易燃厚煤層半孤島綜放工作面瓦斯與火耦合防治技術

吳 磊 白永萌（棗莊科技職業學院，山東省滕州市，277500）

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易燃厚煤層半孤島綜放工作面瓦斯與火耦合防治技術

吳 磊 白永萌
（棗莊科技職業學院，山東省滕州市，277500）

摘 要針對瓦斯與自然發火防治中存在的顧此失彼、治理措施相互干擾影響大等問題，結合3上219半孤島工作面的實際情況，確定了預防為主的自然發火治理思路，重點采用了采空區自然發火監測、采空區預防性注漿和噴灑阻化劑、工作面煤體超前惰化、鄰側采空區堵漏風等預防措施，在此基礎上，采用了鄰近采空區抽放和高位鉆孔瓦斯抽放的瓦斯治理技術措施，瓦斯抽放參數、抽放時間根據工作面自然發火情況及時優化調整，有效防止了工作面開采期間瓦斯與自然發火災害的發生，保障了工作面的安全生產。

關鍵詞易燃厚煤層 半孤島工作面 自然發火 瓦斯抽放

隨著礦井開采深度和強度的不斷加大，采空區遺煤增多，煤層瓦斯含量增大，礦井的瓦斯涌出量增加，同時煤層的自然發火危險性也明顯增大，許多礦井開始面臨瓦斯、自然發火雙重災害防治的問題，特別是采空區等遺煤量大、漏風嚴重且容易積聚大量瓦斯的區域。周福寶通過對我國229對大型礦井進行調研，發現其中32.3%的礦井存在瓦斯與自然發火災害問題。瓦斯與自然發火共生災害已成為一種威脅礦井安全生產的重要災害模式。

目前礦井應用的瓦斯和自然發火災害的防治措施大多是針對其中的一類災害，對兩類災害防治中的相互影響和聯系往往缺乏考慮，因此在災害防治過程中容易出現顧此失彼的問題，使礦井的瓦斯與自然發火的災害防治工作陷于被動，不僅不能有效解決目前正在發生的災害問題，還會使另一類災害的危險性增加，使礦井的安全形勢更加嚴峻。因此，對瓦斯與自然發火災害的耦合防治技術進行研究，對于存在瓦斯與自然發火共生礦井的災害防治具有重要意義。

1　礦井概況

3上煤層是付村煤礦的主采煤層，最短自然發火期僅為46 d，屬易自燃煤層。付村煤礦的東二采區及東二輔助采區是3上煤層的瓦斯異常區，3上219綜放工作面位于付村煤礦東二采區，是半孤島工作面，鄰側為3上216工作面采空區，隔離煤柱寬5 m。該工作面走向長度1086 m，傾斜長度148 m，采高5.1～5.6 m，煤層傾角3°～9°。3上219工作面的瓦斯絕對涌出量為19.0735 m3/min，相對涌出量為8.323 m3/t，周期來壓期間瓦斯涌出量會明顯增大。工作面回采期間回風隅角和回風流瓦斯濃度時常高達0.8%以上，由于巖漿巖侵入、地質構造、鄰近采空區瓦斯涌入等因素使得3上219工作面回采期間時常發生瓦斯涌出異常、瓦斯涌出量增大的問題，嚴重影響工作面的正常生產。

對3上219工作面瓦斯濃度進行實測分析，得出工作面落煤、煤壁和采空區的瓦斯涌出量分別為6.5439 m3/min、4.5609 m3/min和8.7252 m3/ min，分別占瓦斯總涌出量的33%、23%和44%。采空區瓦斯涌出是3上219工作面的主要瓦斯涌出源，是該工作面瓦斯防治的重點區域。由于3上219工作面后部采空區和鄰側的3上216采空區存在大量遺煤，具有很大的自然發火危險性。該工作面存在瓦斯與自然發火的雙重災害威脅，對工作面的安全生產構成了嚴重威脅。

為此，根據該工作面的瓦斯與自然發火災害的實際情況，在自然發火的防治方面，以預防為主，在自然發火監測的同時，全面做好采空區惰化處理，盡可能避免采用注氮等對采空區氣壓影響較大的治理措施，以防發生瓦斯涌出異常；在瓦斯治理方面，以瓦斯抽放為主，用高位鉆孔取代工作面后部采空區抽放，瓦斯抽放期間的參數設置、時間安排兼顧工作面與采空區間的漏風、采空區自然發火危險性等情況，盡可能避免瓦斯治理對工作面自然發火防治的負面影響。

2　自然發火防治技術方案

2.1 采空區自然發火監測

為全面掌握3上219后部采空區及其鄰側的3上216采空區的自然發火情況，采用監測鉆孔與束管監測相結合的方式對采空區進行監測，具體監測方案在3上219運輸巷向3上216采空區施工監測鉆孔，鉆孔間距50 m，距巷道底板高度1.5 m，同時在3上219工作面的運輸巷、材料巷及工作面設置4個監測點，編號1#～4#，4個孔的位置見圖1，每個監測鉆孔和監測點均布置溫度傳感器和取氣束管各一路。每天安排專人記錄各監測鉆孔和監測點的溫度并采集氣樣，采用氣相色譜分析儀對所取氣樣進行分析，重點關注CO和C2H4氣體的濃度情況。隨著工作面推進，4個監測點逐漸進入采空區，當測點距工作面100 m后，在原位置重新布設測點。

圖1　自然發火監測方案布置

2.2 采空區注漿、噴灑阻化劑

在3上219工作面的運輸巷、材料巷和工作面中部布置注漿管路，在注漿管路進入采空區20 m后開始注漿，注漿管路隨工作面推進而前移。采用粉煤灰作為主要注漿材料，水灰比為2∶1，并配以6%～8%的阻化劑，每天連續注漿4 h以上。注入采空區的漿體可包裹在遺煤的表面，將其與氧氣隔絕，延緩其氧化速度，同時漿體的水分蒸發可以吸收大量的采空區熱量，減少采空區的熱量積聚。為防止注漿盲區發生自然發火危險，每天向后部采空區噴灑阻化劑（水中配以10%的阻化劑），從而可起到全面惰化采空區的目的。

2.3 其他技術措施

（1）在3上219運輸巷、材料巷施工鉆孔對煤體進行注水，水中配以5%的阻化劑，注水鉆孔間距20 m，長度70 m，兩側鉆孔間隔布置，在超前工作面100 m的卸壓區范圍內注水，注水壓力設定為15 MPa，每天連續注水4 h以上，起到超前惰化煤體的作用。

（2）在3上219運輸巷向鄰側采空區的隔離煤柱噴涂堵漏風材料馬麗散，噴層厚度30 mm以上，同時加強對3上219工作面的漏風監測，對主要的漏風源區域進行重點噴涂。

（3）當3上216采空區監測鉆孔的CO濃度和溫度持續升高，或者出現C2H4氣體時，說明3上216采空區已經發生煤炭自燃，此時通過監測鉆孔向3上216采空區進行間歇性注氮，要確保注入采空區的氮氣濃度在97%以上。

3　瓦斯治理技術方案

3.1 鄰近采空區瓦斯抽放

由于3上219工作面鄰近的3上216采空區瓦斯含量高，大量瓦斯會隨漏風進入3上219工作面，通過降低3上216采空區的瓦斯濃度可有效減少其向3上219工作面的瓦斯涌入。根據工作面實際情況，通過在3上219運輸巷向3上216采空區施工平行鉆孔，利用該礦的214瓦斯抽放泵站對3上216采空區內瓦斯進行抽放，自工作面切眼向外依次布置鉆場，每個鉆場布置3個鉆孔，鉆場間距20 m。鉆孔的具體布置如圖2所示。

圖2　鄰近采空區瓦斯抽放鉆孔布置

鉆孔長度為5 m，采用?127 mm鉆頭開孔，?108 mm鋼管和花管封孔，封孔長度不小于1 m。選用2BE1－303－0型水環式真空泵配以110 k W電機進行瓦斯抽放，瓦斯抽排管路選用?219 mm聚乙烯管。管路具體敷設路線為:3上219運輸巷道鉆場→3上219運輸巷道→3上219運輸巷道聯巷→214泵站→東二輔采煤倉聯巷→東二輔助回風巷。

首先利用1#鉆場對3上216采空區的瓦斯進行抽放，在1#鉆場距工作面不足5 m時啟用2#鉆場進行抽放，以此類推。鄰近采空區抽放效果考察情況見表1，由表1可知，在3上216采空區瓦斯抽放期間，抽放流量達26～32 m3/min，抽放純量為4.4～4.7 m3/ min，對鄰近采空區的抽放效果顯著。

表1　鄰近采空區抽放效果

3.2 高位鉆孔瓦斯抽放

高位鉆孔是在工作面巷道向煤層頂板裂隙帶施工的鉆孔，在工作面推進前后，裂隙帶巖層壓實之前進行瓦斯抽放，可將冒落帶和裂隙帶內積聚的瓦斯抽出，以減少采空區向工作面的瓦斯涌出；并且可在工作面后部采空區形成一個低壓區，改變采空區瓦斯的原始運移方向，有效減少回風隅角的瓦斯涌出與積聚。

3上219工作面的高位鉆孔布置于材料巷，共布置有11個鉆場，鉆場間距為50 m，每個鉆場布置4個鉆孔，具體布置如圖3所示。鉆孔終孔與材料巷水平間距控制在5～23 m范圍，距頂板高度控制在15～25 m范圍。鉆孔采用127 mm鉆頭開孔，108 mm巖芯管封孔，終孔直徑約94 mm。瓦斯抽放選用2BE1－253－0型水環式真空泵配75 k W電機，抽排管路采用?159 mm聚乙烯管。管路具體敷設路線為:3上219材料巷鉆場→3上219材料巷→3上219材料巷泵站硐室（泵站）→3上219材料巷→東二輔助回風巷→3上219瓦斯抽放專用釋放巷。

當工作面推進位置接近鉆孔終孔位置時，瓦斯濃度和抽放量明顯升高，瓦斯濃度和抽放量隨工作面推進依次經歷緩慢增加階段、穩定階段和衰減階段3個階段。在高位鉆孔抽放期間，抽放流量比較穩定，抽放瓦斯濃度基本維持在10%左右，抽放效果非常明顯。

圖3　高位鉆孔布置示意圖

4　瓦斯與自然發火耦合防治的關鍵

（1）嚴格控制瓦斯抽放負壓和流量，并及時根據3上219工作面的自然發火、漏風監測結果對抽放負壓和流量進行調整。在確?？山鉀Q工作面瓦斯問題的前提下，可通過適當縮短單次抽放時間、抽放負壓、減少抽放次數等方法將瓦斯抽放對工作面自然發火防治的負面影響降到最低。

（2）當3上216采空區存在自然發火隱患時，應立即停止瓦斯抽放，并通過監測鉆孔向采空區間歇性注入氮氣，但是注氮壓力不可太大，單次注入量也不可太多，當確保采空區無自然發火隱患時，方可重新開始瓦斯抽放。

（3）要對工作面的通風系統進行優化完善，特別是通風負壓和風量，必要時可采用開區均壓通風，盡可能利用通風在瓦斯治理中的作用，增大風排瓦斯量，同時要減少工作面與采空區間的漏風量，以防給自然發火防治工作帶來壓力。

5　結論

（1）瓦斯與自然發火共生災害已成為威脅礦井安全生產的重要災害模式，兩者的治理工作應結合考慮，既要避免顧此失彼，同時要將兩者之間的相互影響降到最低。

（2）3上219工作面自然發火的防治采用了預防為主的思路，采用了采空區自然發火監測、采空區注漿、采空區噴灑阻化劑、工作面煤體超前惰化、鄰側采空區堵漏風等技術措施，有效防止了自然發火事故的發生。

（3）鄰近采空區瓦斯抽放和高位鉆孔瓦斯抽放技術在3上219工作面的應用取得了顯著的瓦斯抽放效果，同時結合自然發火的防治情況確定瓦斯抽放參數設置、抽放時間的選擇，有效避免了瓦斯抽放對工作面自然發火防治的影響，確保了工作面的安全生產。

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（責任編輯 張艷華）

The technology of coupled prevention and control of gas and fire for long wall top coal caving half isolated island working face of thick and prone to spontaneous combustion coal seam

Wu Lei，Bai Yongmeng
（Zaozhuang Vocational College of Science& Technology，Tengzhou，Shandong 277500，China）

AbstractAiming at the issues that the countermeasures of gas and fire prevention and control interfered with each other and had great impact and cared for this and lose that，and combining with the actual situations of No.219 half isolated island working face of 3 up coal seam，the prevention first idea of coal spontaneous combustion prevention and control was determined，the key countermeasures，which were monitoring the goaf gas，prevention slurry injection and retarder spraying in the goaf，advanced inerting of working face coal，air leakage blocking of adjacent goaf，were adopted，on that basis，the gas control countermeasures that were gas drainage from the adjacent goaf and high level boreholes were employed and the parameters and time of gas drainage optimized and adjusted in time according to the goaf situations of coal spontaneous combustion，which effectively prevented the occurrence of gas and fire hazards during the working face mining and ensured the safety production.

Key wordsthick and prone to spontaneous combustion coal seam，half isolated island working face，coal spontaneous combustion，gas drainage

中圖分類號TD712.6 TD752.2

文獻標識碼A

作者簡介：吳磊（1980－），男，山東曲阜人，講師，研究生學歷，現任棗莊科技職業學院采礦工程專業教師。主要從事煤礦開采技術方面的教學和科研工作。