西曲礦12315 工作面煤層自燃預(yù)測(cè)治理方法研究

郭江江

（西山煤電（集團(tuán)）公司西曲礦，山西古交 030200）

1 工作面摘要

工作面井上位于原南坪村，地表以山地地形為主，無(wú)河流經(jīng)過(guò)，溝谷低洼處常年無(wú)流水，蓋山厚度約160~238 m,平均厚度約199 m。工作面內(nèi)無(wú)煤田鉆孔、煤層氣孔、水源井和小窯井筒分布。南部為12316 采空區(qū)，東部為22101 采空區(qū)，北部為12306 采空區(qū)，西部為12304、12305 采空區(qū)。各工作面及大巷均留設(shè)保護(hù)煤柱。2.3 號(hào)煤層厚度穩(wěn)定，煤厚3.98~4.75 m，平均 4.43m，煤層結(jié)構(gòu) 3.10（0.20）1.10 m，煤層整體傾向西南，傾角2°~7°，一般為4°。2.3 號(hào)煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中下部普遍含有一層泥巖夾石，夾石厚度變化不大。2.3 號(hào)煤直接頂板為1.20~3.30 m 的砂質(zhì)泥巖，老頂為2.35 m 的中粒砂巖，底板為8.56 m 的泥巖。該工作面副巷長(zhǎng)度為400 m，巷道形狀為矩形和梯形，矩形巷道寬為4.5 m，高為3.5 m，凈斷面積為15.8 m2，支護(hù)形式為錨桿+鋼帶+錨索支護(hù)；梯形巷道上寬3.3 m，下寬4.3 m，高3.2 m，凈斷面積為12.16 m2。

2 一氧化碳超限原因分析

工作面回采到150 m 時(shí)工作面的上隅角出現(xiàn)的一氧化碳，最高能達(dá)到15×10-⒍，為了確定一氧化碳來(lái)源，在上隅角處加設(shè)一氧化碳探頭及溫度探頭，監(jiān)測(cè)上隅角的一氧化碳濃度及溫度，并在工作面正巷處向煤柱打設(shè)通向12306 工作面采空區(qū)。通過(guò)觀測(cè)上隅角數(shù)據(jù)及鉆孔內(nèi)一氧化碳濃度從而推測(cè)一氧化碳來(lái)源，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1 工作面一氧化碳濃度及溫度

通過(guò)上面數(shù)據(jù)可以看出，工作面的溫度無(wú)明顯變化，且與大巷中的溫度相近，故一氧化碳不是采空區(qū)煤層自燃產(chǎn)生的。通過(guò)觀察煤柱鉆孔內(nèi)的一氧化碳濃度可以看出，煤柱鉆孔內(nèi)一氧化碳濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上隅角一氧化碳濃度，故可以看出12315 工作面一氧化碳濃度主要來(lái)源為12315 工作面北部12306 采空區(qū)產(chǎn)生的一氧化碳，有采空區(qū)煤層自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

3 煤層自燃預(yù)測(cè)技術(shù)方案

3.1 打鉆注水觀測(cè)煤柱溫度預(yù)防煤層自燃

為強(qiáng)化12315 工作面防滅火效果，確保工作面安全生產(chǎn)，現(xiàn)計(jì)劃在12315 工作面和12306 工作面煤柱施工煤柱探測(cè)注水鉆孔。

根據(jù)現(xiàn)12315 工作面回采情況，計(jì)劃在工作面正巷5 號(hào)點(diǎn)前22.4 m 布置第1 個(gè)煤柱注水鉆孔，鉆孔間距為10 m，共布置鉆孔13 個(gè)，具體參數(shù)見(jiàn)表2：

表2 鉆孔布置參數(shù)

根據(jù)12315 工作面地測(cè)資料，煤柱注水鉆孔開(kāi)孔位置位于巷道底板以上1.3~1.4 m 范圍內(nèi)，終孔距頂板豎直距離為1 m 左右，煤柱鉆孔終孔水平投影位于煤柱中心線位置, 采用動(dòng)壓注水, 施工煤柱探孔采用ZQY-1200LPS 型鉆機(jī)。

注水工藝及參數(shù)確認(rèn)：鉆孔直徑：75 mm；鉆孔角度：與煤壁逆時(shí)針夾角30°。

圖1 12315 工作面煤柱注水孔剖面圖

圖2 12315 工作面煤柱注水孔示意圖

1）鉆孔注水量計(jì)算，根據(jù)下式計(jì)算：

式中：Q為1 個(gè)鉆孔注水量m3;B為孔間距，取10m；L為孔深度，取 16 m；M為煤層最大厚度，取4.75 m；r為煤容重，取1.34 t/m3;q為噸煤注水量，取0.02m3/t。

因此，Q=16×10×4.75×1.34×0.02=20.368 m3

2）注水時(shí)間：每天24 h 連續(xù)動(dòng)壓注水。注水流量一般在0.3～2 m3/h，由于西曲礦煤質(zhì)滲透性弱，將注水流量暫定為0.6 m3/h。（注水時(shí)間以注水總流量達(dá)到規(guī)定值或注水流量每小時(shí)增加值很小時(shí)為止）,單孔預(yù)計(jì)34 h 注滿。

3）注水期間注水孔采取動(dòng)壓的注水方式，注水孔必須保證24 h 不間斷注水，注水壓力3~5 MPa，安裝注水表并記錄注水量。

4）封孔深度：封孔深度確定為2 m 以上。

5）封孔方式：當(dāng)工作面支架推進(jìn)至注水孔時(shí)對(duì)當(dāng)前注水孔進(jìn)行封孔，采用人工水泥封孔。

3.2 監(jiān)測(cè)方式及結(jié)果

采用鉆孔回水溫度監(jiān)測(cè)的方式，施工鉆孔后對(duì)鉆孔進(jìn)行注水，待鉆孔注水溢出后24 h 監(jiān)測(cè)注水孔內(nèi)水溫變化情況并記錄，水溫情況出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)匯報(bào)隊(duì)組及調(diào)度。通過(guò)檢測(cè)鉆孔內(nèi)的溫度可以預(yù)測(cè)預(yù)防煤層自燃。

表3 煤柱鉆孔內(nèi)水溫計(jì)一氧化碳濃度

圖3 鉆孔內(nèi)5m 距離處水溫曲線圖

圖4 鉆孔內(nèi)15m 距離處水溫曲線圖

通過(guò)上圖可以看出隨著鉆孔距離的深入，水溫逐漸上升，一氧化碳濃度變高，但水溫未達(dá)到自燃溫度。

4 預(yù)防煤層自燃方案

4.1 加強(qiáng)工作面注氮系統(tǒng)的注氮

將制氮機(jī)安放在12316 副巷運(yùn)料斜坡注氮硐室內(nèi)，巷道平、直而且支護(hù)良好，安設(shè)供水管路，具有風(fēng)量不小于200 m3/min 的新鮮風(fēng)流，設(shè)有獨(dú)立的供電電源和饋電開(kāi)關(guān)。注氮泵放置在南三上組煤集中運(yùn)料巷注氮硐室內(nèi)。防滅火注氮地點(diǎn)選擇在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)及正巷上隅角處，氮?dú)忉尫趴诘奈恢脼樯钊氩煽諈^(qū)距工作面切頂線30 m。沿正、副巷向采空區(qū)埋設(shè)第1 條注氮支管，隨工作面推進(jìn)30 m 后，埋入第2 條注氮支管，當(dāng)工作面推過(guò)第2 條注氮支管30 m 后，斷開(kāi)第1條注氮支管，把斷開(kāi)處與第2 條管路相連接，以此類推，必須保證正、副巷有一趟注氮管路能正常連續(xù)注氮，直至工作面開(kāi)采結(jié)束。注氮管口用石塊或木垛加以保護(hù)，氮?dú)忉尫趴谔幑苈反?m 花眼，采取防堵措施，保證注氮管路暢通，注氮口距底板巷道高度在300 mm 以上。

4.2 阻化劑使用

1）采空區(qū)由于漏風(fēng)容易引起浮煤氧化產(chǎn)生高溫或自燃，防滅火硅膠配水形成膠體材料后，在綜采支架后面進(jìn)行噴灑，一個(gè)循環(huán)噴灑一次，使采空區(qū)形成條狀隔離帶，膠體材料成膜后附著在煤、壓矸石等表面或滲透至縫隙帶，形成膜狀覆蓋，達(dá)到降溫滅火之功效，形成1m3膠體溶液需防滅火硅膠5~8 kg，膠體材料保水時(shí)間半年以上，在部分失水時(shí)，只需補(bǔ)充少量水份，膠體即可再生，恢復(fù)膠體的功能。

2）開(kāi)切眼、停采線、高頂浮煤處以及在順槽進(jìn)行噴灑。

3）巷道頂板破碎帶、破碎煤柱以及離層區(qū)注漿，以達(dá)到填充裂隙、封堵漏風(fēng)的作用，并且降溫除塵防止氧化自燃。

4）綜采工作面的上、下隅角每個(gè)圓班進(jìn)行1 次噴灑。

4.3 其他預(yù)防措施

1）測(cè)風(fēng)員必須按規(guī)定對(duì)12315 工作面沿線所有巷道進(jìn)行測(cè)風(fēng)，保證風(fēng)量滿足要求，每次測(cè)風(fēng)結(jié)果應(yīng)當(dāng)記錄并寫(xiě)在測(cè)風(fēng)地點(diǎn)的記錄牌上，發(fā)現(xiàn)風(fēng)量變化時(shí)，必須及時(shí)調(diào)整風(fēng)量并分析查明原因。

2）工作面回采時(shí)，在上隅角吊掛導(dǎo)風(fēng)障，減少工作面采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)吊掛一氧化碳便攜式檢測(cè)儀，確保安全生產(chǎn)。

3）加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)12315 上隅角及液壓支架之間的瓦斯?jié)舛燃耙谎趸紳舛取囟惹闆r。

4）加強(qiáng)檢查12315 采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地表漏風(fēng)情況，采用煙霧管進(jìn)行觀測(cè)檢查，并做好記錄。

5）在滿足12315 上隅角瓦斯?jié)舛鹊陀谝?guī)定的值，通過(guò)通風(fēng)調(diào)配管路泄壓側(cè)三通閥門(mén)，減少上隅角進(jìn)入抽采管路中的混合氣體流量，降低了抽采負(fù)壓，減少抽采量，減少采空區(qū)氣體涌出。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)工作面正巷煤柱處打設(shè)鉆孔，加強(qiáng)對(duì)工作面上隅角及煤柱處的溫度及一氧化碳濃度的檢測(cè)，達(dá)到預(yù)防煤層自燃的效果，同時(shí)對(duì)工作面上隅角處進(jìn)行注氮加強(qiáng)噴灑阻化劑等措施達(dá)到降低工作面煤層自燃風(fēng)險(xiǎn)的效果，將工作面上隅角處的一氧化碳濃度從12×10-⒍降低到 5×10-⒍，達(dá)到了良好效果，保證了工作面安全回采。