馬蘭煤礦高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關鍵參數與防火措施研究

李爭春 趙 磐

(西山煤電集團公司馬蘭煤礦，山西省太原市，030205)

?

馬蘭煤礦高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關鍵參數與防火措施研究

李爭春 趙 磐

(西山煤電集團公司馬蘭煤礦，山西省太原市，030205)

以馬蘭煤礦18303回采工作面為例，研究了自燃煤層在瓦斯抽采過程中受到的影響，探討了瓦斯抽采的最佳參數；測試了相同的抽采條件下，通過調整工作面的配風量對采空區自燃危險區域范圍的影響。結果表明，瓦斯抽采會加劇采空區遺煤自燃，因此瓦斯抽采流量與抽采負壓均存在一個最佳范圍，高抽巷流量應在15.1～19.4 m3/min之間，本煤層順層鉆孔抽采負壓應該在35～40 kPa左右，既能滿足瓦斯濃度不超限，也能兼顧防火需求。抽采條件下，為縮小自燃危險區域范圍，供風量應適當降低至800～1000 m3/min，注氮量應增加。

高瓦斯自燃煤層 瓦斯抽采 煤層防火 配風量 抽采流量 抽采負壓

礦井瓦斯災害與自燃火災一直是困擾煤礦井下安全生產的主要問題。隨著煤礦采掘深度加大，煤層瓦斯含量增加，高瓦斯自燃煤層的比例逐漸增加。煤礦安全生產不僅面臨瓦斯災害的威脅，同時在抽采瓦斯時還要注意由此加劇的漏風，進而增大自燃煤層內火災的發生概率。研究人員對此開展了大量的研究，褚廷湘等分析了高位巷道瓦斯抽采對浮煤自燃的誘導效應；羅新榮等為探討高瓦斯易自燃煤層的理想注氮防滅火方案，基于CFD模擬認為應加大采空區注氮深度；肖峻峰等研究認為高抽巷抽采參數及工作面配風量綜合決定工作面自燃三帶分布范圍；楊勝強等認為采空區內瓦斯的存在有利于抑制遺煤氧化，瓦斯抽采會明顯擴寬自燃三帶的范圍；馬魁等認為在處理高瓦斯易自燃綜放面災害時，應考慮注氮、充填等一系列綜合措施確保安全。因此，本文以西山煤電集團公司馬蘭煤礦18303工作面為例，研究高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關鍵參數與防火措施，為類似工作面瓦斯與火災綜合防治提供一定的指導。

1 工作面概況

18303工作面回采石炭系太原組8#煤層，該煤層為近水平穩定可采厚煤層，厚度為3.30～4.50 m，自燃傾向性等級為Ⅱ類。工作面設計可采走向長1955 m，傾斜長236 m，平均采高3.86 m，工業儲量224.53萬t，可采儲量216.35萬t。工作面采用U型通風方式，即膠帶巷進風，輔運巷回風。工作面絕對瓦斯涌出量為30.00 m3/min，需要開展瓦斯抽采治理瓦斯災害。

2 瓦斯抽采關鍵參數

針對18303工作面瓦斯來源與絕對瓦斯涌出量，馬蘭煤礦采用高抽巷抽采、順層鉆孔抽采、下鄰近層鉆孔抽采、上隅角懸管等抽采方式治理該工作面瓦斯。本文著重介紹高抽巷抽采和順層鉆孔抽采。

2.1 高抽巷

在距18303工作面頂板垂高48 m，內錯輔運巷水平間距30 m處施工高抽巷，巷道斷面15 m2，巷道長1500 m。高抽巷布置見圖1。

圖1 18303工作面高抽巷布置圖

18303高抽巷在18303工作面回采前封閉，在密閉上安設抽采管路后對高抽巷進行抽采。通過在該抽采管路上安裝蝶閥調節瓦斯的抽采流量，并實測不同瓦斯抽采流量時高抽巷內CH4、CO、O2等氣體濃度，綜合考量瓦斯抽采參數條件下，煤層自然發火危險的嚴重程度。不同瓦斯抽采流量下高抽巷內氣體數據情況見表1。

表1 不同瓦斯抽采流量下高抽巷內氣體數據情況

由表1可知，隨著高抽巷瓦斯抽采流量的增加，高抽巷內監測到的氣體濃度也有不同程度的變化。總體來看，O2濃度隨著抽采流量的增加不斷增加，在抽采流量為7.8 m3/min時，O2濃度為12.97%；抽采流量升至30.9 m3/min時，O2濃度增加到15.26%,這說明在高抽巷瓦斯抽采流量增加的同時也增加了漏風量，讓更多的空氣進入巷道內。高抽巷內CO濃度穩步上升，從最初的0.0023%，一直升高到0.0069%。特別注意的是，當瓦斯抽采流量上升到19.4 m3/min后，CO濃度有迅速上升的趨勢。相比之下，高抽巷內的CH4濃度呈現先增大后減小的規律。瓦斯抽采流量在7.8～17.2 m3/min之間，CH4濃度不斷升高，之后逐步下降；在抽采流量達到30.9 m3/min時，CH4濃度回落到19.66%，這表明不斷增大高抽巷瓦斯抽采流量并不能持續增加瓦斯抽采濃度，反而超過一定瓦斯抽采流量時，抽采的氣體中瓦斯濃度降低，空氣含量增加。監測回風巷中CH4濃度同樣也說明這一點，適度的瓦斯抽采可以降低回風巷中的CH4濃度，在抽采流量達到19.4 m3/min后，回風巷中的CH4濃度幾乎不變，一直維持在0.26%這一較低水平。上述數據均表明高抽巷瓦斯抽采流量維持在15.1～19.4 m3/min區間內，可以取得較好的瓦斯災害治理效果，同時能兼顧自燃火災預防。

2.2 順層鉆孔

在18303工作面輔運巷及膠帶巷Ⅱ段補充施工本煤層鉆孔，輔運巷鉆孔從18303輔運巷里程118 m開始布置，鉆孔間距3 m，至輔運巷里程2005 m結束，共施工鉆孔630個，方位角128°，孔深120 m；膠帶巷鉆孔從18303膠帶巷Ⅱ段里程10 m(措施巷以里10 m)開始布置，鉆孔間距5 m，至膠帶巷Ⅱ段里程830 m(距離切眼約10 m)結束，共施工鉆孔165個，方位角308°，孔深120 m，鉆孔傾角為煤巖層傾角(考慮到施工過程中鉆桿下沉影響，取鉆孔傾角大于煤巖層傾角0.5°)，鉆孔開孔距巷道底板1.3～1.5 m，孔徑113 mm。順層鉆孔布置如圖2所示。

本文選取8個不同抽采負壓下的順層鉆孔，研究鉆孔內氣體濃度分布，得出最佳的順層鉆孔負壓。順層鉆孔的施工參數如表2所示。順層鉆孔內各氣體濃度情況如圖3所示。

圖2 18303工作面順層鉆孔設計平面示意圖

圖3 順層鉆孔內各氣體濃度情況

孔號抽采負壓/kPa傾角/(°)孔徑/mm孔深/m1#15.11.01131622#20.30.51131453#25.22.01131654#29.80.01131575#35.4-1.01131486#39.60.01131217#45.31.01131508#50.11.5113149

由表2和圖3可知，在順層鉆孔抽采過程中，隨著抽采負壓的提高，瓦斯濃度有明顯的上升。這一現象在15～40 kPa尤為明顯，負壓達到40 kPa之后，瓦斯濃度幾乎維持不變，說明繼續增加抽采負壓不會明顯提高抽采效果。但是，隨著抽采負壓的增大，鉆孔內氧氣濃度與CO濃度均迅速升高，這是由于負壓加大，增加了煤體裂隙通道的漏風，使得自燃煤層開始與O2接觸，反應產生一定量的CO。顯然，過高的抽采負壓不利于自燃災害的防治，特別是當抽采負壓高于40 kPa時，CO濃度增加迅速。因此，綜合考慮防火需求和抽采經濟效益，順層鉆孔抽采負壓應該在35～40 kPa為宜。

3 自燃災害與防火技術

在回風巷沿非回采幫一側敷設三芯束管150 m，束管吊掛高度1 m，外套一英寸保護鋼管，每50 m布置一個采樣器；1#束管上對接1#采樣器，待1#采樣器進入采空區40 m時，在2#束管上對接2#采樣器，待2#采樣器進入采空區40 m時，在3#束管上對接3#采樣器，以此類推直至工作面回采完畢，束管布置見圖4所示。監測采空區溫度與O2濃度等數據，可以掌握采空區內自燃危險區域分布，從而反映防滅火技術的具體效果。

圖4 束管布置示意圖

3.1 控制風量

抽采條件下，采空區漏風加劇，通過有效地調整工作面配風量成為輔助防治自燃火災的一種方法。抽采前后18303工作面自燃三帶分布范圍如圖5所示，在18303工作面實施最大配風(1400 m3/min)的情況下，實施瓦斯抽采前，根據實測O2濃度，判定采空區自燃危險區域大致在工作面后方35～80 m的范圍內。但在開展工作面瓦斯抽采后，自燃區域的范圍明顯擴大，在40～130 m的范圍內。說明抽采不利于采空區遺煤氧化的抑制，加劇了自燃火災發生的風險。

圖5 抽采前后18303工作面自燃三帶分布范圍

因此，通過調整工作面供風情況，可以改變18303工作面采空區自燃三帶的分布。不同供風量18303工作面自燃三帶分布范圍如圖6所示。

圖6 不同供風量18303工作面自燃三帶分布范圍

由圖6可知，將工作面配風量調整至600～1200 m3/min，可以不同程度的縮小采空區自燃三帶的范圍。當工作面配風量降至1200 m3/min時，自燃帶大致在采空區38～120 m的范圍。當配風量降至800 m3/min時，采空區自燃帶范圍有明顯縮小，分布在35～100 m的范圍。當配風量為600 m3/min時，自燃危險區域比未進行瓦斯抽采時的面積更小，說明自燃火災的危險進一步降低。考慮工作面供風有供氧、除塵、降溫、排瓦斯等多重作用，以及礦工作業的基本需求，工作面配風量不宜過低，因此，認為工作面配風量應維持在800～1000 m3/min，防滅火效果更好。在防滅火的實際操作中，還需配合堵漏技術結合實施，加強效果。

3.2 注氮技術

一旦監測到有自然發火標志氣體出現時，啟用注氮硐室內DM-1000/8注氮泵，敷設70 mm管徑的鋼管至工作面端頭并埋入采空區。制氮泵的供氮能力按礦井防滅火設計中注氮防滅火需要選取，供氮能力(1個工作面注氮量)可按式(1)計算：

(1)

式中：QN——制氮機的供氮能力，m3/h；

Q0——采空區氧化帶內漏風量，m3/min；

K——備用系數，取1.2；

C1——采空區氧化帶內平均氧濃度，%；

C2——采空區惰化防火指標，即煤自燃臨界氧濃度，%；

CN——注入氮氣的濃度，向火區注入氮氣濃度應不低于97%，因此取97%。

根據馬蘭礦18303工作面的設計情況，注氮量估算為720 m3/h，但是在實際的操作過程中，應考慮抽采所造成的采空區多源漏風，應該增加注氮量，按原始計算量的1.2～1.5倍才能滿足抽采條件下自燃危險區域范圍控制，保障防滅火效果。

4 結論

(1)對于自燃的高瓦斯煤層，回采工作面瓦斯治理時，不能一味地依靠增大瓦斯抽采流量、提高瓦斯抽采負壓來強化瓦斯的抽采效果，應該綜合考慮瓦斯抽采引起的漏風所導致的自燃危險增加，忽視任何一點都不利于礦井的安全生產。

(2)瓦斯抽采過程中，考慮到采空區自燃危險，存在合理的瓦斯抽采參數。高抽巷抽采量在15.1～19.4 m3/min之間最佳，順層鉆孔抽放負壓在35～40 kPa之間最佳，可以兼顧瓦斯治理與采空區防火的需要。

(3)為了在抽采條件下，降低采空區自燃危險，應該調整工作面的供風量在800～1000 m3/min，在此基礎上，注氮量計算時，需要提高漏風量的估算。

[1] 唐一博,王俊峰,薛生等.密閉火區內惰性環境下煙煤自燃特性變化[J].煤炭學報,2016(2)

[2] 杜海剛,褚廷湘,余明高等.易燃煤層隅角封堵效應研究[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2014(5)

[3] 邢建國.綜采工作面瓦斯綜合治理技術研究[J].中國煤炭,2017(5)

[4] 董紅娟，王艷等.五虎山煤礦高位鉆孔瓦斯抽采技術研究[J].中國煤炭,2016(11)

[5] 褚廷湘,劉春生,余明高等.高位巷道瓦斯抽采誘導浮煤自燃影響效應[J].采礦與安全工程學報,2012(3)

[6] 羅新榮,唐冠楚,李亞偉等.CFD模型下采空區瓦斯抽采與注氮防滅火設計[J]. 中國安全科學學報,2016(6)

[7] 肖峻峰,樊世星,盧平等.高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采與采空區遺煤自燃相互影響研究[J].中國安全生產科學技術, 2016(2)

[8] 楊勝強,秦毅,孫家偉等.高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復合致災機理研究[J].煤炭學報,2014(6)

[9] 馬魁,王德民,畢強等.高瓦斯易自燃綜放面自燃危害的綜合防治[J].煤礦安全, 2008(2)

[10] 劉智理.高位巷道合理瓦斯抽采量研究[J].中州煤炭,2012(11)

[11] 游浩,趙長春.高瓦斯易自燃難抽采煤層的瓦斯防治[J].勞動保護,2011(1)

[12] 吳維權,魏國山,呂明飛.基于風量調節的高瓦斯易自燃礦井火災與瓦斯治理[J].煤炭科學技術,2013(9)

[13] 張雨,袁奎,邢真強.注氮條件下不同抽采負壓對采空區氧化寬度影響[J].礦業工程研究, 2015(2)

[14] 裴曉東,張人偉,馬偉南.高瓦斯易自燃采空區瓦斯與煤自燃耦合模擬研究[J].煤炭科學技術,2016(4)

(責任編輯 張艷華)

Research on key parameters of gas drainage and fire prevention measures in high gassy and spontaneous combustion coal seam of Malan Mine

Li Zhengchun, Zhao Pan

(Malan Mine, Xishan Coal and Electricity Group Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030205, China)

For solving complex safety problems in high gassy coal seam with spontaneous combustion potential, in this paper, 18303 work face was used as an example for researching the spontaneous combustion of coal seam affected by gas drainage. The optimum parameters of gas drainage were discussed. Under the same drainage condition, the influence of air supply of work face on spontaneous combustion hazard zone in gob was tested. The results showed that gas drainage could aggravate the spontaneous combustion of residual coal in gob. Therefore, there were optimum ranges of gas drainage and negative pressure. The flow rate of high drainage roadway should be 15.1～19.4 m3/min, and the negative pressure should be around 35～40 kPa, which could not only meet the requirement of gas control, but also take into account fire prevention needs. Under the extraction condition, in order to reduce the risk of spontaneous combustion, air supply should be reduced to 800～1000 m3/min, and the amount of nitrogen injection should be increased.

high gassy coal seam with spontaneous combustion potential, gas drainage, fire prevention for coal seam, air supply amount, flow rate of gas drainage, negatire pressure of gas drainage

李爭春,趙磐.馬蘭煤礦高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關鍵參數與防火措施研究[J].中國煤炭，2017,43(7)：134-138. Li Zhengchun, Zhao Pan. Research on key parameters of gas drainage and fire prevention measures in high gassy and spontaneous combustion coal seam of MaLan Mine [J]. China Coal, 2017，43(7):134-138.

TD75，TD712

A

李爭春(1970-)，男，山西原平人，高級工程師，現任西山煤電股份有限公司馬蘭煤礦礦長，主要從事煤礦技術與管理工作。