近距離煤層群開采復合采空區火區綜合治理技術實踐

馮祥森,郭志斌,趙占軍,章鎮雄,駱 鑫

(1.山西中新唐山溝煤業有限責任公司,山西 大同 037000;2.安徽理工大學 安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001)

煤炭自燃是煤礦重大災害之一。據統計,在主要產煤省域中約有130個易自燃煤層,一旦發生采空區遺煤自燃,形成火區,往往不得不封閉工作面,對煤礦開采帶來巨大影響,造成大量的資源浪費[1-3]。淺埋藏煤層采空區在發生煤炭自燃時,具有漏風復雜、高溫點運移不規律、著火點難以判定等問題,為防滅火治理帶來一定難度[4]。近距離煤層群開采時,因采空區空間大、漏風量多和監控檢測技術有限等因素,一旦發生火災,火勢蔓延快,會形成多面積、多煤層采空區火災[5]。因此,淺埋藏近距離煤層群開采采空區火區治理一直是礦井火災防控的難點。

目前,國內最常見的火區治理方法有注氮注漿滅火、堵漏和三相泡沫等技術[6-8]。張立國等[9]采用鉆孔注漿技術,何顏遠等[10]采用注漿注氮、巷道填充等技術,喻建[11]采用鉆孔注入三相泡沫及動態監測技術,孫秉成[12]采用灌漿、注凝膠及液氮等技術成功地治理了火區。由于采空區封閉后,啟封復燃風險較大,大量學者進行了研究[13-14]。孫若山等[15]結合燃燒狀態及氣體采集判斷技術提出啟封準則,通過鉆孔取樣和火區氣體體積分數等正確判斷火區燃燒狀態;朱起令[16]通過火區氣體運移規律并結合耗氧速率,推斷出火區啟封時間;王海生[17]采用綜合均壓通風防滅火技術,改變風流分布,保證壓差均衡,有效抑制了遺煤氧化和有害氣體擴散,實現了火區安全啟封。

綜上所述,專家學者們通過封堵漏風、注氮降溫和阻化等技術對礦井火區進行了有效防治。然而,現有文獻主要集中于對單一煤層采空區的火區防治,但對于近距離煤層群開采導致的復合采空區火區啟封前后系統性治理實踐技術方法較少。本文以唐山溝煤礦83101工作面復合采空區火區治理實踐為例,通過分析該工作面火區形成原因并凝練火區治理實踐方法,探索近距離煤層群開采復合采空區火區啟封前后防滅火治理技術,可為復合采空區火區治理技術實踐提供參考。

1 工作面概況

唐山溝煤礦83101工作面位于13號煤層1301盤區,為盤區第一個回采工作面,煤層厚度為2.5～3.0 m,平均為2.8 m,該工作面長為930 m,寬為120 m.根據掘進回采時探測,工作面距離上覆12號煤層層間距僅為4.2～11 m,工作面內地質構造復雜,兩巷道掘進時揭露斷層共21條,為正斷層及落差為0.4～2.0 m.此外,83101工作面上覆空區為12號煤層1123盤區8201工作面采空區,1123盤區共3個回采工作面;8201工作面為第一個回采工作面,工作面寬為150 m.83101工作面軌道巷與8201工作面軌道巷平面上相鄰,83101工作面膠帶巷位于8201工作面采空區下部,其與12號煤層工作面采用內錯法布置,因采動影響,上下煤層容易串通,工作面的平面圖如圖1所示、剖面圖如圖2所示。

圖1 83101工作面平面示意

圖2 83101工作面剖面示意

2 采空區發火情況及成因分析

2.1 工作面采空區發火情況

2021年11月14日22時30分,在83101工作面回風巷10 m處測得CO體積分數為100×10-6,23時20分測得回風流中CO體積分數為300×10-6.隨后從83101進風巷進行沿線檢查CO體積分數,進風巷CO體積分數為0,進入工作面端頭2架、3架時,支架后面發現少量明火,端頭支架到30架之間CO體積分數為4×10-6,第30架后CO體積分數為60×10-6,工作面尾部CO體積分數為600×10-6.采空區疑似著火點區域如圖1所示。根據《煤礦防滅火細則》第九十二條和九十六條[18],通過火區實際情況選擇滅火方法,滅火過程中應注意風量和氣體體積分數等變化。因此,現場工作人員于11月14日明確氣體體積分數及著火點位置區間范圍后,隨即進行噴水、注氮滅火,有效抑制煤自燃火災蔓延,實現對83101采空區成功封閉。

2.2 采空區發火成因

2) 漏風供氧量充足。近距離煤層開采下,83101工作面與8201老空區貫通形成漏風通道。83101工作面和83102軌道巷位于8201采空區的下方,上下層間距3.8～13.4 m,平均8.6 m,煤層的層間距小,83101采空區和83102軌道之間有煤柱,受采動影響,煤柱內生成大量裂隙,致使軌道巷風流漏向采空區,采空區內供氧環境良好。

3) 氧化蓄熱時間充足。83101工作面回采期間,受地質構造影響,工作面回采速度較慢,本煤層及上部采空區內破碎遺煤長期處于氧化帶,持續氧化,最終導致遺煤自燃。

3 火區啟封防滅火技術及效果分析

3.1 啟封前防滅火治理

3.1.1 啟封前治理方法

采用持續注氮、漏風堵漏降低采空區氧氣體積分數;通過采空區全覆蓋式鉆孔注漿持續隔氧、降溫實現采空區遺煤的整體自燃防治;通過對著火區域的高溫遺煤強化注漿,實現區域隔斷,避免了自燃高溫的擴散蔓延。

1) 注氮惰化技術。根據《煤礦防滅火細則》第六十九條,已封閉采空區采用惰性氣體防火時,以采空區內氧體積分數降到煤自燃臨界氧體積分數以下為止計算[19]。工作面封閉期間,向83101工作面采空區24 h持續注氮惰化,盡可能降低采空區氧氣體積分數,抑制遺煤氧化蔓延。

2) 漏風封堵技術。漏風是治理自燃的關鍵,根據《煤礦防滅火細則》第七十一條,當進行惰性氣體防火時,應采用堵漏措施降低防火漏風量[19]。因此,在封閉期間逐一排查12煤和13煤密閉、巷道及煤柱等隱患漏風點,對排查出的漏風區域進行噴漿封堵處理。此外,工作面進風巷采空區架棚支護,懸頂空間大,漏風通道暢通,進風側采空區漏風隱患大,故首先采用防滅火材料向進風隅角進行充填封堵,隨后對進回風隅角后采空區大面積懸頂空間進行充填。

3) 隔氧降溫技術。由于封閉工作面采空區漏風通道復雜,且存在高溫遺煤,堵漏和注氮惰化的情況無法完全控制采空區氧氣體積分數,實現高溫遺煤區域的降溫效果,故進一步對采空區采取注漿隔氧、降溫治理。防滅火鉆孔從83102軌道巷穿煤柱向83101采空區上部布置,鉆孔采用“全面覆蓋,重點布置”的方式,鉆孔從傾向上進入采空區距離為5 m、14 m、23 m、30 m.形成40 m×40 m的鉆孔輻射范圍,鉆孔布置如圖3所示。在采空區全面覆蓋的前提下,針對高溫鉆孔進行重點注漿治理,注漿時間為5月5日至6月3日,注漿量為146 t,注漿前后,持續檢測鉆孔內氣體變化情況。

圖3 采空區注漿鉆孔布置

3.1.2 啟封前治理效果

采用自適應變異算子，根據各代路徑離散程度，動態調整變異概率。以相應概率選擇個體某一路徑點，隨機搜索坐標點進行替換來作為新個體路徑。其自適應調整公式為

對檢測鉆孔內的CO體積分數進行動態監測,其中83101工作面兩巷閉墻內均未檢測到CO體積分數,各檢測孔CO體積分數變化如圖4所示。

圖4 啟封前鉆孔CO體積分數變化

從圖4可以看出,在治理后,各檢測孔中CO體積分數急劇下降,最后趨于0×10-6,以12煤檢測孔為例,治理前CO體積分數最高達到1 000×10-6以上,注漿后CO體積分數急劇下降趨于0.該現象說明,采取上述治理措施后,采空區溫度和氣體體積分數得到有效控制,火區在封閉期間的治理效果良好。

3.2 啟封后防滅火治理

采空區CO趨于0×10-6后,于6月4日開始對工作面全面啟封,通過現場觀察,采空區漏風基本封堵密實。為減少采空區漏風,降低采空區火區復燃危險性,并防止上覆采空區有害氣體的下泄,啟封后采用以均壓和強化注漿為主的綜合防滅火技術。

3.2.1 均壓防滅火技術

1) 啟封后存在的問題。回采期間采空區遺煤氧化風險極大。工作面啟封后回采進度受影響較大,且回采不足2 m/d,原火區位置已發生氧化自燃的遺煤處于氧化帶的時間已遠超自然發火期,慢采條件下該部分遺煤無法快速進入窒息帶,導致復燃風險較大。且83101工作面采空區與83102軌道巷存在明顯的壓差,多源漏風影響下,采空區遺煤復燃風險再度增加。

2) 均壓防滅火理論及應用。均壓防滅火主要通過風機和風窗等設備對礦井下不同風流匯散處進行調控,改變漏風區域壓差,調節風量大小,控制風流流向,減小采空區供風量,達到抑制遺煤自燃的目的[19]。使用均壓通風技術,需要明確火區存在的特點及漏風區域,選擇合理的調節風窗、風機的安裝位置,避免影響人員流動、運料等情況。

目前,均壓風控技術分類主要有以下幾種[20]:①設置調節風門均壓法:對采空區漏風進行控制,平衡漏風區域兩端壓差;②設置風機均壓法:設置局部通風機通過風筒連接至工作面,實現正壓通風;③綜合均壓法:進風巷使用風機,回風巷使用風門,實現均壓。

根據現場實際情況,采用風機和風門組合形式進行均壓防控。在83101膠帶巷內距巷口20 m處施工一道調節風門,在膠帶巷內安裝2臺(一主一備)自動切換壓入式對旋軸流式局部通風機,用于為工作面均壓通風系統供風。在83101膠帶巷巷口與回風繞道之間構筑2道均壓風門,在回風巷繞道以里砌筑2道調節風門。具體布置如圖5所示。

圖5 工作面均壓系統布置示意

均壓通風后,工作面進風風量控制在400 m3/min左右,工作面膠帶巷壓差控制在470 Pa左右,軌道巷壓差約490 Pa,通過比較,相比均壓措施前,83101工作面總體能位提高了280 Pa,有效減少了本煤層工作面與上覆采空區之間的能位差,根據工作面監測數據結果,在均壓風控措施下,啟封后工作面內未出現CO,均壓措施有效抑制了上覆采空區有害氣體的下泄。

3.2.2 火區強化注漿快速防滅火技術

均壓過程中對83102軌道巷檢測孔內氣體體積分數和溫度進行了動態監測,根據對83102軌道巷檢測孔內CO體積分數及溫度動態監測結果,得到檢測孔CO體積分數及溫度分布曲線,見圖6和圖7.

圖6 啟封后鉆孔CO體積分數變化

圖7 采空區啟封后鉆孔溫度變化

從圖6和圖7可以看出,從6月13日起,83102軌道巷2-1、3-1孔內CO異常升高, 1-1孔內的溫度最高在500 ℃以上,2-1孔內的溫度最高在120 ℃以上。從采空區CO體積分數和溫度升高趨勢來看,啟封后原火區位置遺煤出現復燃征兆,這是由于工作面復采后,推進速度過慢,從6月4日啟封到6月13日僅推進10 m,原有火區遺煤長期處于氧化帶內,持續氧化升溫所致。

根據氣體體積分數及溫度變化,判斷復燃區域應在1組觀測孔與2組觀測孔附近,現場于6月14日對1組和2組鉆孔進行強化注漿,并在1-1孔的左右兩側,補打2個鉆孔,于6月19日使用防滅火材料進行針對性注漿降溫。采空區高溫點注漿孔布置及探測孔布置如圖8所示。

圖8 工作面均壓系統布置示意

3.2.3 啟封后治理效果分析

從圖6和圖7中治理前后的氣體體積分數及溫度變化可知,工作面啟封后的采空區高溫點得到有效控制,CO體積分數大幅度降低。隨著工作面持續回采過程中,各探測鉆孔內氣體及溫度正常,當工作面回采至停采線后,通過逐步實施降壓及氣體觀測,工作面內無異常情況,最終停止均壓通風措施,恢復全負壓通風。全負壓通風條件下,從7月17日開始,工作面內一直沒有檢測到CO體積分數,采空區煤自燃控制效果良好。

4 結 語

通過對83101工作面采空區發火情況進行分析,得出采空區發火原因是進風側及上覆12號煤層采空區留有大量遺煤,而且與上覆采空區存在相互貫通漏風所致;提出復合采空區火區綜合治理技術,工作面啟封前進行注氮、堵漏及注漿,有效控制了采空區的氣體體積分數及溫度;工作面啟封后,采用均壓控風及采空區強化注漿綜合技術,有效制止了原有火區復燃,保證了近距離煤層下部工作面在慢采條件下的安全復采。