近距離煤層復合采空區煤自燃綜合防治技術

秦波濤, 高遠, 史全林, 時國慶

(1.中國礦業大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學 安全工程學院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤自燃是煤炭開采面臨的重大自然災害之一，嚴重威脅礦井安全生產及礦工生命安全[1-4]。采空區是煤礦井下最易發生煤炭自然發火的區域，占煤自燃發生總數的60%以上[5-6]。由于我國近距離煤層賦存比重大，煤層開采過程頂板垮落產生大量的層間裂隙，使得多層、相鄰的新老采空區相互連通，形成大面積復合采空區。近距離煤層開采形成的復合采空區遺煤分布范圍廣，大量遺煤呈現空間立體分布特點，因此煤自燃隱患點隱蔽性更強；同時，復合采空區存在本煤層相鄰采空區的漏風及不同煤層的層間漏風，漏風量大，漏風規律難以掌握，使得復合采空區煤自燃災害尤為頻繁，危害十分嚴重。

為了掌握近距離煤層復合采空區煤炭自然發火規律，國內外學者主要圍繞復合采空區遺煤反復氧化特性、裂隙發育過程、漏風路線及規律等方面開展了相關研究[7-11]，為復合采空區煤自燃防治提供了一定的理論指導。在復合采空區煤自燃防治技術方面，目前主要采用堵漏、注漿、注惰氣、噴灑阻化劑、灌注凝膠等方式[12-15]，部分學者研究了復合采空區定向注漿、復合注惰氣協同等技術[16-17]，并在煤礦現場進行了應用。但現階段仍缺乏有針對性的復合采空區煤自燃綜合防治技術體系的研究。為此，本文以某礦近距離煤層復合采空區煤自燃高溫隱患綜合治理為背景，基于現場實際與理論分析，對復合采空區煤自燃高溫隱患區域進行快速判別，在此基礎上提出了隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，構建“堵漏控風-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的近距離煤層復合采空區煤自燃綜合防治技術體系(圖1)，有效治理了該礦復合采空區煤自燃。

圖1 復合采空區煤自燃綜合防治技術體系Fig.1 Technical framework of comprehensive prevention and control of coal spontaneous combustion in compound goaf

1 復合采空區煤自燃隱患概述

1.1 復合采空區基本情況

某礦二水平東翼下煤層22310綜采工作面采后形成的采空區如圖2所示。東部為礦井邊界；西部為二水平東專回下延保護煤柱；南部為22290回采工作面；北部為未采實體煤；上覆為21310和21290相鄰連通采空區，21310采空區北部為32010回采工作面，21290采空區南部為即將回采結束的21270工作面。二水平下煤層，即2019年8月已回采結束的22310工作面所采煤層，厚度為2.2～3.8 m，平均厚度為3.0 m，平均煤層傾角為5°30″，屬于自燃煤層，地溫31 ℃，屬于地溫偏高區，煤層原始瓦斯含量為3.7 m3/t，瓦斯壓力為0.3 MPa。2016年1月已回采結束的21310采空區和2017年12月已回采結束的21290采空區所處煤層具有自燃傾向性，為Ⅱ級自燃。由于二水平東翼上下煤層近距離布置，層間距為1.5～10 m，導致本煤層22310采空區與上覆21290采空區、21310采空區連通，形成大面積連通復合采空區。

圖2 22310復合采空區平面Fig.2 Plane of 22310 compound goaf

1.2 22310復合采空區煤自燃氣體異常涌出

22310綜采工作面于2019年8月回撤完畢，并完成永久密閉。其南部相鄰22290備采工作面于2020年2月2日貫通形成全負壓通風。2020年2月20日晚班，22310風巷密閉處出現CO異常情況，對密閉內氣體多次采樣化驗后發現，22310風巷密閉內CO體積分數在1 000×10-6～3 000×10-6之間有較大波動，C2H4體積分數為19×10-6～48×10-6。因局部通風系統不穩定，密閉風流時進時出，22290機巷外段處CO體積分數達12×10-6。由此可見， 22310復合采空區及其連通區域已經出現了高溫自燃隱患，嚴重影響礦井安全生產。

2 復合采空區煤自燃隱患區域分析

通過連續觀測采空區密閉內氣體濃度變化、附近永久密閉壓差變化與進出風狀態，根據采空區漏風源、漏風匯情況及各個已回收結束工作面的層位關系、層間距、地質構造，區段煤柱尺寸，終采線位置及回采期間丟煤情況等地質資料，經分析研判后確定22310復合采空區煤自燃高溫隱患點在22310終采線、22310機巷與21310終采線間垮落的破碎保護煤柱及22310終采線附近區域(圖3)，原因如下。

圖3 22310復合采空區煤自燃高溫隱患區域位置Fig.3 Location of high temperature hidden danger area of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 復合采空區遺煤量大。由圖2及上下煤層工作面位置垂向關系(圖4)可看出，上下煤層終采線走向外錯距離大，層位垂距短。該區域下煤層22310終采線沿走向方向外錯上煤層21310終采線90 m，傾向跨距為140 m，層間距只有1.5 m，上煤層平均厚度為2.2 m。下煤層22310工作面推過上煤層21310終采線90 m，導致上覆采空區約27 700 m3的遺留煤柱垮落至下煤層22310采空區，遺煤量大，極易造成煤自燃隱患。

圖4 上下煤層工作面位置垂向關系Fig.4 Vertical relation of upper and lower coal seam working faces

(2) 復合采空區漏風嚴重。采用SF6示蹤技術探測復合采空區周邊漏風通道，并根據22290機巷外段500 m范圍內CO涌出量變化，判斷22310復合采空區漏風源主要為32010機巷及周邊密閉，漏風匯主要位于22290機巷自外口段往里500 m范圍內。基于漏風源與漏風匯主要位置及采空區采動裂隙O形圈分布特征，得到22310復合采空區漏風路線，如圖5所示。復合采空區堆積的大量松散遺煤位于主要風流擴散路線中，有利于該區域內煤體氧化自熱。

圖5 22310復合采空區主要漏風路線Fig.5 Main air leakage routes in 22310 compound goaf

(3) 復合采空區蓄熱良好。該礦21310工作面、22310工作面終采線外錯，造成上覆煤層采空區的遺留煤柱充分垮落，呈立體松散堆積狀態，具備良好的氧化蓄熱條件。同時，22310工作面停采后回撤周期長，導致復合采空區漏風供氧條件充足、遺煤氧化時間長，在大面積煤柱破碎帶中存在漏風供氧條件適中、熱量易于集聚的區域，為煤的氧化升溫創造了條件。

3 復合采空區煤自燃綜合防治技術

為了快速控制復合采空區煤自燃隱患，防止高溫區域進一步擴大引發采空區瓦斯爆炸等次生災害，筆者及研究團隊提出隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，采用均壓與噴漿相結合減小漏風、注氮惰化采空區的控制措施，達到隱患應急控制的效果；在此基礎上，劃分出治理煤自燃隱患的有效措施區域，分區域進行復合泥漿堵漏、液態CO2冷卻降溫、三相泡沫覆蓋隔氧高效治理措施，構建了“堵漏控風-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的復合采空區煤自燃綜合防治技術體系。

3.1 煤自燃高溫隱患的應急控制技術

(1) 均壓與噴漿減小漏風。為降低復合采空區漏風源與漏風匯兩端之間的壓差，減小漏風對高溫隱患區域的影響，在22310復合采空區主要漏風源處采取均壓措施，如圖6所示。主要通過在22310機巷出煤道施工2道永久風門，在21310機巷與32010機巷間進風道施工2道臨時風門，并將21310機巷回風道密閉墻拆除，達到減小采空區漏風目的。

(a) 均壓措施前

(b) 均壓措施后圖6 22310復合采空區均壓措施Fig.6 Pressure equalization measure of 22310 compound goaf

為減小22290機巷CO涌出量并增大漏風通道風阻，對采空區周圍密閉進行噴涂加固，再貼打密閉，密閉墻之間注羅克休充填；在32010機巷由21310終采線向里100 m至外口段向上幫及頂板噴漿，并壁后注漿，22290機巷由22310終采線以外20 m至以里200 m全斷面噴漿，噴漿厚度不低于6 cm，以保證封堵效果。全斷面噴漿如圖7所示。

圖7 全斷面噴漿Fig.7 Full section shotcrete

(2) 大流量封閉式注氮。利用井下移動式注氮設備在22310機巷密閉進行封閉式大流量注氮：一方面可迅速稀釋高溫隱患區域O2濃度，并使可燃氣失爆，保證防滅火區域安全；另一方面，由于N2屬于正壓大流量注入，可使密閉內及隱患區域氣壓升高，配合均壓措施能有效減小高溫隱患區域漏風。

3.2 煤自燃高溫隱患的高效治理技術

應用上述應急控制技術后，采空區內C2H4體積分數下降至48×10-6，表明復合采空區內煤自燃隱患得到初步控制，但未被完全消除。由于復合采空區煤自燃高溫隱患位置較深，難以在本煤層布置鉆場向高溫隱患區域施工常規防滅火鉆孔。為徹底消除高溫隱患，筆者進一步提出采用分區治理高溫隱患的思路，區域劃分如圖8所示，在采空區隱患區域上方丁組煤層(層間距約為80 m)丁522190風巷延伸開拓消火道并布置鉆場，采用多級護管施工工藝向高溫隱患重點區域施工長距離大直徑下行穿層防滅火鉆孔，能夠準確覆蓋目標區域，充分發揮防滅火材料堵漏、冷卻降溫、覆蓋隔氧作用，從而實現高溫隱患區域的徹底消除。

圖8 22310復合采空區煤自燃高溫隱患治理區域劃分Fig.8 Area division of high temperature hidden danger control of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 水泥-粉煤灰復合泥漿堵漏。為進一步減少采空區漏風及鄰近22290工作面機巷CO涌出量，采用水泥-粉煤灰復合泥漿對Ⅰ區進行堵漏控風。通過在22290機巷終采線位置里外各10 m向22310采空區廢棄巷道及上覆21290采空區施工防滅火鉆孔，利用鉆孔灌注水泥-粉煤灰復合泥漿。由于注漿位置地勢較高，一部分漿液會沿22310終采線區域流向22310機巷區域，對22310終采線附近遺煤達到潤濕降溫效果。Ⅰ區防滅火鉆孔布置如圖9所示。

(2) 液態CO2冷卻降溫。為快速消除采空區煤自燃隱患，采取液態CO2冷卻降溫技術重點治理Ⅱ區。通過丁組煤層鉆場施工的長距離防滅火鉆孔向采空區高溫隱患目標區域壓注液態CO2，實現目標區域大范圍快速惰化與冷卻降溫，加快隱患區域冷熱對流，阻止熱量積聚，達到快速熄滅煤自燃的目的。Ⅱ區部分防滅火鉆孔布置如圖10所示，鉆孔參數見表1。

(a) 平面

(b) 剖面圖10 Ⅱ區部分防滅火鉆孔布置Fig.10 Partial fire prevention boreholes layout in area Ⅱ

表1 Ⅱ區部分防滅火鉆孔參數Table 1 Parameters of fire prevention boreholes in area Ⅱ

(3) 大流量三相泡沫覆蓋隔氧。對采空區高溫隱患目標區域采取復合泥漿堵漏、液態CO2冷卻降溫技術后，為進一步徹底消除煤自燃隱患并防止遺煤復燃，通過Ⅱ區防滅火鉆孔大流量灌注三相泡沫防滅火材料，充分利用三相泡沫對采空區高處遺煤進行覆蓋包裹、充填煤體裂隙、隔絕O2的優勢，使得煤自燃因缺氧而窒息，徹底消除復合采空區煤自燃隱患。

采用上述技術后，復合采空區C2H4和CO體積分數出現明顯波動下降趨勢，分別由初期最大值72.1×10-6和3 912.6×10-6下降至0和20×10-6以下并保持穩定，如圖11所示。可見經過前期隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，徹底消除了22310復合采空區煤自燃隱患，保障了礦井安全生產。

圖11 22310復合采空區煤自燃治理過程中氣體濃度變化曲線Fig.11 Change curves of gas concentration during coal spontaneous combustion control process in 22310 compound goaf

4 結語

(1) 針對某礦復合采空區CO，C2H4等煤自燃氣體大量涌出的異常情況，基于該礦近距離煤層開采地質條件及復合采空區漏風規律等因素，判定煤自燃高溫隱患位于22310終采線、22310機巷與21310終采線之間垮落的破碎煤柱及22310終采線附近區域。

(2) 為高效治理復合采空區煤自燃高溫隱患，提出隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案。采用均壓與噴漿減小漏風、大流量封閉式注氮措施后，有效控制了煤自燃區域進一步擴大，在此基礎上劃分出治理采空區煤自燃隱患的有效措施區域，分區域進行復合泥漿堵漏、液態CO2冷卻降溫、三相泡沫覆蓋隔氧高效治理措施，構建了“堵漏控風-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的復合采空區煤自燃綜合防治技術體系，達到徹底消除煤自燃隱患的效果。

(3) 應用上述治理方案與綜合防滅火技術后，該礦復合采空區內C2H4體積分數由72.1×10-6降至0，CO體積分數由3 912.6×10-6顯著下降并長期穩定在20×10-6以下，表明有效消除了復合采空區煤自燃高溫隱患，保障了鄰近工作面安全開采。