白皎礦掘進(jìn)期間火與瓦斯耦合災(zāi)害綜合防治技術(shù)

湯 平 ，王 帥 ，謝先明 ，陳 洋

（1.四川芙蓉集團(tuán)實業(yè)有限責(zé)任公司，四川 宜賓 644002；2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

隨著我國煤礦技術(shù)裝備水平的不斷提高，煤礦安全形勢不斷好轉(zhuǎn)，但重特大火災(zāi)及其引發(fā)的瓦斯爆炸等次生災(zāi)害事仍時有發(fā)生[1-4]。特別是隨著我國煤炭行業(yè)開采深度和開采強(qiáng)度的不斷增大，瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井不斷增多，由于內(nèi)因火災(zāi)和環(huán)境及人為因素等導(dǎo)致的外因火災(zāi)問題也越發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致火與瓦斯2 種災(zāi)害共存的不利局面[5-6]。例如黑龍江、山西、淮北、川南等多地區(qū)礦井均出現(xiàn)了2 種災(zāi)害耦合的情況，影響了安全生產(chǎn)甚至導(dǎo)致了慘重的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計[7-10]，我國大約 230 個礦井中 1/3 出現(xiàn)了火災(zāi)和瓦斯爆炸共生的災(zāi)害且這種復(fù)合災(zāi)害疊加模式成了一種較難調(diào)轉(zhuǎn)的趨勢。

采空區(qū)作為井下最容易發(fā)生著火和積聚瓦斯甚至發(fā)生爆炸的地點之一，雖然單獨對待一種災(zāi)害的方法和技術(shù)措施比較完善，但是對待這2 種災(zāi)害耦合影響作用的情況，現(xiàn)有的多數(shù)技術(shù)手段還是顯得有些薄弱，甚至在治理一種災(zāi)害的同時會加重另一種災(zāi)害的影響[11-13]。以白皎礦2274 工作面掘進(jìn)過程中上覆2273 采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的火與瓦斯耦合共生的災(zāi)害為研究對象，基于現(xiàn)場實際情況找到兩者耦合影響范圍，采取了加強(qiáng)掘進(jìn)巷道支護(hù)、全斷面噴漿及上鄰近層采空區(qū)注漿與瓦斯抽放鉆孔一體化的綜合技術(shù)措施，保證了該礦井安全生產(chǎn)[14-15]。

1 礦井概況及火與瓦斯情況

四川省宜賓市珙縣白皎礦采用主、副平硐加暗斜井的開拓方式，工作面走向長壁后退式、采區(qū)前進(jìn)式的開采方法，礦井為抽出式通風(fēng)方法，核定生產(chǎn)能力為0.75 Mt/a，平均絕對瓦斯涌出量為80.71 m3/min，平均相對瓦斯涌出量為 53.99 m3/min，屬于煤與瓦斯突出礦井，該礦百萬噸發(fā)火率為6 次且礦井近年來發(fā)生火與瓦斯耦合災(zāi)害漸多。

2274 掘進(jìn)工作面平均走向長680 m，平均傾斜長120 m，煤層自然發(fā)火期3～8 個月，最短僅有18 d，屬于Ⅱ類自燃煤層。本煤層4#距離上覆2#煤層平均5.7 m，距離上覆3#煤層平均距離2.67 m，其中3#煤層曾發(fā)生過自然發(fā)火事故，由于近距離煤層群賦的影響，3#煤層常與4#煤層發(fā)生貫穿，狀態(tài)較不穩(wěn)定且受采動影響、采空區(qū)近距離煤層間漏風(fēng)和采空區(qū)內(nèi)賦存遺煤釋放瓦斯等綜合因素影響，促成了3#煤層采空區(qū)內(nèi)火與瓦斯災(zāi)害共存且互相影響的局面。4#煤層掘進(jìn)工作面與3#煤層采空區(qū)位置關(guān)系如圖1。

圖1 4#煤層與3#煤層工作面位置關(guān)系圖Fig.1 Position relation diagram of 4# coal seam and 3# coal seam working surface

2 火與瓦斯耦合區(qū)域的定位

2.1 定位原理

耦合區(qū)域的定位即在工作面或采空區(qū)設(shè)置監(jiān)測設(shè)備和布置探測點，通過各探測點監(jiān)測到的各指標(biāo)氣體濃度取交集得到的就是發(fā)生耦合的區(qū)域。一般來說，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)滿足遺煤自然發(fā)火條件且CH4混合氣體處于易燃易爆濃度值域時就會產(chǎn)生火災(zāi)與瓦斯爆炸共生災(zāi)害危險；當(dāng)采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火條件不滿足，既使CH4混合氣體處于易燃易爆濃度值域時也不會產(chǎn)生火災(zāi)與瓦斯爆炸共生災(zāi)害危險；同理，采空區(qū)內(nèi)滿足遺煤自然發(fā)火條件但CH4混合氣體處于煤礦安全規(guī)定的允許濃度區(qū)間即無易爆易燃的可能則也不會有2 種災(zāi)害共生的風(fēng)險。因此對于2273 煤層采空區(qū)內(nèi)可能發(fā)生耦合災(zāi)害區(qū)域的定位要先找到采空區(qū)自燃帶范圍，再通過爆炸界限公式計算出CH4混合氣體易燃易爆濃度范圍區(qū)間，兩者疊加即構(gòu)成易發(fā)生火災(zāi)與瓦斯災(zāi)害的耦合區(qū)域。為了研究和計算方便，假設(shè)瓦斯混合氣體爆炸主要為CH4，對于氧化帶的范圍確定采用氧氣濃度指標(biāo)來劃分。甲烷混合氣體的爆炸界限計算公式如下：

式中：y 為 CH4混合氣體爆炸界限；Q1、Q2、…、Qi為多種可燃?xì)怏w（CO、C2H4、C2H6、C2H2等） 濃度值；n1、n2、…、ni為多種可燃?xì)怏w的爆炸界限。

2.2 各標(biāo)志濃度氣體監(jiān)測及分析

隨著2274 工作面的不斷掘進(jìn)，對2273 采空區(qū)進(jìn)行了約60 d 的數(shù)據(jù)（氧氣濃度、氣體溫度、一氧化碳濃度等）監(jiān)測。

2.2.1 采空區(qū)升溫速率的監(jiān)測與分析

采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)升溫速率曲線如圖2，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)升溫速率曲線如圖3。

圖2 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)升溫速率曲線Fig.2 Temperature rising rate curves of intake air side of goaf

從圖2 與圖3 可以看出，進(jìn)風(fēng)側(cè)0～50 m，升溫速率一直是增加狀態(tài)，50～75 m 升溫速率降低，但是采空區(qū)內(nèi)溫度總體依然處于升高狀態(tài)，升溫速率超過1 ℃/d 的測點距離工作面40 m 左右，因此可以認(rèn)為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)熱量積聚在工作面40 m 之后的范圍開始顯現(xiàn)。回風(fēng)側(cè)0～80 m 左右，升溫速率一直是增加狀態(tài)，80 m 達(dá)到最高值，之后升溫速率降低，升溫速率超過1 ℃/d 的測點距離工作面25 m 左右，因此可以認(rèn)為采空區(qū)回風(fēng)側(cè)熱量積聚在工作面25 m 之后的范圍顯現(xiàn)。綜上所述，2273 采空區(qū)內(nèi)距工作面0～25 m 范圍熱量不易聚集，25 m 之后容易出現(xiàn)熱量積聚現(xiàn)象。

圖3 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)升溫速率曲線Fig.3 Temperature rising rate curves of return air side in goaf

2.2.2 CO 氣體監(jiān)測與分析

采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)CO 濃度曲線如圖4，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)CO 濃度曲線如圖5。從圖4 與圖5 可以看出，采空區(qū)內(nèi)遺煤在距離工作面40～80 m 范圍內(nèi)容易出現(xiàn)緩慢氧化，65 m 左右氧化顯現(xiàn)比較強(qiáng)烈。

圖4 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)CO 濃度曲線Fig.4 CO concentration curves on the intake air side of goaf

2.2.3 O2濃度監(jiān)測與分析

采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度曲線如圖6，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧氣濃度曲線如圖7。從圖6 與圖7 可以看出，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度逐漸降低，監(jiān)測完成時最終氧氣濃度為9%，但0～30 m 范圍內(nèi)氧氣濃度變化均不太顯著。進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)測點距離工作面0～115 m 為散熱帶和氧化帶范圍，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)測點距離工作面0～100 m 為散熱帶和氧化帶范圍。

圖5 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)CO 濃度曲線Fig.5 CO concentration curves on the return air side of Goaf

圖6 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)O2 濃度曲線Fig.6 Oxygen concentration curves on the intake air side of goaf

圖7 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)O2 濃度曲線Fig.7 Oxygen concentration curves on the return air side of goaf

2.3 CH4 易燃易爆濃度區(qū)域的確定

基于之前為了方便研究做出的假設(shè)和CH4爆炸界限計算公式，公式中的可燃?xì)怏w認(rèn)為只有CH4和CO，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知CO 最高濃度為47×10-6，故不考慮CO 對爆炸影響，CH4最大值取0.052，運用公式計算得CH4爆炸界限值約為0.049 2。運用MATLAB 數(shù)據(jù)分析軟件可知自燃帶和CH4易爆區(qū)間疊加區(qū)域為采空區(qū)內(nèi)靠近回風(fēng)側(cè)方向距離工作面76～100 m。

3 火與瓦斯耦合災(zāi)害區(qū)域的綜合防治技術(shù)

3.1 加強(qiáng)2273工作面采空區(qū)氣體監(jiān)測與預(yù)防

在2274 掘進(jìn)工作面運輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)施工觀測孔，對2273 采空區(qū)內(nèi)定位的火與瓦斯耦合災(zāi)害危險區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，以人工色譜取樣為主，外圍密閉監(jiān)測為輔，觀測孔間隔平均25 m，在接近危險區(qū)域的地方間隔為15 m 左右，1 排1 孔，鉆孔角度為90°垂直向上，終孔透穿2273 采空區(qū)底板并下套管，每班至少抽氣1 次送至地面對各指標(biāo)氣體濃度和溫度進(jìn)行色譜分析，以便更好地預(yù)測危險區(qū)域情況。

3.2 掘進(jìn)期間采空區(qū)內(nèi)耦合危險區(qū)域的防治

1）加強(qiáng)掘進(jìn)巷道支護(hù)，減少向上覆2273 采空區(qū)內(nèi)危險區(qū)域漏風(fēng)。在極近距離煤層2274 掘進(jìn)期間盡量保證巷道一次成形，降低巷道維修工作對上覆采空區(qū)擾動影響，基于煤巖體力學(xué)性質(zhì)和地質(zhì)條件，掘進(jìn)巷道采用工字鋼梯形支護(hù)方式。

2）巷道全斷面噴漿，減少掘進(jìn)期間正壓通風(fēng)向危險區(qū)域漏風(fēng)。期對掘進(jìn)巷道整體噴漿厚度為10 m，封堵漏風(fēng)效果差，確定危險區(qū)域后，將噴漿厚度改為40 m，減少掘進(jìn)期間漏風(fēng)對耦合危險區(qū)域的影響。

3）對上覆2273 采空區(qū)耦合災(zāi)害風(fēng)險區(qū)域及周圍進(jìn)行注漿操作。2274 工作面運輸巷、回風(fēng)巷內(nèi)向2273巷道及危險區(qū)域施工28 個注漿鉆孔兼做瓦斯泄放孔和觀測孔，注漿時直到鉆孔注不進(jìn)去為止，同時在危險區(qū)域和異常高溫區(qū)域補(bǔ)打注漿鉆孔，保持連續(xù)注漿狀態(tài)，并通過未注漿的鉆孔觀測危險區(qū)域情況。

3.3 危險區(qū)域的防治效果

通過上述技術(shù)措施，有效地預(yù)防和控制了上覆2273 采空區(qū)內(nèi)隱藏的火與瓦斯耦合災(zāi)害，掘進(jìn)期間通過檢測得到的CH4含量小于8 m3/t，絕對瓦斯涌出量能維持在 0.5 m3/min，CO 濃度從 1 800×10-6逐漸降到 1 200×10-6，最終穩(wěn)定在 20×10-6。

4 結(jié) 論

1）近距離煤層群開采，下煤層掘進(jìn)期間易產(chǎn)生層間漏風(fēng)，增大了上覆采空區(qū)自然發(fā)火威脅。

2）基于火與瓦斯耦合災(zāi)害定位原理，劃定自燃帶和CH4易爆區(qū)間疊加區(qū)域為2273 采空區(qū)內(nèi)靠近回風(fēng)側(cè)方向距離工作面76～100 m。

3）通過加強(qiáng)巷道支護(hù)、全斷面噴漿、施工觀測鉆孔、注漿鉆孔兼做泄放瓦斯孔等綜合技術(shù)措施，有效的消除了2273 采空區(qū)內(nèi)火與瓦斯耦合災(zāi)害區(qū)域的威脅。