馬蘭煤礦高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)與防火措施研究

李爭(zhēng)春 趙 磐

(西山煤電集團(tuán)公司馬蘭煤礦，山西省太原市，030205)

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馬蘭煤礦高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)與防火措施研究

李爭(zhēng)春 趙 磐

(西山煤電集團(tuán)公司馬蘭煤礦，山西省太原市，030205)

以馬蘭煤礦18303回采工作面為例，研究了自燃煤層在瓦斯抽采過程中受到的影響，探討了瓦斯抽采的最佳參數(shù)；測(cè)試了相同的抽采條件下，通過調(diào)整工作面的配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍的影響。結(jié)果表明，瓦斯抽采會(huì)加劇采空區(qū)遺煤自燃，因此瓦斯抽采流量與抽采負(fù)壓均存在一個(gè)最佳范圍，高抽巷流量應(yīng)在15.1～19.4 m3/min之間，本煤層順層鉆孔抽采負(fù)壓應(yīng)該在35～40 kPa左右，既能滿足瓦斯?jié)舛炔怀?，也能兼顧防火需求。抽采條件下，為縮小自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍，供風(fēng)量應(yīng)適當(dāng)降低至800～1000 m3/min，注氮量應(yīng)增加。

高瓦斯自燃煤層 瓦斯抽采 煤層防火 配風(fēng)量 抽采流量 抽采負(fù)壓

礦井瓦斯災(zāi)害與自燃火災(zāi)一直是困擾煤礦井下安全生產(chǎn)的主要問題。隨著煤礦采掘深度加大，煤層瓦斯含量增加，高瓦斯自燃煤層的比例逐漸增加。煤礦安全生產(chǎn)不僅面臨瓦斯災(zāi)害的威脅，同時(shí)在抽采瓦斯時(shí)還要注意由此加劇的漏風(fēng)，進(jìn)而增大自燃煤層內(nèi)火災(zāi)的發(fā)生概率。研究人員對(duì)此開展了大量的研究，褚廷湘等分析了高位巷道瓦斯抽采對(duì)浮煤自燃的誘導(dǎo)效應(yīng)；羅新榮等為探討高瓦斯易自燃煤層的理想注氮防滅火方案，基于CFD模擬認(rèn)為應(yīng)加大采空區(qū)注氮深度；肖峻峰等研究認(rèn)為高抽巷抽采參數(shù)及工作面配風(fēng)量綜合決定工作面自燃三帶分布范圍；楊勝?gòu)?qiáng)等認(rèn)為采空區(qū)內(nèi)瓦斯的存在有利于抑制遺煤氧化，瓦斯抽采會(huì)明顯擴(kuò)寬自燃三帶的范圍；馬魁等認(rèn)為在處理高瓦斯易自燃綜放面災(zāi)害時(shí)，應(yīng)考慮注氮、充填等一系列綜合措施確保安全。因此，本文以西山煤電集團(tuán)公司馬蘭煤礦18303工作面為例，研究高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)與防火措施，為類似工作面瓦斯與火災(zāi)綜合防治提供一定的指導(dǎo)。

1 工作面概況

18303工作面回采石炭系太原組8#煤層，該煤層為近水平穩(wěn)定可采厚煤層，厚度為3.30～4.50 m，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)1955 m，傾斜長(zhǎng)236 m，平均采高3.86 m，工業(yè)儲(chǔ)量224.53萬t，可采儲(chǔ)量216.35萬t。工作面采用U型通風(fēng)方式，即膠帶巷進(jìn)風(fēng)，輔運(yùn)巷回風(fēng)。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為30.00 m3/min，需要開展瓦斯抽采治理瓦斯災(zāi)害。

2 瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)

針對(duì)18303工作面瓦斯來源與絕對(duì)瓦斯涌出量，馬蘭煤礦采用高抽巷抽采、順層鉆孔抽采、下鄰近層鉆孔抽采、上隅角懸管等抽采方式治理該工作面瓦斯。本文著重介紹高抽巷抽采和順層鉆孔抽采。

2.1 高抽巷

在距18303工作面頂板垂高48 m，內(nèi)錯(cuò)輔運(yùn)巷水平間距30 m處施工高抽巷，巷道斷面15 m2，巷道長(zhǎng)1500 m。高抽巷布置見圖1。

圖1 18303工作面高抽巷布置圖

18303高抽巷在18303工作面回采前封閉，在密閉上安設(shè)抽采管路后對(duì)高抽巷進(jìn)行抽采。通過在該抽采管路上安裝蝶閥調(diào)節(jié)瓦斯的抽采流量，并實(shí)測(cè)不同瓦斯抽采流量時(shí)高抽巷內(nèi)CH4、CO、O2等氣體濃度，綜合考量瓦斯抽采參數(shù)條件下，煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度。不同瓦斯抽采流量下高抽巷內(nèi)氣體數(shù)據(jù)情況見表1。

表1 不同瓦斯抽采流量下高抽巷內(nèi)氣體數(shù)據(jù)情況

由表1可知，隨著高抽巷瓦斯抽采流量的增加，高抽巷內(nèi)監(jiān)測(cè)到的氣體濃度也有不同程度的變化?？傮w來看，O2濃度隨著抽采流量的增加不斷增加，在抽采流量為7.8 m3/min時(shí)，O2濃度為12.97%；抽采流量升至30.9 m3/min時(shí)，O2濃度增加到15.26%,這說明在高抽巷瓦斯抽采流量增加的同時(shí)也增加了漏風(fēng)量，讓更多的空氣進(jìn)入巷道內(nèi)。高抽巷內(nèi)CO濃度穩(wěn)步上升，從最初的0.0023%，一直升高到0.0069%。特別注意的是，當(dāng)瓦斯抽采流量上升到19.4 m3/min后，CO濃度有迅速上升的趨勢(shì)。相比之下，高抽巷內(nèi)的CH4濃度呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。瓦斯抽采流量在7.8～17.2 m3/min之間，CH4濃度不斷升高，之后逐步下降；在抽采流量達(dá)到30.9 m3/min時(shí)，CH4濃度回落到19.66%，這表明不斷增大高抽巷瓦斯抽采流量并不能持續(xù)增加瓦斯抽采濃度，反而超過一定瓦斯抽采流量時(shí)，抽采的氣體中瓦斯?jié)舛冉档?，空氣含量增加。監(jiān)測(cè)回風(fēng)巷中CH4濃度同樣也說明這一點(diǎn)，適度的瓦斯抽采可以降低回風(fēng)巷中的CH4濃度，在抽采流量達(dá)到19.4 m3/min后，回風(fēng)巷中的CH4濃度幾乎不變，一直維持在0.26%這一較低水平。上述數(shù)據(jù)均表明高抽巷瓦斯抽采流量維持在15.1～19.4 m3/min區(qū)間內(nèi)，可以取得較好的瓦斯災(zāi)害治理效果，同時(shí)能兼顧自燃火災(zāi)預(yù)防。

2.2 順層鉆孔

在18303工作面輔運(yùn)巷及膠帶巷Ⅱ段補(bǔ)充施工本煤層鉆孔，輔運(yùn)巷鉆孔從18303輔運(yùn)巷里程118 m開始布置，鉆孔間距3 m，至輔運(yùn)巷里程2005 m結(jié)束，共施工鉆孔630個(gè)，方位角128°，孔深120 m；膠帶巷鉆孔從18303膠帶巷Ⅱ段里程10 m(措施巷以里10 m)開始布置，鉆孔間距5 m，至膠帶巷Ⅱ段里程830 m(距離切眼約10 m)結(jié)束，共施工鉆孔165個(gè)，方位角308°，孔深120 m，鉆孔傾角為煤巖層傾角(考慮到施工過程中鉆桿下沉影響，取鉆孔傾角大于煤巖層傾角0.5°)，鉆孔開孔距巷道底板1.3～1.5 m，孔徑113 mm。順層鉆孔布置如圖2所示。

本文選取8個(gè)不同抽采負(fù)壓下的順層鉆孔，研究鉆孔內(nèi)氣體濃度分布，得出最佳的順層鉆孔負(fù)壓。順層鉆孔的施工參數(shù)如表2所示。順層鉆孔內(nèi)各氣體濃度情況如圖3所示。

圖2 18303工作面順層鉆孔設(shè)計(jì)平面示意圖

圖3 順層鉆孔內(nèi)各氣體濃度情況

孔號(hào)抽采負(fù)壓/kPa傾角/(°)孔徑/mm孔深/m1#15.11.01131622#20.30.51131453#25.22.01131654#29.80.01131575#35.4-1.01131486#39.60.01131217#45.31.01131508#50.11.5113149

由表2和圖3可知，在順層鉆孔抽采過程中，隨著抽采負(fù)壓的提高，瓦斯?jié)舛扔忻黠@的上升。這一現(xiàn)象在15～40 kPa尤為明顯，負(fù)壓達(dá)到40 kPa之后，瓦斯?jié)舛葞缀蹙S持不變，說明繼續(xù)增加抽采負(fù)壓不會(huì)明顯提高抽采效果。但是，隨著抽采負(fù)壓的增大，鉆孔內(nèi)氧氣濃度與CO濃度均迅速升高，這是由于負(fù)壓加大，增加了煤體裂隙通道的漏風(fēng)，使得自燃煤層開始與O2接觸，反應(yīng)產(chǎn)生一定量的CO。顯然，過高的抽采負(fù)壓不利于自燃災(zāi)害的防治，特別是當(dāng)抽采負(fù)壓高于40 kPa時(shí)，CO濃度增加迅速。因此，綜合考慮防火需求和抽采經(jīng)濟(jì)效益，順層鉆孔抽采負(fù)壓應(yīng)該在35～40 kPa為宜。

3 自燃災(zāi)害與防火技術(shù)

在回風(fēng)巷沿非回采幫一側(cè)敷設(shè)三芯束管150 m，束管吊掛高度1 m，外套一英寸保護(hù)鋼管，每50 m布置一個(gè)采樣器；1#束管上對(duì)接1#采樣器，待1#采樣器進(jìn)入采空區(qū)40 m時(shí)，在2#束管上對(duì)接2#采樣器，待2#采樣器進(jìn)入采空區(qū)40 m時(shí)，在3#束管上對(duì)接3#采樣器，以此類推直至工作面回采完畢，束管布置見圖4所示。監(jiān)測(cè)采空區(qū)溫度與O2濃度等數(shù)據(jù)，可以掌握采空區(qū)內(nèi)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布，從而反映防滅火技術(shù)的具體效果。

圖4 束管布置示意圖

3.1 控制風(fēng)量

抽采條件下，采空區(qū)漏風(fēng)加劇，通過有效地調(diào)整工作面配風(fēng)量成為輔助防治自燃火災(zāi)的一種方法。抽采前后18303工作面自燃三帶分布范圍如圖5所示，在18303工作面實(shí)施最大配風(fēng)(1400 m3/min)的情況下，實(shí)施瓦斯抽采前，根據(jù)實(shí)測(cè)O2濃度，判定采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域大致在工作面后方35～80 m的范圍內(nèi)。但在開展工作面瓦斯抽采后，自燃區(qū)域的范圍明顯擴(kuò)大，在40～130 m的范圍內(nèi)。說明抽采不利于采空區(qū)遺煤氧化的抑制，加劇了自燃火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 抽采前后18303工作面自燃三帶分布范圍

因此，通過調(diào)整工作面供風(fēng)情況，可以改變18303工作面采空區(qū)自燃三帶的分布。不同供風(fēng)量18303工作面自燃三帶分布范圍如圖6所示。

圖6 不同供風(fēng)量18303工作面自燃三帶分布范圍

由圖6可知，將工作面配風(fēng)量調(diào)整至600～1200 m3/min，可以不同程度的縮小采空區(qū)自燃三帶的范圍。當(dāng)工作面配風(fēng)量降至1200 m3/min時(shí)，自燃帶大致在采空區(qū)38～120 m的范圍。當(dāng)配風(fēng)量降至800 m3/min時(shí)，采空區(qū)自燃帶范圍有明顯縮小，分布在35～100 m的范圍。當(dāng)配風(fēng)量為600 m3/min時(shí)，自燃危險(xiǎn)區(qū)域比未進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)的面積更小，說明自燃火災(zāi)的危險(xiǎn)進(jìn)一步降低。考慮工作面供風(fēng)有供氧、除塵、降溫、排瓦斯等多重作用，以及礦工作業(yè)的基本需求，工作面配風(fēng)量不宜過低，因此，認(rèn)為工作面配風(fēng)量應(yīng)維持在800～1000 m3/min，防滅火效果更好。在防滅火的實(shí)際操作中，還需配合堵漏技術(shù)結(jié)合實(shí)施，加強(qiáng)效果。

3.2 注氮技術(shù)

一旦監(jiān)測(cè)到有自然發(fā)火標(biāo)志氣體出現(xiàn)時(shí)，啟用注氮硐室內(nèi)DM-1000/8注氮泵，敷設(shè)70 mm管徑的鋼管至工作面端頭并埋入采空區(qū)。制氮泵的供氮能力按礦井防滅火設(shè)計(jì)中注氮防滅火需要選取，供氮能力(1個(gè)工作面注氮量)可按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：QN——制氮機(jī)的供氮能力，m3/h；

Q0——采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，m3/min；

K——備用系數(shù)，取1.2；

C1——采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，%；

C2——采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，即煤自燃臨界氧濃度，%；

CN——注入氮?dú)獾臐舛?，向火區(qū)注入氮?dú)鉂舛葢?yīng)不低于97%，因此取97%。

根據(jù)馬蘭礦18303工作面的設(shè)計(jì)情況，注氮量估算為720 m3/h，但是在實(shí)際的操作過程中，應(yīng)考慮抽采所造成的采空區(qū)多源漏風(fēng)，應(yīng)該增加注氮量，按原始計(jì)算量的1.2～1.5倍才能滿足抽采條件下自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍控制，保障防滅火效果。

4 結(jié)論

(1)對(duì)于自燃的高瓦斯煤層，回采工作面瓦斯治理時(shí)，不能一味地依靠增大瓦斯抽采流量、提高瓦斯抽采負(fù)壓來強(qiáng)化瓦斯的抽采效果，應(yīng)該綜合考慮瓦斯抽采引起的漏風(fēng)所導(dǎo)致的自燃危險(xiǎn)增加，忽視任何一點(diǎn)都不利于礦井的安全生產(chǎn)。

(2)瓦斯抽采過程中，考慮到采空區(qū)自燃危險(xiǎn)，存在合理的瓦斯抽采參數(shù)。高抽巷抽采量在15.1～19.4 m3/min之間最佳，順層鉆孔抽放負(fù)壓在35～40 kPa之間最佳，可以兼顧瓦斯治理與采空區(qū)防火的需要。

(3)為了在抽采條件下，降低采空區(qū)自燃危險(xiǎn)，應(yīng)該調(diào)整工作面的供風(fēng)量在800～1000 m3/min，在此基礎(chǔ)上，注氮量計(jì)算時(shí)，需要提高漏風(fēng)量的估算。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Research on key parameters of gas drainage and fire prevention measures in high gassy and spontaneous combustion coal seam of Malan Mine

Li Zhengchun, Zhao Pan

(Malan Mine, Xishan Coal and Electricity Group Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030205, China)

For solving complex safety problems in high gassy coal seam with spontaneous combustion potential, in this paper, 18303 work face was used as an example for researching the spontaneous combustion of coal seam affected by gas drainage. The optimum parameters of gas drainage were discussed. Under the same drainage condition, the influence of air supply of work face on spontaneous combustion hazard zone in gob was tested. The results showed that gas drainage could aggravate the spontaneous combustion of residual coal in gob. Therefore, there were optimum ranges of gas drainage and negative pressure. The flow rate of high drainage roadway should be 15.1～19.4 m3/min, and the negative pressure should be around 35～40 kPa, which could not only meet the requirement of gas control, but also take into account fire prevention needs. Under the extraction condition, in order to reduce the risk of spontaneous combustion, air supply should be reduced to 800～1000 m3/min, and the amount of nitrogen injection should be increased.

high gassy coal seam with spontaneous combustion potential, gas drainage, fire prevention for coal seam, air supply amount, flow rate of gas drainage, negatire pressure of gas drainage

李爭(zhēng)春,趙磐.馬蘭煤礦高瓦斯自燃煤層瓦斯抽采關(guān)鍵參數(shù)與防火措施研究[J].中國(guó)煤炭，2017,43(7)：134-138. Li Zhengchun, Zhao Pan. Research on key parameters of gas drainage and fire prevention measures in high gassy and spontaneous combustion coal seam of MaLan Mine [J]. China Coal, 2017，43(7):134-138.

TD75，TD712

A

李爭(zhēng)春(1970-)，男，山西原平人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任西山煤電股份有限公司馬蘭煤礦礦長(zhǎng)，主要從事煤礦技術(shù)與管理工作。