淺埋深上覆采空區(qū)封閉工作面火區(qū)治理技術(shù)

陳 輝

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶沙坪壩區(qū)，400037)

★ 煤礦安全 ★

淺埋深上覆采空區(qū)封閉工作面火區(qū)治理技術(shù)

陳 輝1,2

(1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司, 重慶市沙坪壩區(qū)，400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶沙坪壩區(qū)，400037)

闡述了1W301工作面CO異常情況，分析了工作面CO異常產(chǎn)生的原因。在地面利用測氡法探測采空區(qū)高溫區(qū)域，在井下采用鉆探法通過測溫和氣樣標(biāo)志氣體分析判斷高溫區(qū)域。設(shè)計(jì)采用堵漏風(fēng)、注漿(膠)、注氮、注液態(tài)CO2等綜合防滅火措施對不同位置的高溫區(qū)域進(jìn)行火區(qū)治理，為制定封閉火區(qū)治理方案提供了一種新思路。

淺埋深煤層 采空區(qū) 火區(qū)探測 高溫區(qū)域 火區(qū)治理

淺埋深煤層由于埋藏較淺，上部采空區(qū)受地應(yīng)力影響往往在地表形成較大裂隙，風(fēng)流通過地表裂隙向上部采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重。由于下部煤層與上部采空區(qū)層間距較小(B3與B4層間距為5.11 m)，在下煤層工作面回采過程中易與上部采空區(qū)貫通，進(jìn)而與地表裂隙貫通，工作面漏風(fēng)嚴(yán)重。如果回采工作面CO濃度出現(xiàn)異常，CO異常區(qū)域位置的判定比較困難，治理異常區(qū)域也應(yīng)根據(jù)不同位置選擇不同的治理措施。本文通過地面和井下鉆探的方法綜合判斷CO異常區(qū)域位置，并根據(jù)具體位置制定有針對性的治理措施。

1 礦井概況

呼圖壁縣石梯子西溝煤礦為90萬t/a的改擴(kuò)建瓦斯礦井。該礦井采用平硐開拓方式。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。礦井現(xiàn)為一水平上下山開采，水平標(biāo)高為+1560 m，目前一水平分為東西兩翼采區(qū)開采，最低開采標(biāo)高為+1400 m。礦井西翼布置一個(gè)回采工作面1W301，該工作面上部1W401綜采面已于2015年回采完畢。1W401工作面開采B4煤層，B4煤層厚度為2.15～6.26 m，平均厚度為5.33 m，該工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，垮落法管理頂板。該工作面傾斜長度為200 m，走向長度為1360 m。1W301工作面開采B3煤層，B3煤層為不粘煤，煤層厚度為4.05～6.65 m，平均厚度為4.81 m，煤層傾角為10°～15°。頂板厚度為2.58～7.81 m，平均厚度為5.11 m。該工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，垮落法管理頂板。該工作面傾斜長度為217 m，走向長度為1434 m，可采長度為1370 m，采高4.5 m，傾角13°。截至2016年8月16日，1W301工作面共回采長度640 m，剩余可采長度為730 m。

2 CO異常情況及原因分析

1W301綜采工作面于2016年8月16日停產(chǎn)，至2017年2月26日該工作面停采時(shí)間已超過6個(gè)月。該工作面所采的B3煤層屬自燃煤層，自然發(fā)火期為3～6個(gè)月，在停產(chǎn)期間該工作面主要采取注氮等預(yù)防遺煤自燃的措施，實(shí)際注氮量為1200 m3/h，注氮管路沿運(yùn)輸巷道鋪設(shè)，注氮管出口位于支架后30 m。

2017年2月26日之前，1W301工作面氣體檢測一切正常，未檢測出CO氣體，瓦斯檢測數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，未出現(xiàn)忽高忽低等現(xiàn)象。2月26日凌晨1點(diǎn)30分瓦檢員發(fā)現(xiàn)1W301工作面CO濃度異常，后對回風(fēng)巷口、工作面下端頭、工作面10#支架、20#支架、50#支架等位置進(jìn)行CO檢測，發(fā)現(xiàn)回風(fēng)巷CO濃度為0.001%，50#支架CO濃度為0.05%。26日下午再次下井取樣，此次取樣測得50#支架CO濃度為0.05%、71#～72#支架CO濃度高達(dá)0.11%，回風(fēng)巷CO監(jiān)控探頭顯示有升高趨勢，由0.0057%逐漸攀升至0.0102%，隨后立即對1W301綜采工作面上下巷道進(jìn)行密閉。

通過分析，CO濃度異常發(fā)生的主要原因有：

(1)B3、B4煤層本身具有較強(qiáng)的自燃傾向性，1W401采空區(qū)和1W301采空區(qū)內(nèi)留有大量的遺煤。1W401工作面所采的B4煤層厚度為2.15～6.26 m，平均厚度為5.33 m，采煤機(jī)最大采高為5.3 m，在煤層超過5.3 m時(shí)，該工作沿頂板推進(jìn)，超過采高的部分當(dāng)作底部遺煤留在采空區(qū)內(nèi)。1W301工作面因頂板容易冒落，在回采過程中留有0.6～0.8 m的頂煤，給煤自燃提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)1W301工作面自2016年8月16日停采，至2017年2月26日發(fā)生遺煤自燃時(shí)已停采6個(gè)多月，超過了B3煤層的自然發(fā)火期。

(3)在工作回采過程中，地表裂隙發(fā)育充分，地表漏風(fēng)嚴(yán)重。隨著年后氣溫的上升，對應(yīng)地表積雪已開始融化，漏風(fēng)風(fēng)阻減小，漏風(fēng)量增大，為遺煤自燃提供充足的供氧條件。

(4)停產(chǎn)時(shí)間長(6個(gè)多月)，未及時(shí)封閉1W301工作面。

(5)束管監(jiān)測系統(tǒng)使用不正常，未能對1W301工作面氧化情況進(jìn)行預(yù)測。

(6)工作面頂板突然來壓，導(dǎo)致集聚的CO氣體突然壓出。

(7)地表漏風(fēng)嚴(yán)重，制氮機(jī)產(chǎn)生的氮?dú)庠诓煽諈^(qū)短暫停留后隨風(fēng)流流出，未起到很好的防火目的。

3 綜合法探測采空區(qū)火源點(diǎn)

3.1 測氡法探測采空區(qū)高溫區(qū)域

本次測氡采用性能可靠、應(yīng)用廣泛的RAD7專業(yè)電子測氡儀。根據(jù)礦方提供的采掘工程平面圖及相關(guān)資料，將1W301工作面、1W401工作面采空區(qū)全部劃入探測范圍，西部以井田保安煤柱為界，東部以停采線向東延伸50 m為界，北部以1W301運(yùn)輸巷道向北延伸50 m為界，南部以1W301回風(fēng)巷道向南延伸50 m為界，探測區(qū)域總面積約為42.8萬m2。

在測氡區(qū)域內(nèi)沿地表等高線每隔50 m設(shè)置一排采樣點(diǎn),垂直等高線方向每隔50 m設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場情況，利用GPS定位儀在地面進(jìn)行定位，考慮到探測范圍大小，確定采樣布點(diǎn)的步距為50 m，對布置在懸崖處的測點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)偏移，測點(diǎn)布置如圖1所示，圖中A、B、C、D代表探測區(qū)域的4個(gè)邊界點(diǎn)，縱橫交點(diǎn)(如2-1)代表測點(diǎn)。

通過在地表對采空區(qū)進(jìn)行測氡分析，確定了疑似高溫區(qū)域所在位置。結(jié)果表明，采空區(qū)存在疑似高溫區(qū)域，在探測區(qū)域內(nèi)疑似高溫區(qū)域共有2處，主要分布在1W301工作面停采位置的上隅角附近和采空區(qū)深部，如圖2所示。

圖1 測點(diǎn)布置圖

圖2 1W301工作面疑似高溫區(qū)域分布圖

3.2 井下探測鉆孔布置

根據(jù)測氡探測結(jié)果，選擇合適的井下位置施工鉆孔，通過監(jiān)測鉆孔內(nèi)氣溫和指標(biāo)氣體濃度對礦井采空區(qū)氡值異常區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的確認(rèn)，排查和圈定高溫異常區(qū)域范圍，為以后火區(qū)治理工作提供指導(dǎo)。

因1W301工作面密閉布置在距工作面700 m，工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)均無法施工通向工作面的探測鉆孔，只有距工作面運(yùn)輸巷較近的泄水巷具備鉆孔施工條件。

在泄水巷布置9個(gè)觀測鉆孔(后期作為措施孔)探測著火點(diǎn)位置，在1W301工作面下隅角、距工作面支架后尾梁向采空區(qū)深部方向20 m、40 m、60 m以及頂部1W401對應(yīng)位置分別布置1個(gè)探測鉆孔，在泄水巷相應(yīng)位置向工作面中部支架處施工1個(gè)鉆孔。泄水巷內(nèi)探測鉆孔參數(shù)見表1。

表1 探測鉆孔參數(shù)表

在火區(qū)治理之前，為了在火區(qū)治理的現(xiàn)場具備鉆孔施工條件，先施工一條平行于1W301運(yùn)輸巷的滅火措施巷(內(nèi)錯(cuò)30 m)和一條平行于工作面的消火道(內(nèi)錯(cuò)30 m)。在施工完滅火措施巷和消火道后，在消火道終端，向1W301回風(fēng)巷道側(cè)施工探測鉆孔，鉆孔終孔位置位于回風(fēng)隅角支架頂部，分別對1W301工作面支架頂煤和1W401工作面遺煤進(jìn)行探測。另外布置一個(gè)鉆孔終孔位置在工作面上隅角，作為上隅角取氣鉆孔和火區(qū)治理效果的觀測孔。在工作面傾斜方向，在消火道內(nèi)的50#、71#支架上部及1W401采空區(qū)對應(yīng)位置分別布置1個(gè)探測鉆孔，根據(jù)氣體分析和溫度分析，確定工作面高溫區(qū)域位置。

4 火區(qū)治理技術(shù)研究

4.1 堵漏風(fēng)

針對1W301工作面對應(yīng)的地表裂隙，采用不燃性充填物充填、表面黃土覆蓋等方式進(jìn)行填埋。填埋后定期派人對地表裂隙進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)裂隙，立即填埋。在采空區(qū)周圍及裂隙充填附近設(shè)置警戒線和警戒標(biāo)志，防止人員和動(dòng)物誤入。

對泄水巷泄壓鉆孔段670～840 m區(qū)段(約170 m)及其他存在漏風(fēng)段采取噴漿的方法進(jìn)行堵漏風(fēng)，噴漿厚度為100 mm。在噴漿前先用聚氨酯材料對泄壓鉆孔孔口進(jìn)行封堵，封堵長度為5～8 m。根據(jù)礦壓情況，安排專人定期檢查噴漿段噴漿情況，發(fā)現(xiàn)裂隙立即封堵，裂隙較多時(shí)進(jìn)行復(fù)噴。在裂隙較大或噴漿段產(chǎn)生較大范圍的噴漿層脫落時(shí)，采用打鉆注水泥漿的方法，利用注漿錨桿進(jìn)行注漿加固。

工作面上、下隅角堵漏風(fēng)選用堵漏風(fēng)專用的礦用高分子安全材料。該材料由A、B兩種組分反應(yīng)而成，通過配套的氣動(dòng)注漿泵注入到煤巖層裂隙或空洞，現(xiàn)場反應(yīng)發(fā)泡固化。在泄水巷向采空區(qū)后10 m范圍內(nèi)布置兩排鉆孔，分別距工作面支架后尾梁3 m和7 m，鉆孔終孔位置距1W301運(yùn)輸巷道外幫5 m，在高度方向上分別距1W301底板5 m、10 m、15 m、20 m、25 m(兩排鉆孔，每排5個(gè)鉆孔)。在消火道施工完成后，在消火道內(nèi)下端頭施工兩排封堵鉆孔，鉆孔距運(yùn)輸巷道外幫7 m和8 m，鉆孔終孔分別距后尾梁3 m和7 m，在高度方向上分別距1W301底板5 m、10m、15 m、20 m、25 m。上隅角鉆孔位置選擇在消火道靠近回風(fēng)巷頂端位置，在消火道內(nèi)分別布置4排鉆孔，分別距巷道外幫3 m、5 m、7 m和8 m，鉆孔終孔位置距后尾梁3 m和7 m，在高度方向上分別距1W301底板6 m、10 m、15 m、20 m、25 m。

4.2 注氮

礦方配有1套QTD碳分子篩地面固定式制氮機(jī)組，制氮量為1500 m3/h；輸?shù)獕毫?.65 MPa；氮?dú)饧兌取?7%；從地面制氮站至井下運(yùn)輸大巷注氮主管選用?219 mm×8 mm無縫鋼管，干管選用?108 mm×4 mm無縫鋼管。注氮主管沿副平硐井筒敷設(shè)，注氮管路采用套管焊接方式連接，其中閘閥、管座等管件處采用法蘭連接。在發(fā)生CO異常情況后，1W301采空區(qū)內(nèi)的注氮管路24 h注氮，降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度，抑制采空區(qū)遺煤繼續(xù)氧化，注氮管路出口在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)30 m位置。

考慮到在發(fā)生CO異常情況后只采用制氮機(jī)對1W301采空區(qū)注氮防火效果不明顯，礦方加大了1W301采空區(qū)惰性氣體(如液氮、液態(tài)CO2)的注入量，采用了液氮，在地面進(jìn)行汽化，再通過新鋪設(shè)注氮管路向密閉墻內(nèi)或通過在泄水巷施工鉆孔向1W301采空區(qū)注入氮?dú)猓种屏瞬煽諈^(qū)遺煤自燃，降低了密閉區(qū)域氧氣濃度含量，減小采空區(qū)發(fā)生爆炸的可能性。

4.3 注液態(tài)CO2

如果1W401采空區(qū)或1W301采空區(qū)深部(25 m后)的遺煤發(fā)生自燃，采用注液態(tài)CO2對遺煤自燃進(jìn)行控制，加快對采空區(qū)浮煤自燃的滅火進(jìn)度，縮短滅火時(shí)間，降低采空區(qū)內(nèi)環(huán)境溫度，降低啟封后浮煤復(fù)燃的危險(xiǎn)性。

液態(tài)CO2防滅火關(guān)鍵技術(shù)主要包括注入工藝選取、注入位置選擇以及注入量的確定，因此從這3個(gè)方面研究確定適合1W301工作面的液態(tài)CO2防滅火參數(shù)。

4.3.1 注入工藝

用于防滅火的液態(tài)CO2一般來源于化工廠回收的副產(chǎn)品。在需要時(shí)，可通過特制的運(yùn)送槽車將液態(tài)CO2運(yùn)至井口，再由煤礦利用小型槽車送到工作面附近的注液態(tài)CO2鉆孔。

4.3.2 注入位置

(1)泄水巷鉆孔。在泄水巷內(nèi)距1W301工作面臨時(shí)停采位置采空區(qū)側(cè)15 m、50 m、70 m對應(yīng)位置向1W301采空區(qū)和1W401采空區(qū)分別施工3個(gè)注液態(tài)CO2鉆孔，用于液態(tài)CO2灌注。

(2)消火道滅火鉆孔。在消火道沿工作面傾斜方向施工灌注CO2鉆孔，鉆孔分別位于工作面靠近回風(fēng)巷側(cè)、中部位置和靠近進(jìn)風(fēng)巷側(cè)，每個(gè)位置分別各施工2個(gè)鉆孔，一共施工6個(gè)鉆孔。鉆孔終孔位置分別位于采空區(qū)內(nèi)20 m，施工采用鉆套一體的鉆機(jī)，一次性鉆桿。

4.3.3 注入量計(jì)算

在治理封閉空間火區(qū)時(shí)，由于封閉的空間體積一般比較大，且氧含量高，所以滅火初始注入CO2的量要相對較大，此處只考慮按要求已經(jīng)對1W301工作面封閉的體積。

V=V1+V2+V3

(1)

式中：V——封閉火區(qū)的總體積，m3；

V1——工作面封閉體積，取7812 m3；

V2——巷道封閉體積，取27000 m3；

V3——采空區(qū)封閉空間體積，取191394 m3。

將1W301工作面相關(guān)參數(shù)代入式(1)得V=226206 m3。

治理封閉空間火區(qū)CO2用量關(guān)系式為：

(2)

式中：Qc——火區(qū)滅火初始注入CO2量， m3/h；

t——注入CO2的時(shí)間，取30 h；

K——CO2防火用量的備用系數(shù)，取1.2～1.5；

c1——注CO2前火區(qū)內(nèi)平均氧濃度，取10%～18%，平均為14%；

c2——氧化帶惰化防火臨界氧濃度，取8%。

Q0——火區(qū)漏風(fēng)量，取5 m3/min；

c0——火區(qū)周邊巷道空氣中的氧濃度，一般取16%。

將相關(guān)參數(shù)代入式(2)得1W301工作面需要的液態(tài)CO2的總體積為217085 m3，即需注入的液態(tài)CO2質(zhì)量為340 t。

4.4 注漿(膠)

本次火區(qū)治理選用黃土作為注漿材料，為了增加滅火效果，在注漿過程中應(yīng)確保水土比為2∶1～1∶1并適量添加膠體等防滅火材料。黃泥漿添加膠體材料具有堵漏風(fēng)、降溫作用，而且能夠延緩黃泥漿的沉淀和脫水，增大漿液有效擴(kuò)散半徑，同時(shí)能夠加強(qiáng)黃泥漿的保水保濕效果。

在1W301工作面上下端頭30 m范圍內(nèi)分別布置10個(gè)鉆孔，各鉆孔終孔之間的距離為3 m，對容易發(fā)火的上下端頭30 m范圍內(nèi)頂煤進(jìn)行注漿。在工作面中部按照終孔之間的距離為5～8 m(初步確定為6 m)的距離布置鉆孔，對工作面支架頂部遺煤及采空區(qū)15 m范圍內(nèi)的遺煤進(jìn)行控制，形成寬度15 m的隔離帶。1W301工作面注漿鉆孔布置如圖3所示。

圖3 1W301工作面注漿鉆孔布置平面圖

按照在支架頂部和采空區(qū)15 m范圍內(nèi)形成一個(gè)隔離帶進(jìn)行注漿量計(jì)算，1W301采空區(qū)和1W401采空區(qū)15 m范圍內(nèi)，工作面傾斜長度217 m，1W301工作面采高4.5 m，1W401工作面采高5.3 m，冒落帶高度為采煤高度的3倍，需注漿采空區(qū)體積95697 m3，根據(jù)《注漿防滅火技術(shù)規(guī)范》結(jié)合石梯子西溝煤礦采用綜采采煤法的實(shí)際情況，滅火灌漿系數(shù)取3%，水土比取2∶1，灌漿量為8612 m3，取灌漿系數(shù)為1.1，實(shí)際灌漿量為9474 m3，設(shè)計(jì)注漿量取9500 m3。

考慮對工作面上下端頭30 m范圍內(nèi)的遺煤容易自燃，在對該范圍內(nèi)的黃泥灌漿時(shí)加入膠體材料，該范圍內(nèi)的灌漿量約為2600 m3，按照添加比例1%，需要膠體劑26 t。

5 結(jié)論

(1)闡述了1W301工作面CO異常情況，分析了工作面CO異常產(chǎn)生的原因。

(2)分別從地面和井下采用綜合方法對采空區(qū)高溫區(qū)域進(jìn)行探測。地面利用測氡法探測采空區(qū)高溫區(qū)域，在井下采用鉆探法通過測溫和氣樣標(biāo)志氣體分析判斷高溫區(qū)域。

(3)設(shè)計(jì)采用堵漏風(fēng)、注漿(膠)、注氮、注液態(tài)CO2等綜合防滅火措施對不同位置的高溫區(qū)域進(jìn)行火區(qū)治理，并計(jì)算出各自需要的參數(shù)及用量。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Treatmenttechnologyofsealedworkfacefireareaatshallowburiedoverlyinggob

Chen Hui1，2

(1. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China;2. State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling,Shapingba, Chongqing 400037, China)

CO abnormal situation of 1W301 work face was stated, the cause of CO generation at work face was analyzed. Specifically using radon surveying technique on ground and using drilling detection underground to measure temperature and gas sample. Air leakage blocking, grouting, nitrogen injection, liquid CO2and other comprehensive fire prevention measurements were designed to control fire area at different positions and provided a path to sealed fire area treatment scheme.

shallow buried coal seam, gob, fire area detection, high temperature area, fire area treatment

陳輝. 淺埋深上覆采空區(qū)封閉工作面火區(qū)治理技術(shù)[J].中國煤炭，2017,43(8)：148-152，167. Chen Hui. Treatment technology of sealed work face fire area at shallow buried overlying gob [J]. China Coal, 2017，43(8):148-152，167.

TD75

A

陳輝(1983-),男，山東冠縣人，助理研究員，碩士研究生，2010年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，主要從事煤礦防滅火科研工作。