高瓦斯不易自燃煤層綜采面采空區高溫隱患治理技術

鄧林峰

(中國中煤能源集團有限公司,北京 100020)

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

黃巖匯煤礦位于山西沁水煤田東北部,核定生產能力90萬t/a,主采石炭系上統太原組15#煤層(無煙煤),為煤與瓦斯突出、不易自燃煤層。15113工作面位于礦井一采區南部,東部為15111工作面采空區,西部為未采區,北部為大巷保護煤柱,南部為井田邊界與村莊保護煤柱。工作面走向長度2 200 m,傾斜長度230 m,煤層平均厚度5.2 m,煤層傾角2°～8°,煤層原始瓦斯含量5.32 m3/t。采用走向長壁一次采全高綜采工藝,完全垮落法管理頂板,布置133個寬度1.75 m的綜采支架;采用U型通風方式,頂板高抽巷、順層鉆孔等瓦斯抽采方法。工作面絕對瓦斯涌出量98 m3/min,相對瓦斯涌出量30 m3/t,正常生產期間配風量2 300 m3/min。

1.2 采空區高溫隱患概況

2021年4月上旬工作面推進約1 560 m時遇多個斷層,導致工作面推進緩慢。4月11日至19日工作面受“4.10”新疆豐源煤礦事故影響停產。4月29日工作面推進約1 580 m時,又受鐵路壓煤影響停產,當天工作面高抽巷傳感器首次檢測出CO氣體,體積分數為1×10-6～3×10-6,采取噴灑阻化劑、投放干冰、打設擋風墻、灌注凝膠劑等措施后,CO體積分數維持在5×10-6～6×10-6。5月24日工作面開始準備回撤作業。7月8日工作面進行撤架前通風系統調整,風量降為1 100 m3/min,風流反向。7月11日13時高抽巷CO體積分數突然逐步上升,至7月13日CO體積分數最大達到1×10-3。同時工作面回風隅角檢測CO體積分數最大達到6.5×10-5,回風流檢測CO體積分數最大達到9×10-5;工作面104#—130#支架架間取樣檢測CO體積分數最大達到6×10-4,架后5 m、15 m采空區CO體積分數最大均達到5×10-3。

CO異常升高后,初步推斷工作面靠軌道順槽側采空區松散煤體存在氧化自熱高溫點,于是在軌道順槽內和支架架間,利用管路、鉆孔等向采空區丟煤帶大量灌注液態CO2和凝膠劑,但效果不明顯。高抽巷、回風隅角、回風流CO體積分數持續上升，并出現微量乙烯氣體。7月15日決定對工作面進行封閉。為避免采空區瓦斯參與燃燒,加劇工作面火勢,決定暫時保留高抽巷抽采。

2 高溫隱患情況分析

2.1 形成原因分析

1)蓄熱環境良好。工作面末采至距停采線20～25 m范圍內，靠軌道順槽側104#—130#支架附近遇多個高差2～3 m的斷層,過斷層影響地質異常區沿頂回采時,斷層位置大量頂煤遺留至采空區,最大厚度達4.2 m,范圍達45 m,形成良好的熱量積聚環境。

2)供氧條件充分。工作面U型通風、高抽巷大流量抽采為遺煤氧化提供了漏風供氧動力支持,特別是工作面通風系統調整后,新鮮風流直接從軌道順槽進風隅角及斷層帶附近煤體破碎區大量漏入采空區,為遺煤氧化提供了連續充足的供氧條件。

3)氧化時間充足。工作面末采期間受斷層構造、國內煤礦安全事故、鐵路專線壓煤等綜合因素影響,導致推進受阻(僅推進不到30 m)、停產時間長(3個月內兩次停產近60 d),為遺煤氧化提供了充足的蓄熱時間。遺煤長期氧化自熱,出現CO異常。

2.2 高溫情況分析

工作面調風前高抽巷、回風流、回風隅角已持續檢測到CO氣體,根據煤的氧化自熱特點、工作面推進速度、采空區丟煤情況、采空區漏風供氧環境、標志性氣體檢測結果,以及初步處理措施效果等因素的綜合分析,104#—130#支架后25 m附近是采空區遺煤氧化自熱發火位置且氧化自熱點時間較久。結合現場打鉆測溫,以及15#煤層氧化自熱特性參數等推斷,采空區遺煤氧化自熱高溫點最高煤溫在150℃～200℃之間。工作面封閉前檢測出C2H4氣體,表明氧化自熱即將發展到明火階段。

2.3 治理難點分析

黃巖匯煤礦15#煤層自然發火實驗測試結果顯示,煤樣臨界溫度在80℃左右時,5%～7%的供氧濃度就可以維持煤的氧化作用,煤溫依然有上升趨勢;溫度在150℃以上時,3%～5%的供氧濃度,不到一天時間就可能會出現明火。工作面前期采取的防滅火技術,以及主動封閉工作面的措施安全合理,但工作面架后松散煤體遺煤量大、斷層影響范圍廣、自熱過程發展期較長、局部高位氧化煤體周圍煤巖體溫度較高、蓄熱量大,存在降氧控制難度大、窒息滅火周期長、易反復自熱等難點。另外,工作面瓦斯涌出量大,封閉采空區容易造成瓦斯積聚,還存在引發次生事故的危險[1-2]。

3 高溫隱患治理方案及效果

15113工作面采空區出現高溫隱患后,先是考慮在具備近距離治理的條件下,從“降氧、降溫、隔離”三方面著手,采取井下灌注液態CO2惰化降溫、鉆孔注凝膠充填隔離、降低工作面風量等手段,在工作面附近進行治理工作。工作面出現C2H4氣體后,考慮到遺煤氧化自熱升溫速度急劇加快,又重新確定了“先封閉、再治理、后啟封”的總體思路,采取以降溫為主的防滅火技術手段,從地面向封閉區立體式灌注液態CO2以控制和治理高溫隱患區[3-4]。

3.1 工作面封閉前

1)井下注液態CO2惰化降溫。液態CO2是近年來新型高效防滅火技術,1 t液態CO2體積可膨脹至640 m3且不含氧氣,滅火時可迅速擠占氧氣空間、降低氧氣濃度、吸收大量熱量,對火區起到快速降氧、降溫、抑爆作用[5-7]。采用礦用移動式液態CO2罐(容量2 t),在15113軌道順槽距離工作面20 m位置,通過軌道順槽隅角預留Φ108 mm管路對采空區壓注液態CO2;同時在125#—128#支架間施工傾角23°、長度22 m的鉆孔,通過Φ19 mm管路向工作面支架后方壓注液態CO2,共計注入約20 t。采空區注液態CO2管路布置如圖1所示。

圖1 液態CO2灌注管路布置示意圖Fig.1 Layout of liquid CO2 filling pipeline

2)長短孔注凝膠充填隔離。凝膠劑充填在松散煤體裂隙內,包裹煤體、團結水分且不易泄露流失,對煤體起到快速降溫、隔離、阻化作用[8]。采用礦用移動式防滅火注漿裝置,在104#—130#支架架間施工10組20個傾角、長度分別為44°、8 m和28°、18 m的長短鉆孔,通過管路向架后區域壓注凝膠劑,共計注入約7.5 t。同時向支架間隙、架后三角區,以及進、回風隅角處噴灑凝膠劑,共計噴灑約38 t。

3)工作面末采及回撤期間在進、回風隅角打設臨時擋風墻。用黃泥對擋風墻抹面,噴涂防滅火凝膠,并在墻上覆蓋風筒布確保嚴密不漏風。

3.2 工作面封閉時

7月15日工作面封閉,在膠帶順槽、軌道順槽巷口往里頂底板完好區域各施工一道厚度1.5 m的永久密閉墻,里墻、外墻使用紅磚、水泥砌筑,中間使用黃土充填嚴實。墻體與巷道做整體噴漿處理。工作面封閉區域內布置6個束管監測點,分別位于軌道順槽密閉墻內、板閉內、進風隅角、進風隅角采空區20 m處,以及127#—128#支架間高位鉆孔和膠順順槽密閉墻內。

3.3 工作面封閉后

1)地面注液態CO2惰化降溫。利用礦井Φ159 mm主壓風管路與軌道順槽內Φ108 mm壓風管路和原預留埋入采空區的Φ108 mm管路連接,連通地面罐車(容量24 t)氣化器向井下采空區持續灌注液態CO2,平均灌注流量約1.5 t/h。至2021年8月10日各束管監測點CO含量全部歸零,累計灌注液態CO2近700 t。

2)地面施工鉆孔注液態CO2。在地面向工作面112#、120#和128#支架后約20～25 m處采空區位置施工3個孔徑Φ130 mm的鉆孔,終孔位置在15#煤層底板往上20 m冒落帶處,利用鉆孔向孔內壓注液態CO2。至2021年8月10日各束管監測點CO含量全部歸零,累計灌注液態CO2約90 t。

3)逐步降低高抽巷抽采混量,7月20日軌道順槽隅角往里20 m處O2含量降至12%以下后停止高抽巷抽采。

3.4 治理效果分析

1)15113工作面封閉前采取井下注液態CO2惰化降溫、鉆孔注凝膠充填隔離、降低工作面風量等手段近距離治理采空區高溫隱患,對遺煤快速劇烈氧化起到一定減緩抑制效果,回風隅角和回風巷CO體積分數從最高的5.2×10-5和7.3×10-5下降到2.7×10-5和4.1×10-5。但采空區內CO體積分數依然保持在1.0×10-3以上、O2體積分數保持在18%以上,相對高溫隱患發展,井下移動式注液態CO2灌注量小、工序多、周期長、效果較慢,維持上述治理方法,不能高效消除遺煤氧化產生的熱量,隱患風險可能會進一步擴大。

2)15113工作面封閉后從地面管路、鉆孔向采空區持續大量的灌注液態CO2,立體式治理采空區高溫隱患,灌注量由6 t/d提升到15 t/d以上,6個束管監測點檢測封閉區內CO2持續上升,CO和O2體積分數迅速下降,采空區遺煤氧化自熱異常區浮煤氧化升溫得到有效遏制。8月10日封閉區域內CO體積分數全部歸零,CH4體積分數維持在0.5%以下,O2體積分數穩定在1%左右,無C2H2、C2H4,兩道封閉墻內溫度25℃左右與日常溫度相同。

4 結論

1)不易自燃煤層在具備良好的蓄熱環境、充分的供氧條件、充足的蓄熱時間的情況下也會引起浮煤自燃,出現自然發火隱患。應提高不易自燃煤層過地質構造、長時間停產等特殊時期的防滅火要求,制定專項針對性措施。

2)工作面通風系統調整使得采空區自然氧化“三帶”重新分布,增加了采空區浮煤自然發火危險。

3)工作面持續大量灌注液態CO2對火區起到快速降氧、降溫、抑爆作用;同時采取長短孔注凝膠充填隔離的措施,對煤體起到快速降溫、隔離、阻化作用,實現了高溫隱患區的安全封閉,有效控制了高溫隱患的發展,防止了自燃火災和瓦斯事故的發生。封閉治理后達到了火區啟封要求,為礦井安全復產生產提供了條件。