深部大傾角綜放面瓦斯與火災共存防治技術研究＊

孫豫敏 林柏泉 朱傳杰 李賢忠

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

深部大傾角綜放面瓦斯與火災共存防治技術研究＊

孫豫敏1，2林柏泉1，2朱傳杰1，2李賢忠1，2

（1.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

為解決趙各莊3237工作面瓦斯與自燃火災共存的難題，采用數(shù)值模擬的方法探究了12＃煤層上覆巖層垮落三帶分布特征，確定了抽放的最佳位置。以CO與O2濃度為主要指標，以遺煤溫度為輔助指標，對采空區(qū)自燃三帶進行了劃分，得出灌漿的最佳位置在采空區(qū)距工作面19.7 m處。最后，提出利用增稠粉煤灰二氧化碳泡沫材料進行采空區(qū)堵漏和防火抑爆，利用高位巷和高位鉆孔進行瓦斯抽采，降低工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

采煤工作面 瓦斯突出 火災 瓦斯抽放 注漿 粉煤灰 深部大傾角 趙各莊礦

開灤趙各莊礦3237綜放面屬于典型的瓦斯與自燃火災共存的工作面，且其所在煤層構造復雜，在回采過程中瓦斯異常涌出現(xiàn)象明顯，對該礦的安全生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重威脅。

1 工作面瓦斯與自燃火災特征

1.1 工作面基本情況

趙各莊礦3237工作面處于13水平西2石門12＃煤層。該工作面沿底板布置，采用綜采放頂煤采煤法。12＃煤層厚度為9.12～14.27 m，平均厚度10.69 m，距上覆9＃煤層平均距離為32 m；其平均傾角約28°；由下向上、從東向西呈逐漸增大的趨勢。由于該工作面處于傾斜向急傾斜過渡區(qū)，地質(zhì)構造復雜，應力集中，煤質(zhì)松軟，導致其頂板裂隙發(fā)育、易破碎，在掘進過程中共揭露3條斷層。

3237工作面煤層自然發(fā)火期6～8個月，相對瓦斯涌出量為11.64 m3／t，平均瓦斯抽放率為64.5%。其有效風量17.6 m3／s，風排瓦斯量4.22 m3／min，回風中瓦斯?jié)舛葹?.4%。該工作面跨越3239上山連續(xù)開采，面臨著自燃火災、動壓以及瓦斯等問題。目前工作面采取的防治措施是“上堵下封”來減少上隅角瓦斯積聚以及漏風，同時向采空區(qū)內(nèi)灌注粉煤灰漿液。但是實際效果并不理想，主要原因為 “上堵下封”只能適用于采空區(qū)瓦斯涌出量較小的情況，而3237工作面瓦斯涌出量比較大，該方法不適用，特別是有斷層構造時，瓦斯涌出異常，危險性較大，威脅正常生產(chǎn)，同時，工作面漏風嚴重；普通粉煤灰漿液存在較嚴重的水灰分離問題，采空區(qū)灌漿使用該種漿液不僅不能有效阻止采空區(qū)遺煤的自燃，還會造成工作面積水，帶來技術管理上的不便。

1.2 3237工作面上覆巖層三帶分布規(guī)律

利用巖石破裂全過程分析系統(tǒng)RFPA2D對回采工作面推進過程中上覆巖層三帶分布及變化規(guī)律進行研究。該數(shù)值模擬的前提是各巖層細觀單元都是均質(zhì)的各向同性的線彈脆性體，而且這些細觀單元物理力學參數(shù)均服從韋伯分布，各力學參數(shù)見表1。數(shù)值分析模型尺寸為250 mm×500 mm，共劃分為125000個細觀單元。當回采工作面推進一定距離，上覆巖層充分運動之后，出現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。

表1 模型中巖層的力學參數(shù)

數(shù)值模擬結果為，彎曲下沉帶在距離12＃煤層70 m以上的區(qū)域；裂隙帶從8號砂頁巖的中下部到11號頁巖，距離12＃煤層約25～70 m，9＃煤層也在裂隙帶的范圍內(nèi)；冒落帶的大致范圍為12號砂巖到14號頁巖，距離12＃煤層約0～25 m，11＃煤層也包含在內(nèi)。除了三帶的劃分，模擬結果還顯示，9＃煤層及其下方的頁巖層所在區(qū)域為嚴重裂隙帶，是瓦斯主要集聚的區(qū)域，危險性較強。

1.3 采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律

在采空區(qū)埋設用金屬管保護的溫度傳感器和氣體采集管，可以獲得采空區(qū)氣體成分以及溫度的變化和分布規(guī)律。測溫系統(tǒng)采用集成溫度傳感器AD590。取樣氣泵采用粉塵采樣器的抽氣泵，進行了適當?shù)母难b。取氣管則選用內(nèi)徑為5 mm的聚氯乙烯束管。氣體成分分析則利用氣相色譜儀進行。

（1）采空區(qū)遺煤溫度變化情況及其擬合曲線如圖1所示。從圖1可以看到，在9.4 m之前，遺煤溫度幾乎保持不變，約為294 K；在9.6～12.4 m之間，遺煤溫度上升比較顯著，說明此區(qū)域內(nèi)為冷卻帶。

在12.4 m之后，進入自燃帶。由圖1擬合曲線可以看出，遺煤溫度逐漸上升，在40 m左右處達到一個最高值，且在90 m左右遺煤溫度趨于穩(wěn)定值，說明采空區(qū)已經(jīng)處于窒息帶，但是并不能確定自燃帶與窒息帶的分界線。通過分析溫度變化可得，在冷卻帶內(nèi)溫度維持在294 K左右，窒息帶內(nèi)維持在300 K左右。

圖1 采空區(qū)遺煤溫度變化曲線

對現(xiàn)場測試的溫度進行分析發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)的測溫點距工作面54.1 m時，溫度降低到301 K，并隨著進入采空區(qū)深度的增加，之后各點的溫度基本保持在300 K左右。因此可以判定，從采空區(qū)距工作面54.1 m的位置開始進入窒息帶。此分析結果與根據(jù)氣樣分析得出的結果基本一致。

（2）采空區(qū)CO濃度變化情況及其擬合曲線如圖2所示。通過圖2中曲線可計算出回歸方程Φ（CO）=-0.015x2+0.5924x+8.2608。令CO濃度Φ （CO）=0，就可得出自燃帶與窒息帶分界線，即x=50.5 m，該值與實測的54.1 m時CO消失基本一致。說明從50.5 m開始，采空區(qū)進入窒息帶，遺煤的自燃氧化停止。

由圖2還可以求得CO濃度最大值所在位置，即CO濃度深度變化梯度為零時的所在位置，即令Φ′（CO）=0，求得x=19.7 m，該位置即為最易自燃氧化位置。在該區(qū)域，浮煤的自燃氧化很容易發(fā)生，所以應特別針對該區(qū)域提出防治自燃措施。

圖2 采空區(qū)CO濃度變化曲線

從圖2看，在采空區(qū)距離工作面12.4 m時，開始出現(xiàn)CO。可見，通過CO濃度與溫度指標確定冷卻帶的范圍，兩者是相符合的。

圖3 采空區(qū)O2濃度變化曲線

（3）采空區(qū)O2變化情況及其擬合曲線如圖3所示。由圖3計算出回歸方程Φ （O2）=-6.0022Ln（x）+28.76x2。由以往的研究成果可知，當O2濃度下降到8%～5%以下時，浮煤就不會發(fā)生自燃。令Φ （O2）=5%，求得x=52.3 m。說明從52.3 m開始進入窒息帶。此值與通過CO濃度變化規(guī)律得出的窒息帶邊界50.5 m基本一致。

結合以上的分析，可將趙各莊礦3237工作面采空區(qū)劃分為三帶，即煤溫基本不變的冷卻帶 （0～12.4 m）、氧化升溫的自燃帶 （12.4～54.1 m）、煤溫下降至定值的窒息帶 （＞54.1 m）。確定劃分自燃帶與窒息帶的臨界值時，遺煤溫度只作為輔助參考指標，主要以CO與O2濃度指標為準。

2 瓦斯與火災綜合治理技術

針對趙各莊礦3237工作面存在瓦斯與自燃火災共存的難題，一方面可以利用高位巷和高位鉆孔進行瓦斯抽放，降低瓦斯?jié)舛?；另一方面采用增稠粉煤灰二氧化碳泡沫材料進行采空區(qū)堵漏以及防火抑爆。

2.1 高抽巷和高位鉆孔治理瓦斯

2.1.1 高抽巷施工參數(shù)

（1）高抽巷底板與12＃煤層垂直距離。由于9＃煤層與11＃煤層之間離層裂隙十分發(fā)達，且11＃煤層垮落后這些離層裂隙并沒有閉合，這個區(qū)域的瓦斯?jié)舛葧芨?，很適合瓦斯抽放。所以高位巷的理想高度應在該裂隙帶內(nèi)，且在12＃煤層上方25～45 m范圍為宜。綜合考慮施工以及成本等因素，2519高位巷選取的位置為工作面上伏11＃煤層內(nèi)，巷道底部與12＃煤層垂直距離為20 m，沿工作面走向布置。高抽巷具體位置如圖4所示。

圖4 趙各莊高位巷位置示意圖

（2）高抽巷水平投影距回風巷平行距離。12＃煤層傾角較大，豎直方向的重力分量較大。在重力分量的影響下，采空區(qū)上部垮落的巖石下滑會導致下部采空區(qū)被充填壓實。這樣采空區(qū)上部的空間增大，下部的空間減小，靠近工作面上山方向部分就會卸壓出現(xiàn)裂隙，該區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛容^大，適宜布置高抽巷。因此高抽巷水平投影距回風巷之間的距離應該最小22 m左右。

2.1.2 高位鉆孔施工參數(shù)

（1）鉆場位置的確定。根據(jù)3237工作面瓦斯涌出情況、成本以及抽放鉆孔施工情況考慮，設計在該工作面約每隔60 m布置1個鉆場。由冒落研究規(guī)律發(fā)現(xiàn)，12＃煤層上方的頁巖、砂巖層和11＃煤層均處于冒落帶中。因此將鉆場布置在12＃煤層上方的頁巖層，與12＃煤層底板距離為12 m。

（2）鉆孔的終孔層位與煤層頂板的垂直距離。垂距的選取與高位巷位置的選取原理類似，高位鉆孔的終點應在煤層上方25～45 m范圍內(nèi)。需要注意的是終孔位置不能與裂隙帶上限位置太近，這樣雖然可以保證抽放濃度，但是流量會比較小。

（3）鉆孔距風巷的水平距離。為了避免受采動影響導致鉆孔發(fā)生變形錯位，鉆孔終孔與回風巷之間的水平距離至少應大于22 m?？紤]到采空區(qū)頂板跨落角為70°，鉆孔之間的壓茬距離確定為30 m。在12＃煤層上方的頁巖開挖一硐室作為鉆場，鉆場參數(shù)為5.5 m×3.5 m×2.3 m （長×寬×高）。高位鉆孔層位布置如圖5所示。

2.2 采空區(qū)火災治理

（1）注漿材料。不同于普通的注漿技術，研究開發(fā)了增稠粉煤灰二氧化碳泡沫防火抑爆技術，即在普通粉煤灰漿液中加入分散劑、高吸水樹脂，這樣可以起到增稠效果。另外，在配置好的增稠粉煤灰漿液中還加入碳酸氫鈉和硫酸鋁，一方面，增稠后的粉煤灰漿能夠有效地解決水灰分離的問題，起到很好的堵漏作用 （工作面漏風以及上隅角的瓦斯涌出都顯著減少）；另一方面，碳酸氫鈉和硫酸鋁反應生成二氧化碳，可以稀釋采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯，可以起到滅火以及防止瓦斯爆炸的作用。

（2）注漿出口位置。在3237工作面采空區(qū)距工作面19.7 m處，CO濃度達到了最大值，是最容易發(fā)生自燃火災的位置。因此選取開始灌漿的出口位置為采空區(qū)距離工作面20 m處。應注意的一點是，出漿口位置應盡量靠近采空區(qū)外側(cè)，這樣才能夠保證灌漿順利進行，不造成過大的管路壓力。

（3）灌漿工藝。首先將粉煤灰、分散劑、增稠劑和水加入自動加料器攪拌均勻，然后注入地面注漿池。與此同時，分別制備穩(wěn)泡劑溶液、硫酸鋁以及碳酸氫鈉溶液，并注入各自容器內(nèi)。具體布置如圖6所示。注漿時應注意先打開注漿池的閥門，使粉煤灰漿液進入地面混合器，隨后再同時打開3種溶液的閥門，幾種材料在混合器內(nèi)混合后通過注漿管路注入采空區(qū)。

2.3 措施效果分析

為了考察上述防治措施的效果，需要對工作面瓦斯涌出情況進行測定。利用單元法對采取了灌漿措施后工作面的瓦斯涌出以及漏風情況進行測定。結果顯示，采空區(qū)的漏風量與之前相比明顯減少；采空區(qū)瓦斯涌向工作面的比例變小，采取措施后的比例為21%，而措施前為28%；整個工作面的漏風量有所降低，在措施后為14 m3／min，而措施前為21 m3／min。措施前后各個單元漏風散點曲線如圖7所示。

除了以上變化，采空區(qū)二氧化碳濃度也有顯著提高，從1.2%～2.6%升高到8.5%～10.5%；同時O2濃度也降低到15%以下，甲烷濃度降低并且保持在3%左右。瓦斯的爆炸極限范圍被大大地縮小了，對瓦斯爆炸起到了有效的抑制作用。

圖5 高位鉆孔層位布置圖

3 結論

（1）利用RFPA2D進行數(shù)值模擬，得出了12＃煤層上覆巖層在工作面推進過程中垮落三帶分布特征；同時還發(fā)現(xiàn)9＃煤層以及下方的頁巖層均處于嚴重裂隙帶，是瓦斯主要集聚的區(qū)域，層位與開采煤層之間的距離為25～45 m。

（2）根據(jù)CO與O2濃度的變化情況，同時參考采空區(qū)遺煤溫度情況，劃分了采空區(qū)自燃三帶。分析研究計算出采空區(qū)距工作面19.7 m處最容易發(fā)生自燃火災，需要針對該區(qū)域提出防治自燃的措施。

（3）為了解決趙各莊礦3237工作面瓦斯與火災并存的難題，采用新型注漿材料增稠粉煤灰二氧化碳泡沫進行防火防爆以及采空區(qū)堵漏，同時布置高位巷和高位鉆孔抽采瓦斯以降低工作面瓦斯?jié)舛取嶋H測定結果表明，采取上述措施后，采空區(qū)漏風量明顯減少，涌向工作面的瓦斯顯著降低，有效控制了采空區(qū)的煤炭自燃。

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Prevention and control of gas and fire coexisting at fully mechanized mining face with deep elevation angle

Sun Yumin1，2，Lin Baiquan1，2，Zhu Chuanjie1，2，Li Xianzhong1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

In order to solve the problem of gas and fire coexisting at 3237 working face of Zhaogezhuang Coal Mine，the numerical simulation was used to research"Three-zone"distribution characteristics of overlying strata failure to determine the optimum gas drainage position.Taking the concentrations of CO and O2as main index and the temperature of residual coal as auxiliary index，the coal combustion"Three-zone"in goaf was divided and the optimum position for grouting was located in the distance of 19.7 m to the working face.Finally，CO2foam thickened by flyash was used for the leaking stoppage of goaf as well as fire prevention and explosion suppression，and the gas drainage through high-level roadway and high-level drilling was carried out to decrease the gas concentration at the working face.

coalface，gas outburst，fire，gas drainage，grouting，flyash，deep elevation angle，Zhaogezhuang Coal Mine

TD712、TD753

A

國家重點基礎研究發(fā)展 （973）計劃（2011CB201205）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目 （CXZZ12＿0960）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目 （2012DXS02）；國家自然科學基金青年科學基金 （51204174）

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孫豫敏 （1990-），女，河南平頂山人，研究生，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究工作。

（責任編輯 張艷華）