基于示蹤氣體的“U”型通風(fēng)工作面煤自燃治理技術(shù)

孫留濤 趙乾坤

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，江蘇省徐州市，221116)

對(duì)于高瓦斯突出礦井，在區(qū)域消突過(guò)程中，通過(guò)布置底抽巷并利用上向穿層鉆孔進(jìn)行卸壓消突是保證上分層突出工作面兩巷安全掘進(jìn)的主要措施。而穿層鉆孔導(dǎo)致上分層工作面的采空區(qū)與底抽巷貫通，形成漏風(fēng)通道，影響了采空區(qū)煤自燃“三帶”的分布，同時(shí)提高了上分層采空區(qū)煤自燃概率，使煤自燃防治復(fù)雜化。本文基于對(duì)建南煤礦B102工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律的研究，確定了采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，指導(dǎo)了煤自燃的防治。

1 工作面概況及漏風(fēng)情況初步分析

1.1 工作面概況

B102工作面為長(zhǎng)壁開(kāi)采工作面，采用U型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)量為900 m3/min。煤的最短自然發(fā)火期為43 d，目前，工作面已經(jīng)推進(jìn)260 m。由于開(kāi)采煤層為高瓦斯突出煤層，采掘巷道前，在開(kāi)采煤層下40 m左右布置底抽巷，并在底抽巷內(nèi)布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)的鉆孔采用扇形上向穿層形式進(jìn)行預(yù)抽消突。工作面底抽巷巷道布置及通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 工作面底抽巷巷道布置及通風(fēng)系統(tǒng)平面圖

目前B102工作采用Y型通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)巷、底抽巷進(jìn)風(fēng)，匯合后出風(fēng)巷出風(fēng)?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，底抽巷片幫嚴(yán)重，且出現(xiàn)大面積頂板垮落，初步判斷漏風(fēng)通道較發(fā)育。B102工作面基本頂和老頂為砂巖，巖性較硬，頂板垮落困難，使頂板未垮落區(qū)域形成漏風(fēng)通道。根據(jù)氣體監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)分析，架后100～200 m以內(nèi)，O2、CO等濃度始終在19%和0.001%附近波動(dòng)，說(shuō)明采空區(qū)始終處于供氧狀態(tài)，同時(shí)遺煤部分氧化，但熱量尚未積聚，據(jù)此分析，采空區(qū)整體處于熱平衡狀態(tài)。受采動(dòng)的影響，該熱平衡狀態(tài)極易被打破，從而引發(fā)煤自燃，由于該工作面屬于高瓦斯工作面，進(jìn)而存在瓦斯爆炸等次生災(zāi)害。

1.2 漏風(fēng)情況分析

為了消突，沿底抽巷布置了高位鉆孔、上向穿層鉆孔等，導(dǎo)致工作面與底抽巷間煤體破碎嚴(yán)重，形成大量的漏風(fēng)通道，同時(shí)標(biāo)志性氣體濃度也表明采空區(qū)氣體分布異常，據(jù)此推斷：

(1)底抽巷向采空區(qū)漏風(fēng)，遺煤氧化，熱量未積聚，遺煤處于熱平衡狀態(tài)，遺煤未發(fā)生急劇氧化，采空區(qū)處于連續(xù)供氧狀態(tài)。

(2)工作面進(jìn)風(fēng)巷為重要漏風(fēng)源。工作面基本頂和老頂為硬質(zhì)砂巖，回采后頂板垮落困難，尤其是兩巷頂板難以垮落，頂板垮落效果直接影響采空區(qū)壓實(shí)程度，頂板未垮落區(qū)域可能形成漏風(fēng)通道。

2 漏風(fēng)通道分析與判別

2.1 方案的確定

結(jié)合漏風(fēng)初步分析，采用多點(diǎn)定量釋放法進(jìn)行漏風(fēng)通道測(cè)試。測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，共有A(下隅角)、B、C、D(底抽巷)4個(gè)釋放點(diǎn)。利用束管采樣系統(tǒng)布置1、2、3和4共4個(gè)采樣點(diǎn)。釋放時(shí)間為30 min，釋放量為30 ml/s，初次取樣間隔30 min，后續(xù)每15 min取一次樣。

圖2 測(cè)點(diǎn)分布示意圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

底抽巷釋放及氣體濃度檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 底抽巷釋放及氣體濃度檢測(cè)結(jié)果

由圖3可知，底抽巷3個(gè)釋放點(diǎn)均檢測(cè)到了示蹤氣體，說(shuō)明底抽巷風(fēng)流從裂隙中進(jìn)入了上分層的采空區(qū)。其中B釋放點(diǎn)檢測(cè)到的氣體濃度較低，C和D兩點(diǎn)氣體濃度較高。結(jié)合底抽巷風(fēng)量分布，B所處巷道風(fēng)流為300 m3左右，巷道較為完整，且距取樣點(diǎn)較遠(yuǎn)；C、D所處巷道風(fēng)量近1000 m3，且巷道破碎嚴(yán)重，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相符。取樣點(diǎn)1、2和3(均在密閉墻附近區(qū)域)的氣體濃度均高于4號(hào)取樣點(diǎn)，說(shuō)明密閉墻是底抽巷的主要漏風(fēng)匯，上隅角是底抽巷的次要漏風(fēng)匯。

測(cè)試結(jié)果表明2號(hào)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)到的SF6氣體濃度一直處于較高水平。為了進(jìn)一步確定內(nèi)、外部漏風(fēng)的主次關(guān)系，在工作面下隅角A處釋放氣體，分別在2、4號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，4號(hào)點(diǎn)氣體濃度明顯高于2號(hào)點(diǎn)氣體濃度，說(shuō)明內(nèi)部漏風(fēng)是該工作面的主要防治重點(diǎn)，同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)外部漏風(fēng)源的防治。

2.3 “三帶”及危險(xiǎn)源判別

根據(jù)漏風(fēng)測(cè)試分析可知，采空區(qū)與底抽巷風(fēng)流形成貫通，不僅存在內(nèi)部漏風(fēng)，外部漏風(fēng)也影響著“三帶”分布，根據(jù)“三帶”劃分原理，該工作面具有其特殊性。結(jié)合“O”型圈垮落規(guī)律，靠近工作面的冒落巖石壓實(shí)程度低，而在工作面與初始切眼的中部，冒落巖石壓實(shí)程度最高，因此與傳統(tǒng)“三帶”相比，該采空區(qū)“三帶”氧氣濃度成環(huán)狀分布，即由外圍向內(nèi)氧氣濃度逐漸降低。按照氧氣濃度及漏風(fēng)通道測(cè)試分析，“三帶”分布如圖5所示，防治重點(diǎn)在氧化帶。

圖4 工作面SF6濃度測(cè)試分布

圖5 采空區(qū)“三帶”分布示意圖

3 煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域防治

目前該工作面CO濃度依然保持在10%左右，氧氣濃度稍微有所降低，約為17%。因此，預(yù)防煤自燃的發(fā)生根本在于減少漏風(fēng)，如圖6所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，制定如下方案。

3.1 上下隅角封堵

根據(jù)漏風(fēng)通道測(cè)試結(jié)果可知，工作面是主要漏風(fēng)源，為了降低煤自燃概率，在上下隅角進(jìn)行封堵，降低工作面兩端壓力，減少內(nèi)部漏風(fēng)，如圖6所示。經(jīng)測(cè)試，在進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量維持在1200 m3/min不變的情況下，封堵前后，回風(fēng)巷風(fēng)量由900 m3/min增加至1150 m3/min，漏風(fēng)量明顯降低。

3.2 灌注防滅火材料

根據(jù)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分可知，該工作面的防治重點(diǎn)位于環(huán)形氧化帶內(nèi)。為實(shí)現(xiàn)泡沫凝膠覆蓋整個(gè)采空區(qū)遺煤，通過(guò)上隅角架后30 m和50 m預(yù)埋的灌漿管路向采空區(qū)注入泡沫凝膠，如圖7所示。束管取樣分析，CO濃度有所降低，穩(wěn)定在5%左右。

圖6 工作面上下隅角封堵示意圖

圖7 采空區(qū)注漿示意圖

4 結(jié)論

(1)在有底抽巷存在的工作面，受采動(dòng)影響，上下分層裂隙貫通，底抽巷風(fēng)流通過(guò)層間裂隙進(jìn)入上分層采空區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化。受漏風(fēng)量的影響，遺煤產(chǎn)熱和散熱處于熱平衡狀態(tài)，一旦該平衡被打破，則易引發(fā)煤自燃災(zāi)害。

(2)SF6示蹤氣體試驗(yàn)表明，整個(gè)采空區(qū)均處于漏風(fēng)流中，根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)特征，結(jié)合頂板垮落情況，確定了采空區(qū)“三帶”的范圍，并對(duì)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行判別，通過(guò)上下隅角封堵、遺煤區(qū)域覆蓋、控風(fēng)等綜合措施，CO濃度下降，煤自燃威脅降低，對(duì)指導(dǎo)火災(zāi)防治有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡千庭,趙旭生.中國(guó)煤與瓦斯突出事故現(xiàn)狀及其預(yù)防的對(duì)策建議[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2012(5)

[2] 陳慶亞.埋管抽采條件下采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律研究[D].華北理工大學(xué),2015

[3] 張學(xué)博,程紅軍.SF6示蹤氣體測(cè)定漏風(fēng)技術(shù)若干問(wèn)題探討與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化,2014(6)

[4] 余明高,李龍飛,褚廷湘等.瓦斯抽采下沿空留巷采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(3)

[5] 張學(xué)博,靳曉敏.“U+L”型通風(fēng)綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)特性研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2015(4)

[6] 任曉鵬. SF6示蹤氣體在礦井近距離煤層漏風(fēng)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2013(6)

[7] 邵輝,李西才,代廣龍等.SF6示蹤氣體在煤礦漏風(fēng)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭工程,1990(6)

[8] 馬成軍,白利文,申立華.采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律及影響因素分析[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008(1)

[9] 楊永良,李增華,陳奇?zhèn)サ?利用頂板冒落規(guī)律研究采空區(qū)自燃“三帶”分布[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2010(2)

[10] 常坦祥. Y型通風(fēng)工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究[D].安徽建筑大學(xué),2015