西曲礦12315 工作面煤層自燃預測治理方法研究

郭江江

（西山煤電（集團）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，無河流經過，溝谷低洼處常年無流水，蓋山厚度約160~238 m,平均厚度約199 m。工作面內無煤田鉆孔、煤層氣孔、水源井和小窯井筒分布。南部為12316 采空區，東部為22101 采空區，北部為12306 采空區，西部為12304、12305 采空區。各工作面及大巷均留設保護煤柱。2.3 號煤層厚度穩定，煤厚3.98~4.75 m，平均 4.43m，煤層結構 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 號煤層結構復雜，中下部普遍含有一層泥巖夾石，夾石厚度變化不大。2.3 號煤直接頂板為1.20~3.30 m 的砂質泥巖，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，支護形式為錨桿+鋼帶+錨索支護；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 時工作面的上隅角出現的一氧化碳，最高能達到15×10-⒍，為了確定一氧化碳來源，在上隅角處加設一氧化碳探頭及溫度探頭，監測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通向12306 工作面采空區。通過觀測上隅角數據及鉆孔內一氧化碳濃度從而推測一氧化碳來源，具體數據見表1：

表1 工作面一氧化碳濃度及溫度

通過上面數據可以看出，工作面的溫度無明顯變化，且與大巷中的溫度相近，故一氧化碳不是采空區煤層自燃產生的。通過觀察煤柱鉆孔內的一氧化碳濃度可以看出，煤柱鉆孔內一氧化碳濃度遠遠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源為12315 工作面北部12306 采空區產生的一氧化碳，有采空區煤層自燃的風險。

3 煤層自燃預測技術方案

3.1 打鉆注水觀測煤柱溫度預防煤層自燃

為強化12315 工作面防滅火效果，確保工作面安全生產，現計劃在12315 工作面和12306 工作面煤柱施工煤柱探測注水鉆孔。

根據現12315 工作面回采情況，計劃在工作面正巷5 號點前22.4 m 布置第1 個煤柱注水鉆孔，鉆孔間距為10 m，共布置鉆孔13 個，具體參數見表2：

表2 鉆孔布置參數

根據12315 工作面地測資料，煤柱注水鉆孔開孔位置位于巷道底板以上1.3~1.4 m 范圍內，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, 采用動壓注水, 施工煤柱探孔采用ZQY-1200LPS 型鉆機。

注水工藝及參數確認：鉆孔直徑：75 mm；鉆孔角度：與煤壁逆時針夾角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）鉆孔注水量計算，根據下式計算：

式中：Q為1 個鉆孔注水量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）注水時間：每天24 h 連續動壓注水。注水流量一般在0.3～2 m3/h，由于西曲礦煤質滲透性弱，將注水流量暫定為0.6 m3/h。（注水時間以注水總流量達到規定值或注水流量每小時增加值很小時為止）,單孔預計34 h 注滿。

3）注水期間注水孔采取動壓的注水方式，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：當工作面支架推進至注水孔時對當前注水孔進行封孔，采用人工水泥封孔。

3.2 監測方式及結果

采用鉆孔回水溫度監測的方式，施工鉆孔后對鉆孔進行注水，待鉆孔注水溢出后24 h 監測注水孔內水溫變化情況并記錄，水溫情況出現異常時及時匯報隊組及調度。通過檢測鉆孔內的溫度可以預測預防煤層自燃。

表3 煤柱鉆孔內水溫計一氧化碳濃度

圖3 鉆孔內5m 距離處水溫曲線圖

圖4 鉆孔內15m 距離處水溫曲線圖

通過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，但水溫未達到自燃溫度。

4 預防煤層自燃方案

4.1 加強工作面注氮系統的注氮

將制氮機安放在12316 副巷運料斜坡注氮硐室內，巷道平、直而且支護良好，安設供水管路，具有風量不小于200 m3/min 的新鮮風流，設有獨立的供電電源和饋電開關。注氮泵放置在南三上組煤集中運料巷注氮硐室內。防滅火注氮地點選擇在工作面進風側及正巷上隅角處，氮氣釋放口的位置為深入采空區距工作面切頂線30 m。沿正、副巷向采空區埋設第1 條注氮支管，隨工作面推進30 m 后，埋入第2 條注氮支管，當工作面推過第2 條注氮支管30 m 后，斷開第1條注氮支管，把斷開處與第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注氮，直至工作面開采結束。注氮管口用石塊或木垛加以保護，氮氣釋放口處管路打1m 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）采空區由于漏風容易引起浮煤氧化產生高溫或自燃，防滅火硅膠配水形成膠體材料后，在綜采支架后面進行噴灑，一個循環噴灑一次，使采空區形成條狀隔離帶，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，膠體材料保水時間半年以上，在部分失水時，只需補充少量水份，膠體即可再生，恢復膠體的功能。

2）開切眼、停采線、高頂浮煤處以及在順槽進行噴灑。

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

4）綜采工作面的上、下隅角每個圓班進行1 次噴灑。

4.3 其他預防措施

1）測風員必須按規定對12315 工作面沿線所有巷道進行測風，保證風量滿足要求，每次測風結果應當記錄并寫在測風地點的記錄牌上，發現風量變化時，必須及時調整風量并分析查明原因。

2）工作面回采時，在上隅角吊掛導風障，減少工作面采空區漏風，同時吊掛一氧化碳便攜式檢測儀，確保安全生產。

3）加強統計12315 上隅角及液壓支架之間的瓦斯濃度及一氧化碳濃度、溫度情況。

4）加強檢查12315 采空區對應的地表漏風情況，采用煙霧管進行觀測檢查，并做好記錄。

5）在滿足12315 上隅角瓦斯濃度低于規定的值，通過通風調配管路泄壓側三通閥門，減少上隅角進入抽采管路中的混合氣體流量，降低了抽采負壓，減少抽采量，減少采空區氣體涌出。

5 結 論

通過對工作面正巷煤柱處打設鉆孔，加強對工作面上隅角及煤柱處的溫度及一氧化碳濃度的檢測，達到預防煤層自燃的效果，同時對工作面上隅角處進行注氮加強噴灑阻化劑等措施達到降低工作面煤層自燃風險的效果，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，達到了良好效果，保證了工作面安全回采。