区域，能够有效提高采空区上隅角和下隅角的注胶封堵效果。

本实施例中，步骤五中采煤工作面推进至设计停采线过程中，利用坑道钻机对没有开采顶煤(无法放出顶煤)的区域进行钻孔并压注胶体，对该区域的遗煤进行包裹降温惰化处理。

实际使用时，为了进一步提高防火效果，在采煤工作面推进至设计停采线过程中，对煤层分叉线、构造带等等煤层构造区域，需要使用zdy-3200型坑道钻机钻孔并压注胶体灭火剂进行预处理。

本实施例中，步骤五中在液压支架的间隙施工的高位钻孔8、中位钻孔9和低位钻孔10均朝着采空区的方向斜向上倾斜。

实际使用时，高位钻孔8、中位钻孔9和低位钻孔10均使用zqsj-140/4.3架柱支撑气动手持式或mqt-120/2.3型锚杆机施工，手持钻配φ40mm麻花钻杆、φ42mm钻头施工，下一寸或六分套管，套管接三通、使用防尘水冲孔，可使用风镐配合敲击套管尾部下置套管。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。