臨時停工工作面自然發(fā)火與沖擊地壓耦合風險創(chuàng)新治理研究

秦鵬 李棟梁

（山東省天安礦業(yè)集團有限公司）

1.概況

礦井在開采過程中經(jīng)常會遇到常規(guī)及突發(fā)臨時停工情況，對于開采淺部資源的礦井來說風險性小，常規(guī)管控措施能夠保證礦井的安全生產(chǎn)。但隨著淺部資源的減少，深部資源的開采成為必然，煤礦進入深部開采以后，隨著地質(zhì)環(huán)境惡化，以及煤巖體力學響應的非線性化，突發(fā)性重大災害顯著上升，其中以沖擊地壓為代表的煤巖動力災害機理最復雜、防治難度最大，其次為礦井內(nèi)因自然發(fā)火事故。

星村煤礦目前主采3煤層，自然發(fā)火期短且有沖擊傾向性，臨時停工工作面如果管控不好極易造成安全風險事故。對于臨時停工工作面的處理關鍵點在于是否封閉工作面。以往對于臨時停工工作面的自然發(fā)火風險處理時對沖擊地壓耦合疊加風險考慮欠缺。

本項目類比DB37/T 3417-2018煤礦安全風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制實施指南，自主研發(fā)臨時停工工作面自然發(fā)火與沖擊地壓耦合疊加風險治理創(chuàng)新體系標準，制定符合自己礦井實際情況的臨時停工工作面封閉與否的標準。

2.自然發(fā)火預測預報系統(tǒng)

DB37/T 3417-2018按照風險矩陣分析法，通過分析風險發(fā)生的概率、特征、損壞程度等技術指標，由風險發(fā)生的可能性和可能造成的損失評定分數(shù)，進而確定相應的風險等級，其計算公式為：R=L*S，式中：R表示風險度；L表示危險事件發(fā)生可能性；S表示危險事件可能造成的損失。

針對臨時停工工作面自然發(fā)火與沖擊地壓風險，類比DB37/T 3417-2018煤礦安全風險分級管控和隱患排查治理雙重預防機制實施指南，從停工時間與最短自然發(fā)火期比例、地質(zhì)構造情況、工作面防火措施、兩順頂板破碎程度、頂煤厚度五方面進行計算，根據(jù)《煤礦安全生產(chǎn)標注化管理體系基本要求及評分辦法》采用各部分得分乘以權重的方式計算：

A=

A代表最終值，a_n代表權重值，M_n代表具體分數(shù)，標準分值100分

停工時間與最短自然發(fā)火期比例：比例≥0.4，記錄分值80分；比例＜0.4，記錄分值40分；權重值0.4。

地質(zhì)構造情況：無斷層記錄分值20分；有斷層落差小于4m記錄分值40分；斷層落差大于4m記錄分值80分；權重值0.1。

工作面防火措施：單一防火措施記錄分值20分；兩種防火措施記錄分值40分；多種綜合防火措施分值80分；權重值0.3。

兩順頂板破碎程度：基本無破碎記錄20分；破碎程度小于0.5m記錄分值40分；破碎程度大于0.5m記錄分值80分；權重值0.1。

頂煤厚度：頂煤厚度小于5m記錄40分；頂煤厚度大于5m記錄分值80分；權重值0.1。

當A大于80，臨時停工工作面采取不封閉的措施，當A小于80，臨時停工工作面采取封閉措施。

2不封閉工作面自然發(fā)火與沖擊地壓風險防治技術

2.1提前處理采空區(qū)

縮短隔離墻、束管、注漿管間距：工作面推采至距離停工位置20-30m左右時擋墻間距由原來不大于20m調(diào)整為不大于10m，擋墻采用袋裝碎煤或柔性充填袋與充填料施工，充填不到頂時用凝膠或充填料噴涂處理，擋墻與注漿管路接觸部位用黃泥等封堵，外部用凝膠或充填料噴涂處理，施工碎煤袋擋墻墻時擋墻厚度不小于1m，充填擋墻厚度不小于0.5m（可根據(jù)現(xiàn)場情況進行適當調(diào)整）。工作面推采至距離停工位置70m左右后，兩順采空區(qū)束管埋設間距由原來不大于30m調(diào)整為不大于20m。鋪設的束管頭距離頂板不大于300mm，距幫部不小于200mm，采空區(qū)鋪設的束管用花管進行保護，束管出口留設在新鮮風流中，束管出口使用束管夾防止向采空區(qū)漏風。每周不少于6次對埋設束管地點采樣分析，氣體異常時每天采樣分析，束管抽不動或損壞時及時補點確保抽樣數(shù)據(jù)的準確性。工作面推采至距停工位置40-50m時，注漿管路間距由原來不大于30m調(diào)整為不大于20m。并且沿采面傾斜方向鋪設一路長度不少于60m的多出口注漿管路，每6～12m（根據(jù)現(xiàn)場情況的需要可進行調(diào)整）設三通出口，第一個三通出口距軌順不小于10m，管路末端不再設悶頭。溜尾管路懸空部分，端頭架里用袋裝碎煤墊實，端頭架外墊實。

兩端頭及采空區(qū)處理：每天早班對兩端頭及順槽頂煤打眼壓注水玻璃凝膠，工作面停工前一個月根據(jù)束管分析報表選取合適的采空區(qū)管路對采空區(qū)每周兩次注防火劑，氣體異常時至少連續(xù)3個班注氮氣或阻化泡沫。兩順超前支架之間布置兩排鉆孔，角度為60～80°，每排鉆孔間距3m左右，兩排鉆孔采用“三花眼”布置，施工的鉆孔深度為3-5m或至巖石頂板。鉆孔施工完畢后，將一次性鉆桿砸入鉆孔內(nèi)，一次性鉆桿前端設0.3～0.5m的花管，管與管之間用內(nèi)接絲連接，封口用棉紗封孔，進行注膠處理。封孔時棉紗距離端頭花管不大于1.5m，提高漿液滲漏能力。

降低工作面風量：根據(jù)風量計算方法，依據(jù)工作面氣象條件等計算工作面正常生產(chǎn)期間需風量，為了保證停工時減少采空區(qū)漏風，根據(jù)以往停工經(jīng)驗通過調(diào)整設施將工作面停工期間風量調(diào)整為正常生產(chǎn)的一半。

2.2停工后采空區(qū)及兩順槽、支架煤體預處理

根據(jù)預測停工時的地質(zhì)條件，工作面停止移架后對兩順超前頂板施工防火鉆孔并注防火材料，兩端頭各十個支架范圍內(nèi)架間施工防火鉆孔并注防火材料處理、架后噴涂LFM噴涂料處理。兩順超前頂板施工兩排防火鉆孔：靠近采幫超前支架與采幫之間布置一排，角度為60～80°；兩順超前支架之間布置一排鉆孔，角度為60～80°，方向朝向采空區(qū)，每排鉆孔間距3m左右，兩排鉆孔采用“三花眼”布置，施工的鉆孔深度為3-5m或至巖石頂板。工作面施工鉆孔時，架間位置要打到柱頂梁上部及支架后煤體，傾角60°左右，深度3-5m或至煤層頂板。停工期間每天通過留設的注氮管路對采空區(qū)注氮處理；停工期間每天對埋設的束管采樣分析，氣體異常時連續(xù)三班取樣分析。

2.3降低風流溫度

作面埋藏深圍巖溫度高，停工時熱害也是困擾著礦井的一大難題，通過將制冷壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器等主要設備集成在一起形成的制冷機組對停工的綜放工作面進行制冷，機組安裝在工作面軌道順槽內(nèi)，用輸冷管道將冷凍水輸送到工作面的空冷器中。工作面進風流溫度未采取降溫前29℃且濕度90%以上，采取制冷機組降溫后有效的降低了風流溫度，溫度25℃且濕度70%，該技術方法既解決了高溫危害又抑制了停工期間自然發(fā)火重大風險。

2.4預測預報

CO為測試煤自然發(fā)火的標志性氣體；CO出現(xiàn)表明測試煤已經(jīng)開始氧化，其出現(xiàn)臨界溫度為57.3-65.0℃，監(jiān)測濃度為0.32*10-6；C₂H₄出現(xiàn)時煤進入加速氧化階段的標志，其出現(xiàn)的臨界溫度為113.3℃-131.4℃，監(jiān)測濃度為0.03*10-6。C₂H₆/ C₂H₄比值峰值的出現(xiàn)是煤進入激烈氧化階段的標志，其峰值出現(xiàn)的溫度為265.5℃左右，對應C₂H₄濃度為21.17*10-6，C₂H₆濃度為7.51*10-6， C₂H₆/ C₂H₄可作為判別煤反應程度的輔助指標。束管監(jiān)測工每天對工作面兩順槽及架間異常點取樣后，送地面氣體化驗室分析1次，并建立監(jiān)測分析檔案。運輸順槽安設CO傳感器位置（距匯風點10-15m）定為自燃發(fā)火觀測點，每周進行一次觀測分析。發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)異常時，要立即采取措施以便對異常點重點處理。

2.5在線應力監(jiān)測及微震監(jiān)測研究

通過在線應力監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測工作面兩順槽內(nèi)采動應力場及特定區(qū)域應力場的變化規(guī)律，記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制應力變化曲線，實時準確反映回采工作面煤體應力，及時發(fā)現(xiàn)應力超限預警區(qū)域。在工作面順槽兩幫布置測點，測點間距30m，兩幫交替布置，交錯布距15±2m，每組3個測點，埋設深度分別為不小于8m、15m、23m（當施工至巖石時，以實際施工深度為準；遇構造不具備安裝條件時，測點間距正常順延），每組相鄰3個測點間距不大于1.5m，并始終保持工作面煤壁前方超過300m的監(jiān)測范圍。

利用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面區(qū)域進行實時監(jiān)測，每天進行震源的定位、微震能量的計算、統(tǒng)計等工作，對大能量震動信號進一步進行頻譜分析和現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況記錄，判斷礦震的機制以及區(qū)域沖擊危險性程度。

4.總結

臨時停工工作面風險治理技術創(chuàng)新研究為我國自然發(fā)火重大風險的礦井提供了創(chuàng)新治理技術及安全有效的新工藝與現(xiàn)場經(jīng)驗。