半孤島綜放工作面采空區自然發火監測及治理技術研究

郭興明（山西大同大學煤炭工程學院,山西省大同市,037003）

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半孤島綜放工作面采空區自然發火監測及治理技術研究

郭興明
（山西大同大學煤炭工程學院,山西省大同市,037003）

摘要在對半孤島綜放工作面采空區發生自然發火的特點進行分析的基礎上,根據岱莊煤礦2108半孤島綜放工作面的實際情況,研究確定了工作面鄰側、后部采空區監測技術及工作面通風壓能監測技術相結合的采空區自然發火監測方案,對于及時發現自然發火隱患及漏風源起到了重要作用,有效提高了自然發火預測預報的準確性和時效性,同時有針對性地提出了采空區自然發火的治理對策,保障了工作面的安全生產。

關鍵詞半孤島綜放工作面 自然發火 采空區 監測技術 隱患 漏風源

煤炭自燃是我國煤礦開采期間的主要災害之一,礦井一旦發生煤炭自燃,會危及井下作業人員的身體健康和生命安全,造成煤炭資源的大量損失,對礦井的安全生產構成嚴重威脅。隨著礦井開采深度和強度的不斷加大以及高產高效新技術的發展和應用,采空區遺煤量增多、漏風量增大、漏風規律更加復雜、自然發火期縮短,采空區發生自然發火的危險性大大增加。而半孤島綜放工作面的應力更加集中,特別是鄰近采空區的巷道區域,更易造成工作面礦壓顯現強烈、巷道變形破壞嚴重,同時由于工作面鄰側采空區存在大量遺煤,而留設的煤柱在采動影響和集中應力影響下極易發生變形和破壞,形成裂隙,產生漏風通道,故鄰側采空區存在很大的自然發火危險性。

自然發火監測技術是煤炭自燃防治中的首要環節,對于及時發現自然發火隱患,進而采取及時有效的治理措施具有重要的參考價值。因此,對半孤島綜放工作面自然發火監測技術進行研究,對于防止自然發火事故的發生,降低自然發火的防治成本,保障工作面的安全生產具有重要意義。

1　工作面概況

山東岱莊煤礦主采3＃煤層,煤層構造較簡單,傾角為10°左右,平均厚度8.73 m,采用綜采放頂煤開采工藝。該煤層具有強烈的自然發火傾向性。2108工作面位于3＃煤層,是典型的半孤島工作面,鄰側為2107工作面采空區,巷道與鄰側采空區的隔離煤柱為6 m,工作面走向長度904 m,傾斜長度82 m,該工作面的自然發火傾向性等級為I 類,在該工作面取樣實測得出最短自然發火期僅為36 d。

2　半孤島綜放工作面采空區自然發火特點分析

（1）采空區漏風規律復雜。綜放工作面的開采高度和強度大,采空區的冒落高度和范圍明顯大于綜采工作面,從而造成采空區上覆巖層中的離層裂隙和采動裂隙更多、范圍更廣,更容易溝通鄰近的煤層和相鄰的工作面空間,形成復雜的漏風通道條件。半孤島綜放工作面與鄰側采空區的隔離煤柱存在嚴重的應力集中情況,特別是在采動集中應力作用下,隔離煤柱極易被壓酥,產生大量漏風裂隙,甚至發生破壞,從而使工作面后部采空區與鄰近采空區連通在一起,使工作面與鄰近采空區具備漏風通道條件。在工作面通風負壓和漏風通道條件下,使得工作面、其后部采空區及鄰近采空區三者之間產生漏風,且漏風通道復雜,漏風強度多變。在復雜的漏風條件和較大漏風量下,采空區的大量遺煤發生自然發火的危險性和自然發火不確定性大為增加。

（2）采空區自燃高溫區域動態變化。半孤島工作面采空區的漏風規律復雜,采空區自燃帶內的大量遺煤在漏風供氧條件下,會發生煤氧復合作用,并產生大量氧化放熱,在熱量集聚到一定程度后,就會發生煤炭自燃,并形成高溫火源點。由于半孤島工作面的漏風流場會發生動態變化,進而造成高溫火源點位置和范圍發生動態變化,同時由于采空區自燃三帶隨工作面推進而不斷前移,不斷地形成新的自燃高溫區域,高溫火源區域隨工作面推進始終處于動態變化狀態,增大了采空區自然發火的監測難度和發生自然發火的危險性。

（3）采空區周邊和兩道兩線發火率高。綜放工作面回采期間,老頂會發生周期破斷,老頂巖塊間會產生立體咬合關系,形成砌體梁結構,老頂的四周裂縫貫通后會形成O形圈,導致老頂周圍裂隙的發育和貫通程度大,所以采空區周邊是重要的漏風通道,且其漏風強度較大,造成采空區周邊區域自然發火率居高不下。

綜放開采工藝的進、回風巷道支架處的放煤率低,在采動影響下,頂煤受壓而發生破碎、壓酥、離層等現象,具備良好的漏風條件和氧化蓄熱環境;綜放工作面初采期間推進速度較慢,回采率低,導致開切眼區域的遺煤量大且較松散破碎,遺煤氧化作用時間長;在距停采線一定距離時,工作面不放頂煤,該區域存在大量遺煤,故綜放工作面在末采和回撤期間容易發生煤炭自燃。因此,綜放工作面的進、回風巷道、開切眼及停采線區域的自然發火危險性大。

（4）巷道鄰側采空區自然發火危險性高于工作面后部采空區。綜放工作面回采期間,其后部采空區遺煤處于初次氧化階段,而鄰近采空區遺煤處于二次氧化階段,鄰近采空區的遺煤往往已經發生過氧化作用,集聚了一定熱量,煤體溫度較高,試驗研究表明,煤體在二次氧化期間的耗氧速率和放熱強度均較初次氧化期間明顯增大,所以二次氧化期間的自然發火期明顯縮短,自然發火的發生率增加,故工作面巷道鄰側采空區較工作面后部采空區更容易發生自然發火。

3　半孤島工作面采空區自然發火監測技術

通過上述分析認為應加強對半孤島綜放工作面采空區（特別是鄰近采空區）自然發火的監測,以提高自然發火預測預報的準確性和實效性。為此,根據2108工作面的實際情況,確定了工作面鄰近采空區、后部采空區的自然發火監測方案以及工作面通風壓能監測方案。

3.1鄰側采空區自然發火監測方案

在2108工作面回風巷向其鄰側的2107采空區施工自然發火監測鉆孔,鉆孔沿工作面走向布置,鉆孔間距20 m,鉆孔長度6 m,鉆孔高度為距煤層底板1.5 m,監測鉆孔的具體布置如圖1所示。

每個監測鉆孔布置溫度傳感器和取樣束管各一路,通過鋼管將溫度傳感器和取樣束管送入預定位置,同時鋼管可起到防護作用。在取氣束管前端安設粉塵過濾器以防止采空區的煤塵將束管堵塞,鋼管的兩端頭用快速水泥進行封堵,并對其密封效果進行檢驗,以確保通過束管所取氣樣為2107采空區內氣體,監測鉆孔結構如圖2所示。隨著2108工作面推進,每天采集并記錄各防滅火監測鉆孔的溫度數據,同時采集氣樣,并通過氣相色譜分析儀對各監測鉆孔氣樣進行分析。

圖1　鄰側采空區監測鉆孔布置

圖2　監測鉆孔結構示意圖

3.2工作面后部采空區自然發火監測方案

在2108工作面的后部采空區預先埋設束管和溫度傳感器,共布置了7個束管取樣和溫度監測點,其中1＃、2＃監測點布置于進風巷,3＃、4＃監測點布置于回風巷,在工作面20＃、40＃和60＃支架后依次布置5＃、6＃、7＃監測點,其中1＃、3＃監測點距5＃、6＃、7＃監測點15 m,距2＃、4＃監測點30 m,每個監測點都安設溫度傳感器和束管裝置,溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器。束管取樣和溫度監測點的布置如圖3所示。

各監測點的溫度傳感器和取樣束管均放入鋼管中加以保護,同樣在取氣束管前端安設粉塵過濾器。每天對各監測點的溫度進行記錄,并通過氣相色譜分析儀對各監測點所取氣樣進行分析,根據束管監測結果,確定2108工作面自燃三帶的分布規律,同時加強對工作面回風隅角、支架后部采空區和回風流的氣體監測。

圖3　束管取樣和溫度監測點布置

3.3工作面通風壓能監測方案

2108工作面通風壓能監測的測點布置如圖4所示,在2108進風巷的風流入口、巷道中部和進風隅角各布置一個測點,在距進風隅角30 m、60 m處的工作面區域均布置一個測點,在2108回風巷的回風隅角、風流出口、距回風隅角每隔50 m的位置均布置測點,每天采用精密氣壓計對工作面區域各測點的氣體壓力進行測點,并對進、回風巷和工作面的風速、風量等風流基本參數進行測定;同時通過2107采空區監測鉆孔,每天對各鉆孔連通的2107采空區氣壓進行監測。根據監測結果,對2108工作面采空區和鄰側采空區的漏風狀況進行分析,并對漏風量進行估計。

圖4　工作面通風壓能測點布置

4　半孤島工作面采空區自然發火治理對策

（1）對2108工作面鄰側及后部采空區進行預防性灌漿,采用以粉煤灰為主的注漿材料,水灰比為2.5∶1,同時配以5%～10%的阻化劑。在2107采空區的監測鉆孔間施工注漿鉆孔,在工作面中部、進回風巷道布置3路注漿管路,工作面的注漿口距工作面約35 m,且隨工作面推進而前移,每天在檢修班持續注漿3 h以上。

（2）若2108工作面鄰側的2107采空區的CO濃度異常升高或出現C2H2氣體,同時溫度也在持續升高,說明2107采空區已經存在自然發火跡象,采用DT－700型制氮機通過預防性注漿鉆孔向2107采空區間斷性注入氮氣,注氮壓力設定為1.0 MPa,氮氣純度必須達到97%以上,根據采空區的監測結果及時調整注氮頻率和注氮量,直至采空區的氣體濃度和溫度恢復正常,同時要采取措施防止注氮管口堵塞。若工作面后部采空區的CO、C2H2氣體濃度及溫度出現異常,則通過注漿管路向工作面后部采空區注入氮氣。

（3）若工作面與其鄰側、后部采空區存在漏風,應首先對工作面的風量和風壓進行調節,采用沙袋充填進、回風側采空區巷道,減少工作面與采空區間的漏風量。同時在2108回風巷向2107采空區一側噴涂艾格勞尼快速堵漏風泡沫材料,該材料由樹脂和發泡劑等兩種成分組成,兩種材料按20∶15的比例混合。該材料可快速生成泡沫,具有良好的膨脹能力,使用量少、抗靜電,使用簡單且經濟。

5　結論

（1）半孤島綜放工作面的采空區存在很高的自然發火危險性,具有采空區漏風通道多、強度大、漏風規律復雜,自燃高溫區域隨漏風及工作面推進會發生動態變化,采空區的周邊、兩道兩線是自然發火的高危區域,工作面鄰近采空區自然發火率要高于后部采空區的特點。工作面的鄰側采空區和后部采空區應作為自然發火監測預報的重點區域。

（2）為確保能及時發現工作面后部及鄰側采空區的自然發火隱患和漏風源,在2108工作面采用了工作面后部、鄰側采空區監測和工作面通風壓能監測相結合的自然發火監測技術,有效提高了工作面自然發火隱患及漏風監測的效率和準確性。

（3）根據半孤島綜放工作面的特殊實際,結合自然發火監測結果,提出了包括采空區預防性灌漿、采空區注氮、噴涂堵漏風材料和調節通風系統等治理對策,有效降低了采空區自然發火的發生率和危險性,確保可及時有效地處理自然發火隱患。

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（責任編輯張艷華）

Study of the monitoring and control technology of coal spontaneous combustion in the goaf of half isolated island fully mechanized caving face

Guo Xingming
（College of Coal Engineering,Datong University of Shanxi,Datong,Shanxi 037003,China）

AbstractBased on the analysis of the features of coal spontaneous combustion in the goaf of half isolated island fully mechanized caving face,according to the actual situations of 2108 half isolated island fully mechanized caving face,the monitoring plan of coal spontaneous combustion in the goaf,which combined the gas monitoring in the neighbor and back goaf of working face and air pressure monitoring of working face,was determined.The monitoring plan had an important effect on the finding the hidden danger of coal spontaneous combustion and air leakage source in time and effectively increased the accuracy and timeliness of prediction and forecast of coal spontaneous combustion,and presented the targeted treatment countermeasures of coal spontaneous combustion in goaf and ensured safety production of working face.

Key wordshalf isolated island fully mechanized caving face,spontaneous combustion,goaf, monitoring technology,hidden danger,air leakage source

作者簡介:郭興明（1965－）,男,山西省懷仁人,碩士研究生,主要從事教學和教學管理工作,研究方向為煤礦井下掘進支護。

中圖分類號TD75

文獻標識碼A