特厚煤層孤島面“呼吸效應(yīng)”影響下煤自燃防控技術(shù)

郁亞楠，趙慶偉，程 明，王新堂，郭 軍

(1.鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司 唐家會煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000；3.陜煤集團銅川礦業(yè)有限公司 下石節(jié)煤礦，陜西 銅川 727101；4.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

我國是煤炭生產(chǎn)及消費大國，在相當長時間內(nèi)煤炭依然是我國最重要的能源資源[1]。隨著煤炭開采強度的不斷增強，需要新建及擴建礦井來應(yīng)對煤炭需求量增加的問題，這樣勢必造成煤礦災(zāi)害增多[2-4]。在礦井五大災(zāi)害中火災(zāi)事故最為突出[5]，其主要表現(xiàn)形式為煤自燃災(zāi)害[6-8]。據(jù)統(tǒng)計因煤自燃導(dǎo)致的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的為70%[9-12]。礦井一旦發(fā)生煤自燃火災(zāi)，輕則影響生產(chǎn)，重則造成人員傷亡，嚴重威脅著礦井安全生產(chǎn)，因此，防火工作在礦井生產(chǎn)過程中顯得尤為重要[13-16]。近年來，學(xué)者們在煤自然發(fā)火防控理論及技術(shù)等方面已經(jīng)做了大量的研究[17-21]。金永飛等通過分析花山煤礦4238工作面高冒區(qū)的發(fā)火原因、過程及治理難點，基于液態(tài)CO2汽化吸熱及惰化降氧的原理，采用井下注液態(tài)二氧化碳的方法成功治理了高冒區(qū)的發(fā)火隱患[22]；鄧軍等對孟巴礦特厚煤層1210孤島工作面在高溫高濕環(huán)境下可能導(dǎo)致煤自然發(fā)火的原因進行了分析，采用監(jiān)測、膠體堵漏及注氮惰化等措施保證了工作面的生產(chǎn)[23]；常緒華等通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，分析了采空區(qū)漏風(fēng)范圍、浮煤厚度及氣體濃度變化規(guī)律，進而劃分出孤島面煤自燃危險區(qū)域確定了煤自燃氧化升溫帶范圍，為防火工作提供了幫助[24]；楊焱等分析運河礦1302孤島綜放面在回采過程中，會產(chǎn)生多種漏風(fēng)源及漏風(fēng)匯，形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道問題，針對多源多匯問題通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法判定該工作面的“三帶”分布規(guī)律，為孤島工作面防火提供指導(dǎo)[25]。上述學(xué)者均以堵漏惰化為思想，提出注水注漿及噴阻化劑等多種防治技術(shù)且取得成效，但不同條件下采取的措施不盡相同。

唐家會煤礦61102工作面為孤島工作面，在回采過程中揭露斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在回采過程中受采動及沖擊地壓的影響，煤柱和頂板容易被壓酥、壓裂產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致61102進回風(fēng)巷道與相鄰采空區(qū)相互貫通形成漏風(fēng)通道。在頂板跨落及失穩(wěn)特性的影響下，工作面推進速度緩慢，給遺煤自燃提供了氧化時間，增大自然發(fā)火的幾率。針對唐家會煤礦61102孤島綜放面實際情況，提出了“控氧控溫、減氧降溫”的防火思路，通過采取煤柱加固、封堵漏風(fēng)、惰化降氧及注膠降溫等綜合防火措施，為工作面的安全收作提供了保障。

1 工作面概況

唐家會煤礦為了不受相鄰工作面生產(chǎn)影響及煤層瓦斯防治需要，工作面之間采用跳采的方式進行生產(chǎn)，這樣就形成了孤島工作面。唐家會煤礦首采面61101工作面采完后直接回采61103工作面，導(dǎo)致61102工作面相鄰兩側(cè)均為采空區(qū)，形成孤島工作面，如圖1所示。

圖1 工作面位置關(guān)系

61102工作面北部為61101工作面，南部為61103工作面，標高為+774.5～+798.2 m，走向長度1 007.1 m，傾斜寬度233.8 m。煤層傾角0～4°，煤厚13.7～22.2 m不等，平均厚度18.3 m。工作面采用長壁后退式綜合機械化放頂采煤法，采高約4 m，采放比約為1∶3，回采率約為93%。煤層頂?shù)装鍖僦杏残蛶r體結(jié)構(gòu)，具有典型脆性巖石變形破壞特征，受采動影響破壞范圍大，影響程度高。煤層為長焰煤煤種，屬于Ⅰ類容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為35 d。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，運輸巷進風(fēng)、軌道巷回風(fēng)。

2 收作期間煤自燃原因分析

根據(jù)煤自燃特性及現(xiàn)場工作面環(huán)境因素，對造成采空區(qū)煤自燃的原因進行分析。

2.1 遺煤堆積

61102工作面采用綜放開采技術(shù)，采放比約為1∶3，回采率約為93%，對于大采高綜放而言回采率較低，致使采空區(qū)內(nèi)有大量遺煤。根據(jù)現(xiàn)場觀察，在采掘過程中受到?jīng)_擊地壓的作用，煤體跨落，容易形成松散狀態(tài)，堆積在兩順槽內(nèi)，隨著工作面的推進，遺煤進入采空區(qū)深部，在一定的漏風(fēng)供氧條件下，遺煤蓄熱升溫達到煤的著火點，引起煤自燃災(zāi)害。

2.2 相鄰采空區(qū)呼吸作用

61102工作面南北兩側(cè)均為采空區(qū)，受沖擊地壓的影響，煤柱容易破裂形成漏風(fēng)通道，在主扇風(fēng)壓和自然風(fēng)壓的作用下，工作面與相鄰采空區(qū)會出現(xiàn)“呼吸”現(xiàn)象(即隨著外界風(fēng)壓、氣壓等因素影響，本孤島工作面與相鄰采空區(qū)氣壓存在差異，通過破碎煤柱進行氣體交換現(xiàn)象)。在“呼吸”作用下，破碎的煤柱及煤柱側(cè)采空區(qū)內(nèi)的浮煤受到漏風(fēng)供氧的影響，容易氧化自燃，大大增加了自然發(fā)火的危險。

唐家會煤礦61102進風(fēng)順槽與61103采空區(qū)、回風(fēng)順槽與61101采空區(qū)煤柱內(nèi)安設(shè)U型水柱計同步觀測內(nèi)外壓差變化數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 氣壓變化數(shù)據(jù)

從圖2可知，若當內(nèi)外壓差為正值時，說明采空區(qū)內(nèi)的氣壓大于順槽內(nèi)的氣壓，相鄰采空區(qū)的有毒有害氣體會通過漏風(fēng)通道涌入順槽內(nèi)，對現(xiàn)場工作人員造成威脅；當內(nèi)外壓差為負值時，采空區(qū)內(nèi)的氣壓小于順槽內(nèi)的氣壓，順槽內(nèi)的氣體流入采空區(qū)，為采空區(qū)浮煤提供了良好的供氧條件。且內(nèi)外壓差絕對值越大，說明相鄰采空區(qū)與進回順槽之間的壓差越大，呼吸現(xiàn)象越明顯。在長期“呼吸”作用下煤體破碎區(qū)內(nèi)漏風(fēng)供氧，容易發(fā)生自燃。

2.3 氧化時間

61102工作面煤層屬于Ⅰ類容易自燃煤層，其最短自然發(fā)火期為35 d。工作面在末采階段推進速度相對較慢，在受采動覆巖垮落、沖擊地壓及過斷層的影響，推進速度變得更加緩慢，采空區(qū)氧化帶寬度大，其中6月份推進速度約為1.2 m/d；此外6月15日工作面臨時停采10 d。都為遺煤氧化蓄熱創(chuàng)造了條件。

3 收作期間煤自燃綜合防控技術(shù)

61102工作面在停采收作期間，工作面相當于處在靜止狀態(tài)，此時，往往會發(fā)生煤自燃危害。為了防止采空區(qū)遺煤自燃，需采取一系列防火措施。通過對61102工作面煤自然發(fā)火原因及特點分析，確定以“控氧控溫、減氧降溫”為主的防火思路，采取建隔離帶煤柱加固、堵漏控氧、注氮惰化及注膠降溫等綜合防火措施，預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃危害，確保工作面的安全收作。

3.1 煤柱加固

61102工作面受采動影響形成“C”型覆巖空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤柱產(chǎn)生不同程度的變形，根據(jù)對61102進風(fēng)順槽與61103采空區(qū)、回風(fēng)順槽與61101采空區(qū)內(nèi)外壓差數(shù)據(jù)分析，確定相鄰采空區(qū)存在“呼吸”現(xiàn)象。因此，需要對沿空巷道及聯(lián)絡(luò)巷存在的破碎區(qū)域噴涂KA-DL材料進行加固堵漏處理。其中，距離主回撤巷道40～60 m處至主回撤巷道范圍內(nèi),3#，2#，2#～1#聯(lián)巷兩幫及破碎帶分別噴涂KA-DL材料960，1160，800，580 kg，噴涂位置為紅色區(qū)域如圖3所示。通過噴涂KA-DL材料不僅保證了煤柱不會因沖擊地壓而壓裂又很好的預(yù)防了相鄰采空區(qū)之間的相互貫通現(xiàn)象。

圖3 噴涂位置

3.2 堵漏控氧

3.2.1 建隔離帶

在工作面上、下隅角建沙袋密閉墻，表面進行噴涂堵漏形成臨時隔離墻；兩端支架20 m范圍內(nèi)布置風(fēng)帳形成擋風(fēng)墻，以防大量風(fēng)流漏入采空區(qū)。沙袋密閉墻及擋風(fēng)墻示意圖如圖4、5所示。

圖4 沙袋密閉墻

圖5 支架后部擋風(fēng)墻

3.2.2 控制風(fēng)量

1)采空區(qū)整體控風(fēng)：工作面回采至停采線時，調(diào)整工作面的通風(fēng)系統(tǒng)，將風(fēng)量由停采前1 400 m3/min，降低到600 m3/min，并根據(jù)回撤實際進度及工作面氣體指標的實際情況，對通風(fēng)量做出相應(yīng)的調(diào)整。

2)重點區(qū)域控風(fēng)：在工作面距停采線約30 m處后，開始停止放煤，并在30 m處及終采位置液壓支架架尾5 m位置處各施工一道防火隔墻，其厚度為3 m。且對最后一道墻體噴涂KA-DL礦用堵漏劑，達到固化堵漏風(fēng)的效果。

3)局部控風(fēng)：當工作面與主回撤通道相貫通時，將主回撤通道的控風(fēng)設(shè)施進行拆除，采用局部通風(fēng)的方式對拆架過程中頂板垮落導(dǎo)致通風(fēng)不暢的地方進行送風(fēng)。并對采空區(qū)所對應(yīng)的地面位置進行沉降觀測，對大于50 mm的裂隙進行填埋處理，減少地表漏風(fēng)的概率。

3.3 惰化降氧

針對61102工作面現(xiàn)場環(huán)境及遺煤自燃特點，對采空區(qū)實施注氮措施。在工作面運輸順槽預(yù)埋3趟注氮管路，1#注氮管：釋放口距停采線85 m，2#注氮管：釋放口距停采線45 m，3#注氮管：釋放口距停采線20 m。共注氮量約537 600 m3，其中，1#注氮管于12月10日～12月19日累計注氮量約為172 800 m3；2#與3#注氮管于12月17日～1月23日累計注氮量約為364 800 m3。

3.4 注膠降溫

針對工作面防火需求，施工巷道防火孔(主回撤通道及聯(lián)巷)和支架防火孔(架間、架頂及架后)2種防火孔，總計施工鉆孔約215個。采用西安科技大學(xué)研發(fā)的井下移動式注膠機和XKM16高分子材料，通過防火孔治理隱患區(qū)，以達到降溫隔離的作用，保證工作面收作的安全。鉆孔施工圖及注膠工藝圖如圖6、7所示。

圖6 鉆孔施工

圖7 注膠工藝

巷道防火孔：61102主回撤3條聯(lián)巷周圍共計施工了38個防火孔。其中幫部4 m深防火孔20個，頂部8 m深防火孔18個。

支架防火孔：61102工作面運順到回順方向每5架架頂、架尾各施工1個1.5 m淺防火鉆孔，105#～133#架每架架頂、架尾各施工1個1.5 m淺防火鉆孔，約為96個。補打4 m深防火鉆孔81個，其中，架間6個(運順端頭1#,2#,3#支架架間各2個)；架頂54個(50#～55#,70#～79#,98#～108#,110#～133#架)；架尾21個(16#～31#,86#～89#,109#～119#架)。

于12月19日正式向防火鉆孔注高分子材料，巷道防火孔注膠4 137 kg，支架防火孔注膠5 955 kg，累計注膠約為10 092 kg。

4 監(jiān)測監(jiān)控及防火效果分析

4.1 煤自燃監(jiān)測監(jiān)控

為進一步對煤自燃動態(tài)進行實時監(jiān)測，采用“三位一體”(即監(jiān)控系統(tǒng)、定期取樣及人工檢測)方法對采空區(qū)氣體及溫度等數(shù)據(jù)進行檢測，根據(jù)氣體及溫度數(shù)據(jù)對采空區(qū)煤自燃情況做出預(yù)測，進而采取相應(yīng)防火措施，保證工作面安全收作。

4.1.1 束管布置

工作面與主回撤通道貫通前，在運順距停采線100，50，10 m處預(yù)留束管，回順距停采線60，30，10 m處預(yù)留束管，束管利用D25鋼管進行保護，安設(shè)濾水器，束管埋入采空區(qū)后每天取氣分析。

4.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)

停采后將傳感器移至安全區(qū)域，利用運順退尺1 015 m、回順退尺986 m的2個防火觀測點，通過煤火災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對相鄰采空區(qū)防火指標實現(xiàn)24 h在線監(jiān)測。工作面回采至距停采線100 m開始，每天有專人對相鄰采空區(qū)密閉墻完好程度、墻內(nèi)氣體情況及墻內(nèi)水壓進行檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取措施。

4.1.3 人工日常巡檢

測點設(shè)置：工作面2#,14#,16#,120#,24#,28#,30#,31#,35#,40#,44#,50#,55#,60#,65#,69#,70#,75#,80#,85#,89#,90#,94#,100#,105#,108#,110#,114#,120#,126#,128#支架頂部采空區(qū)；進、回風(fēng)順槽端頭隔墻內(nèi)；回風(fēng)隅角；回風(fēng)流；拆架處。

檢測參數(shù)主要包括CO,O2,CO2,CH4和T(溫度)，工作面測點每小班檢查2次。

4.2 防火效果分析

61102孤島工作面于12月14日推至停采線位置。通過數(shù)據(jù)實時監(jiān)測得到工作面回風(fēng)隅角11月14日～12月29日CO，O2濃度及火災(zāi)系數(shù)R2(R2=(+ΔCO)/(-ΔO2))變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 61102工作面回風(fēng)隅角CO，O2及R2變化

從圖8可知，61102工作面回風(fēng)隅角、采空區(qū)氣體濃度和火災(zāi)系數(shù)R2均比較穩(wěn)定，表明防火措施效果良好。當工作面推采至停采線后，氧氣濃度維持在16%～19%，回風(fēng)隅角CO濃度由前期的20×10-6～50×10-6降至10×10-6～20×10-6；火災(zāi)系數(shù)R2×100由前期的0.1～0.3降至0.1以下。

5 結(jié) 論

1)通過監(jiān)測61102進回風(fēng)順槽與相鄰采空區(qū)的氣壓變化，分析了與相鄰采空區(qū)存在“呼吸”現(xiàn)象，并從遺煤堆積及氧化蓄熱方面闡述了61102孤島工作面遺煤自燃的原因。

2)基于61102孤島工作面遺煤自燃特點，以經(jīng)濟高效防火為出發(fā)點，提出了“控氧控溫、減氧降溫”為主的防火思路，制定了“三位一體”煤自燃預(yù)測預(yù)報方法及多技術(shù)協(xié)同的綜合防火措施，為工作面的安全收作提供了保障。

3)通過采取煤柱加固、建隔離帶堵漏控氧、注氮惰化降氧及注膠降溫等針對性防火措施，并對現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)進行監(jiān)測監(jiān)控。實踐證明，所制定的防火方案有效地預(yù)防了收作期間煤自燃災(zāi)害的發(fā)生，為其他礦區(qū)類似工作面的防火工作提供了參考依據(jù)。