某礦2306工作面采空區(qū)遺煤自燃及瓦斯災(zāi)害治理方案

吳 健

(汾西礦業(yè)集團(tuán)通風(fēng)處)

礦井采用沿空掘巷開采新技術(shù)，有助于極大地減少預(yù)留煤柱的儲量損失，最大限度地提高煤炭采出率。沿空掘進(jìn)時，由于掘進(jìn)巷道與采空區(qū)之間的保護(hù)煤柱較窄，節(jié)理裂隙較多，相鄰采空區(qū)易通過保護(hù)煤柱的裂縫與巷道相互連通，從而形成漏風(fēng)通道[1-5]。某礦3#煤層采用綜采放頂煤開采技術(shù)，采空區(qū)遺煤較多，瓦斯釋放量大，隨著回采后時間的推移，采空區(qū)內(nèi)會積存了大量瓦斯。一旦采空區(qū)發(fā)生大量漏風(fēng)，極易使得采空區(qū)氧氣濃度增加，進(jìn)而導(dǎo)致自燃事故發(fā)生。此外，涌向采空區(qū)的風(fēng)流會使得采空區(qū)內(nèi)的瓦斯大量涌進(jìn)掘進(jìn)巷道，造成掘進(jìn)巷道瓦斯?jié)舛瘸?，從而?dǎo)致瓦斯事故發(fā)生[6-8]。本研究以該礦2306工作面為例，對該工作面瓦斯遺煤自燃及瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工作面煤層賦存條件

該礦2308膠帶順槽位于3#煤層，屬于二類自然發(fā)火煤層，煤層自然發(fā)火期為3～6個月，最短發(fā)火期為31 d。煤層瓦斯壓力為0.27 MPa，瓦斯含量為2.36 m3/t，最高瓦斯絕對涌出量為6.46 m3/min，瓦斯相對涌出量為2.33 m3/t[9]。煤層厚度為3.2～9.3 m，平均7.4 m，煤層傾角為21°～40°，平均36°。煤層呈黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，半光亮型，以亮煤為主，次為暗煤，含鏡煤及黃鐵礦，較脆，參差狀棱角狀斷口，屬于低中灰、特低硫、特低磷、高發(fā)熱量、高灰熔點的氣煤，具有易選、結(jié)焦性好的特點。2308膠帶順槽區(qū)域煤層呈向斜狀，軸部位于2308膠帶順槽中部，向斜軸向342°，向北傾伏，傾角為32°。受向斜構(gòu)造影響，沿順槽方向煤層呈先俯角8°，過向斜軸部后仰角26°～140°[9]。3#煤層頂?shù)装逄卣魅绫?所示。

表1 3#煤層頂?shù)装逄卣鲄?shù)

2 采空區(qū)遺煤自燃及瓦斯治理方案

2.1 方案設(shè)計

對于易自燃煤層，在沿空掘進(jìn)巷道時，巷道與采空區(qū)之間保護(hù)煤柱較窄，采空區(qū)內(nèi)積聚了大量瓦斯。受巷道進(jìn)風(fēng)量、大氣壓變化等因素的影響，采空區(qū)與掘進(jìn)巷道內(nèi)的氣體壓力極易發(fā)生不平衡，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯向巷道大量涌出。僅通過加大風(fēng)量來稀釋巷道瓦斯，無法有效解決采空區(qū)瓦斯異常涌出問題，并且隨進(jìn)風(fēng)量的增加，采空區(qū)極易發(fā)生自燃[10]。通過對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放可以從根本上解決瓦斯異常涌出問題，抽放時一般將抽放口布置于低壓區(qū)，即掘進(jìn)巷道出風(fēng)口位置。瓦斯抽放時，抽放口附近會形成負(fù)壓，更有利于瓦斯向抽放口運移，但受抽放負(fù)壓影響，采空區(qū)更易發(fā)生漏風(fēng)，加劇了采空區(qū)遺煤自燃的危險性。因此，在進(jìn)行瓦斯抽放的同時須確保采空區(qū)壓力與掘進(jìn)巷道內(nèi)壓力均衡，可采取注氮措施來實現(xiàn)內(nèi)外壓力平衡[3]。為確保注氮安全，一般沿著采空區(qū)漏風(fēng)方向注氮，使得氮氣順著漏風(fēng)方向運移。為確保將氮氣充滿整個采空區(qū)，可將注氮口布置于風(fēng)筒出風(fēng)口附近。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯被抽出，且氮氣已經(jīng)充滿了整個采空區(qū)時，采空區(qū)內(nèi)瓦斯及遺煤自燃危害便得到了有效解決。采空區(qū)瓦斯置換過程，即為建立采空區(qū)抽放與注氮的動態(tài)平衡過程，在該過程中，采空區(qū)氧氣濃度應(yīng)始終控制在7%以下。

2.2 鉆孔布置

在實施氣體置換時，選擇合理的抽放注氮位置十分重要。通過觀測，確定在沿著采空區(qū)的2308掘進(jìn)巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)向采空區(qū)布置注氮鉆孔，從巷道出風(fēng)口側(cè)向采空區(qū)布置抽放鉆孔(圖1)。如此布置的優(yōu)點為：在進(jìn)行瓦斯抽放和注氮時，一方面，在抽放口附近會形成負(fù)壓，能夠使高壓區(qū)的瓦斯向抽放口附近運移，加之保護(hù)煤柱具有較大的黏性阻力，可大大減少采空區(qū)向巷道的瓦斯涌出量；另一方面，注入的氮氣能夠順著漏風(fēng)方向向抽放口運移，可使得氮氣快速充滿整個采空區(qū)。在進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽放時，應(yīng)堅持“低負(fù)壓、大流量”的原則，并有效控制瓦斯抽放量，使其略小于注氮量，方可確保采空區(qū)內(nèi)壓力平衡。

圖1 瓦斯抽放及注氮鉆孔布置示意

3 數(shù)值模擬分析

在易自燃瓦斯礦井中，當(dāng)采用綜采放頂煤技術(shù)開采較厚煤層時，放落的煤塊會釋放出大量瓦斯，造成采空區(qū)內(nèi)大量瓦斯積聚。沿空掘巷時，受各種因素的影響，采空區(qū)與掘進(jìn)巷道的內(nèi)外壓力極易發(fā)生不平衡，易導(dǎo)致瓦斯異常涌出或遺煤自燃。一方面，當(dāng)采空區(qū)采取注氮防滅火措施時，注入的氮氣會改變采空區(qū)瓦斯原有的平衡狀態(tài)，采空區(qū)瓦斯可能涌入掘進(jìn)巷道，使巷道瓦斯?jié)舛瘸?；另一方面，為解決采空區(qū)瓦斯積聚問題，需對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，若抽放強(qiáng)度過大或抽放口位置設(shè)置不合理，易導(dǎo)致向采空區(qū)注入的氮氣涌入瓦斯抽放口，使注氮效果下降。為提高采空區(qū)注氮防滅火效果，同時防止采空區(qū)瓦斯涌出造成巷道瓦斯異常，本研究采用Fluent軟件對注氮條件下采空區(qū)氧氣濃度及瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律進(jìn)行分析。

圖2為沿空掘巷采空區(qū)底板以上2.1 m處的氧氣濃度分布特征。分析可知：風(fēng)筒出風(fēng)口采空區(qū)附近以及掘進(jìn)巷道中，氧氣濃度最高，達(dá)到20%～21%；越往采空區(qū)深處，氧氣濃度越低，同一深度，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度高于回風(fēng)側(cè)；從掘進(jìn)巷道向采空區(qū)深處，采空區(qū)從巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度呈一定梯度遞減，但在注氮口附近，氮氣沖淡了氧氣的濃度；由于注氮量相對于漏風(fēng)量較小，因此注氮對采空區(qū)氧氣濃度分布的影響較有限，盡管如此，在注氮口附近區(qū)域，注氮能夠在一定程度上降低采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的危險性。

圖2 氧氣濃度分布

圖3為采空區(qū)同一平面的氮氣濃度分布特征。分析可知：氮氣在采空區(qū)的分布特征與氧氣大致相同，只是氮氣濃度較高，并且在注氮口附近，氮氣濃度明顯較高，甚至達(dá)到了100%，導(dǎo)致該區(qū)域氧氣濃度較低。

綜上分析可知：聯(lián)合采用采空區(qū)注氮和瓦斯抽放的技術(shù)措施，可使得采空區(qū)氧氣濃度大幅下降，大部分區(qū)域降至10%以下，瓦斯?jié)舛冉抵?%以下，整體效果明顯優(yōu)于單獨采用瓦斯抽放或注氮措施。

4 結(jié) 語

對某礦2306工作面采空區(qū)采用了注氮與瓦斯抽放相結(jié)合的技術(shù)方案，研究表明：該方案有助于顯著降低采空區(qū)氧氣濃度以及瓦斯?jié)舛龋蠓档筒煽諈^(qū)遺煤自燃以及瓦斯異常涌出的危險性。

圖3 氮氣濃度分布