基于厚煤層開采臨近老空區(qū)高溫火災(zāi)治理的探索

王開勝， 孟文鋒， 劉 鑫

(1.山東能源棗礦集團(tuán)柴里煤礦，山東 滕州 277519； 2.陜西天潤中恒科貿(mào)有限公司，陜西 西安 710043)

1 國內(nèi)防滅火研究現(xiàn)狀

煤炭資源是保障我國能源結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)，在我國能源結(jié)構(gòu)中占70%。我國煤炭資源豐富，但同時也受開采條件和賦存環(huán)境的嚴(yán)重制約。我國的煤炭賦存地質(zhì)條件復(fù)雜、具有自然傾向性的煤種比重大，容易發(fā)生嚴(yán)重事故。煤自燃是礦井開采和生產(chǎn)過程中的重大災(zāi)害之一。煤的自燃主要是因?yàn)槊耗軌蜻M(jìn)行低溫氧化，產(chǎn)生熱量且由于煤是不良熱導(dǎo)體，低溫氧化的熱量容易積聚致使煤溫持續(xù)升高，繼而引發(fā)煤自燃。煤自燃不僅威脅著礦井工作人員的生命安全，還造成了大量的煤炭資源浪費(fèi)，且對環(huán)境造成了諸多污染。探索煤自燃特性和如何防治煤自燃是相關(guān)專家和工作人員研究的重點(diǎn)。鄧軍等(2017)利用程序升溫裝置，研究了煤樣在升溫后降溫過程中氣體產(chǎn)生情況及變化規(guī)律。梁浦浦等(2018)利用熱重實(shí)驗(yàn)和程序升溫實(shí)驗(yàn)研究了含水量對煤自燃特性的影響。張嬿妮等(2018)測定了不同煤層的煤自燃特性的異同點(diǎn)。肖旸等(2018)研究了離子液體阻化劑對煤自燃的抑制作用。

近年來，隨著礦井煤炭資源的減少、開采深度和開采強(qiáng)度不斷增大，影響煤層自燃發(fā)火的環(huán)境條件也日趨增多，加之由于生產(chǎn)任務(wù)重，許多采煤工作面被迫布置在火區(qū)周圍，導(dǎo)致采煤工作面自燃發(fā)火威脅越來越大，防治工作越來越困難。老礦區(qū)由于煤自燃形成的火區(qū)限制了大量煤炭資源的正常開采，特別是對于厚煤層開采臨近老空高溫區(qū)的礦井尤為嚴(yán)重。當(dāng)厚煤層開采臨近老空高溫區(qū)時，需要對受老火區(qū)影響而沒有開采的區(qū)域進(jìn)行重新探測評估，同時采用合適的方法進(jìn)行火區(qū)治理，確保將有限的資源安全采出。因此，對厚煤層開采臨近老空高溫區(qū)火災(zāi)治理方法的探索研究不但是重要的安全問題，同時也是社會經(jīng)濟(jì)問題，并且越來越緊迫和必要。滿文華等(2013)對中厚煤層開采防治火災(zāi)技術(shù)進(jìn)行了探討，認(rèn)為在易自燃的中厚煤層的開采中，通過優(yōu)化開拓布局，采用合理的開采方法，完善的火災(zāi)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，合理的堵漏風(fēng)防滅火措施，阻燃技術(shù)的綜合運(yùn)用，能夠防止火災(zāi)的發(fā)生。宋雙林等(2015)針對屯寶煤礦采空區(qū)的遺煤在可能存在漏風(fēng)通道的情況下易發(fā)生氧化自燃的實(shí)際問題，提出了先采用示蹤氣體測定漏風(fēng)通道，根據(jù)測定結(jié)果實(shí)施封堵漏風(fēng)通道措施，再通過采空區(qū)注氮、預(yù)防性灌漿及打鉆灌注防滅火材料等綜合技術(shù)措施來防治采空區(qū)遺煤自燃。杜海剛等(2015)為了解決高瓦斯易自燃近距離特厚煤層上覆老空區(qū)在下部回采中浮煤自燃的問題，通過對采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)致因分析及防滅火技術(shù)研究，識別采空區(qū)危險(xiǎn)特征，提出了優(yōu)化采空區(qū)注氮釋放口位置，建立采空區(qū)層間漏風(fēng)協(xié)調(diào)均壓防治技術(shù)及上覆老空區(qū)多點(diǎn)預(yù)埋灌漿防火技術(shù)等綜合防治技術(shù)。張祎等(2012)分析了影響采空區(qū)煤自燃的關(guān)鍵因素，提出了以大流量灌注三相泡沫大范圍覆蓋浮煤為主、均壓堵漏及加快工作面推進(jìn)速度為輔的煤自燃綜合防治措施，有效治理了綜放工作面的煤自燃火災(zāi)。

本研究項(xiàng)目提出在厚煤層分層開采臨近高溫區(qū)在復(fù)雜火區(qū)條件下對臨近工作面安全回采進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出解決思路和技術(shù)措施，具有一定的創(chuàng)新性和較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

2 礦井及自然發(fā)火工作面概況

2.1 礦井概況

山東棗莊柴里煤礦經(jīng)過多年開采，礦井內(nèi)采空區(qū)多、聯(lián)絡(luò)巷多。當(dāng)沒有做噴漿處理或防火處理的老空區(qū)漏風(fēng)后，容易形成火災(zāi)，特別是老空高溫區(qū)，礦井中各煤層之間、同一煤層開采過的區(qū)域均存在老空高溫區(qū)。2016年10月經(jīng)鑒定，主采第三煤層自燃傾向性為II級自然發(fā)火礦井。

山東棗莊柴里煤礦開采的易燃厚煤層，具有較強(qiáng)的自然發(fā)火傾向性。通過對歷次自燃火災(zāi)綜合分析表明，3煤層統(tǒng)計(jì)自燃發(fā)火期為35 d。建礦以來，已發(fā)生煤自燃火災(zāi)40余起。在統(tǒng)計(jì)的43起自燃火災(zāi)中，一水平35起，占81.4%，二水平8起，占18.6%。目前殘存的老火區(qū)有3203、3205、23101、23103、2320、23304、23306、23307、23309、23400、23402、23403、23409等火區(qū)。目前柴里煤礦火區(qū)壓煤約200余萬噸，治理高溫火區(qū)、解放火區(qū)壓煤成為柴里煤礦生產(chǎn)接續(xù)至關(guān)重要的一項(xiàng)工作。因此，必須利用先進(jìn)的技術(shù)手段，對老空區(qū)隱蔽火源高溫自燃區(qū)域進(jìn)行治理，解放該區(qū)域周邊儲量，為今后火區(qū)治理提供有力的技術(shù)基礎(chǔ)，保證礦井生產(chǎn)接續(xù)穩(wěn)定。

2.2 自然發(fā)火工作面概況

柴里煤礦23下306綜放工作面位于233采區(qū)中部，北為23下305工作面采空區(qū)，南為23下307工作面采空區(qū)，如圖1所示。工作面通風(fēng)方式采用U型通風(fēng)，采用走向長壁式綜放開采工藝。根據(jù)三煤層自然傾向性鑒定報(bào)告：三煤層屬易自燃煤層，自然最短發(fā)火期35 d。本分層采放3下煤，一分層已停采；二分層23下306工作面發(fā)火后，燒至23下306溜子道出現(xiàn)高溫?zé)熿F，有毒有害氣體濃度過高，臨時采取封閉措施。

3 老空區(qū)高溫火區(qū)形成原因及分布

3.1 老空區(qū)高溫火區(qū)形成原因

軌道巷于2016年8月2日排放氣體后開始掘進(jìn)，運(yùn)輸巷于2016年5月31日開始掘進(jìn)。由于23下306工作面二分層掘進(jìn)運(yùn)輸巷時，因23下306運(yùn)輸巷與23下307軌道巷相鄰，且23下306運(yùn)輸巷在23下307泄水巷上方跨過，23下307泄水巷被壓垮變形和密閉受壓破損、漏風(fēng)，致使23下307泄水巷與其采空區(qū)堆積的破碎煤體供氧、蓄熱，在23下306西面溜子道距溜煤眼以東出現(xiàn)CO濃度快速升高、附近溫度逐漸升高現(xiàn)象。不同時間下23下306工作面CO濃度如表1所示。

3.2 老空區(qū)高溫區(qū)分布情況

在本分層掘進(jìn)期間，運(yùn)輸巷在巷道施工至535棚后，揭露上分層采空區(qū)，巷道空氣溫度逐漸升高，其中585棚、635棚等揭露采空區(qū)的區(qū)段，頂板溫度35 ℃；掘進(jìn)至切眼頂板矸石溫度達(dá)到42 ℃，迎頭施工鉆孔內(nèi)溫度達(dá)到52 ℃；在切眼掘進(jìn)過程中頂板煤壁溫度最高達(dá)43 ℃。2018年6月11日巷道溫度如表2所示。

表1 23下306工作面CO濃度數(shù)據(jù)采集表

表2 巷道溫度采集表

23下306工作面存在火區(qū)隱患多，治理難度大。該工作面西段出現(xiàn)火災(zāi)后，由于無法采取直接滅火措施，只能采取封閉窒息，造成火區(qū)產(chǎn)生的熱量無法釋放，采空區(qū)溫度高，熱量向四周擴(kuò)散，發(fā)火范圍擴(kuò)大。二分層運(yùn)輸巷中部溜煤眼以東出現(xiàn)自燃火災(zāi)，采用灌漿滅火后，二分層?xùn)|部火區(qū)得以控制并恢復(fù)生產(chǎn)，軌道巷掘進(jìn)時頂板為采空區(qū)老塘，且浮煤較厚。東部二分層停采撤除時，由于撤除條件差且時間長，封閉時就出現(xiàn)CO氣體。本分層工作面北為23305采空區(qū)，南為23307采空區(qū)，受相鄰采空區(qū)影響，防滅火難度較大。

4 老高溫區(qū)治理措施

發(fā)生火災(zāi)后通常采取的方法是控制火勢蔓延，加快推采速度，將火區(qū)甩到窒息帶。這種方法沒有影響本工作面的開采，但升溫區(qū)的熱量很難快速散失，在很長時間內(nèi)保持比周邊溫度高。已發(fā)火區(qū)域產(chǎn)生的高溫將附近水分蒸發(fā)，大部分易揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)，因此這些區(qū)域遇到氧氣后很容易發(fā)生二次火災(zāi)。

4.1 一分層停采線高溫區(qū)治理(本分層切眼)

23下306工作面切眼是在一分層停采線前部布置，在掘進(jìn)施工及開采過程中受到采動動壓較大，特別是在23下306工作面開采初期，由于巷道壓力大，頂板破碎，部分巷段已與一分層采空區(qū)溝通，在23下306工作面切眼掘進(jìn)及工作面初采期間在兩巷監(jiān)測到CO，且有連續(xù)增加的趨勢，頂板煤壁積熱氧化，淋水溫度達(dá)到43 ℃，通過在23下306軌道巷隅角打鉆孔探溫取樣分析，鉆孔內(nèi)CO濃度為1 260×10-6，溫度為46 ℃。通過對現(xiàn)場周邊情況判斷及取樣分析，綜合判斷高溫點(diǎn)隱患位在一分層停采線。

為確保工作面能順利推采，采用CO濃度與注氮?dú)饴?lián)動的方法治理火區(qū)，具體措施為：一是在軌隅角向一分層停采線施工2個Φ 42 mm壓漿孔，向一分層停采線采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行壓注凝膠；二是本分層初采切眼與一分層停采線相鄰，受上分層老火區(qū)影響，在切眼掘進(jìn)過程中頂板煤壁溫度最高達(dá)43 ℃，迎頭施工鉆孔內(nèi)溫度達(dá)到52 ℃，故對切眼每隔15棚施工4個Φ 42 mm壓漿孔，施工后先進(jìn)行注水，后接壓漿管路進(jìn)行壓注凝膠。

通過采取上述防滅火措施，該區(qū)域CO濃度呈快速下降趨勢，最終趨近于零，并長期保持穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 CO濃度與注氮?dú)饴?lián)動治理火區(qū)

采空區(qū)CO探頭將探測到的CO濃度傳輸?shù)叫盘柼幚砥?，信號處理器將探測到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值，由濃度顯示器顯示出來。信號處理器將探測到的高濃度CO對應(yīng)的電磁閥打開，使N2由此管路注出(CO濃度低的區(qū)域不打開)，高濃度的N2可以稀釋O2濃度，并阻止氧氣向高溫區(qū)擴(kuò)散。當(dāng)此區(qū)域CO濃度降低后，信號處理器通過電磁閥關(guān)閉此處注氮管路，打開探測到的最高CO濃度區(qū)域電磁閥，對此高溫點(diǎn)進(jìn)行抑制。依此循環(huán)注氮，實(shí)現(xiàn)CO濃度和注氮聯(lián)動的方式治理升溫區(qū)域。

4.3 小裂隙區(qū)域低壓注水

小裂隙區(qū)域出現(xiàn)升溫現(xiàn)象后，CO濃度隨之迅速升高，采用高壓注水方式，水流容易擠壓并沖刷裂隙表面，部分細(xì)小顆粒被沖走，形成的大裂隙使水大量流失，很難擴(kuò)散開來，只能使很小區(qū)域的溫度降低，且停止注水后，形成的大裂隙更容易形成漏風(fēng)通道，二次發(fā)火可能性增加。低壓注水可以使水流充分?jǐn)U散開來，覆蓋更大的升溫區(qū)域，使注入的水有更長時間的吸熱機(jī)會，節(jié)約了用水量，降低了火區(qū)溫度，降低了二次發(fā)火的可能性。高低壓注水方式優(yōu)劣比較如表3所示。

表3 高低壓注水方式優(yōu)劣比較

4.4 二分層停采線對老空高溫區(qū)治理(軌道巷鉆機(jī)窩)

在二分層工作面停采撤除時，二分層停采線處由于撤除條件差、回撤時間長，封閉時就出現(xiàn)CO氣體。

采取措施：一是在生產(chǎn)技術(shù)科的大力支持下，由綜掘一隊(duì)在軌道巷施工至二分層停采線時，施工了鉆機(jī)窩；二是在鉆機(jī)窩內(nèi)施工了5個Φ 42 mm防滅火鉆孔，1#～3#孔終孔位置在二分層停采線內(nèi)，4#～5#孔終孔位置在一分層采空區(qū)內(nèi)；三是利用鉆孔對二分層停采線及一分層采空區(qū)進(jìn)行壓注凝膠，超前降溫，確?；夭蛇^程中的防滅火安全。

4.5 二分層中部溜煤眼處老高溫區(qū)治理(軌道巷415～545棚段)

該段巷道為二分層運(yùn)輸巷中部溜煤眼老高溫區(qū)，在二分層開采期間，溜煤眼以東出現(xiàn)自燃火災(zāi)，消除后二分層?xùn)|面得以生產(chǎn)，但該段巷道在掘進(jìn)期間，巷道頂板漏頂，特別是溜煤眼處與上分層采空區(qū)溝通，漏風(fēng)通道發(fā)育，極易出現(xiàn)復(fù)燃。

采取措施：一是對該段揭露溜煤眼巷道進(jìn)行了噴堵，隔絕了漏風(fēng)供氧；二是對老溜煤眼前后揭露上分層假頂段每10棚施工2個Φ 32 mm降溫孔，定期對鉆孔進(jìn)行取樣分析；三是利用施工的降溫孔，對該段巷道進(jìn)行降溫注水，濕潤巷道頂部煤體，消除老高溫區(qū)。

4.6 一分層采空區(qū)治理(軌道巷幫孔)

23下306工作面上分層西段出現(xiàn)火災(zāi)后，由于無法采取直接滅火措施，只能采取封閉窒息，造成火區(qū)產(chǎn)生的熱量無法釋放，整個工作面采空區(qū)內(nèi)溫度高，給安全生產(chǎn)帶來了隱患。

采取措施：一是在軌道巷每隔40棚向上分層采空區(qū)施工一組Φ 42 mm壓漿孔；二是在軌道巷敷設(shè)一路防滅火管路至切眼，同時在兩巷留設(shè)風(fēng)水閥門，以便打鉆、注水使用；三是對施工的鉆孔按組進(jìn)行接孔，隨工作面推采進(jìn)度逐段進(jìn)行壓注凝膠、注三相泡沫。

5 治理過程中取得的成果

為確保工作面防滅火安全，做了大量防滅火工作，軌道巷施工Φ 42 mm注漿孔76個，切眼及兩隅角施工Φ 42 mm注膠孔84個，切眼及軌道巷使用膠凝劑13 t，壓漿32 000余方。在高溫治理過程中，對工作面不同高溫地點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確分析，通過對上分層采空區(qū)大面積漏風(fēng)通道供氧和鉆孔探溫?cái)?shù)據(jù)的分析，制定不同的治理措施，積極創(chuàng)新防滅火手段，科學(xué)有效地治理不同位置的高溫點(diǎn)。

在老高溫區(qū)治理過程中，運(yùn)用了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，其中長距離注膠工藝，實(shí)現(xiàn)了凝膠機(jī)與注膠地點(diǎn)最遠(yuǎn)1 200 m注膠工藝，避免與生產(chǎn)運(yùn)輸交叉作業(yè)的問題；防滅火鉆孔一孔多用，既能解決排水問題，節(jié)省了排水工作量，同時又能起到對上分層采空區(qū)及煤壁降溫防滅火的作用，達(dá)到了一孔多用的效果；采空區(qū)氣體超限自動注氮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)CO濃度達(dá)到或超過上限值時，實(shí)現(xiàn)自動注氮?dú)?，達(dá)到防滅火措施瞬間聯(lián)動的效果。采空區(qū)溫度超限自動注水系統(tǒng)，將鉆孔內(nèi)植入溫度傳感器探頭，當(dāng)鉆孔內(nèi)溫度達(dá)到或超過設(shè)置的溫度上限時，安全監(jiān)控系統(tǒng)對供水閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，打開水管的電磁閥，向鉆孔內(nèi)實(shí)施自動注水，從而達(dá)到降溫注水的效果。防滅火鉆孔低壓注水技術(shù)，改變以往大水量注水方式，采用低流量、低水壓的注水方式，使注入煤體的水在較小壓力的作用下逐漸滲入煤體，實(shí)現(xiàn)不間斷注水和長期保持煤體濕潤的預(yù)期效果。

6 結(jié)論

通過對老高溫火區(qū)自然發(fā)火區(qū)域的分析判斷，找出了火區(qū)位置，提出了治理措施。運(yùn)用一孔多用措施預(yù)先注水快速降溫、注膠和排水，用氮?dú)庖种苹饏^(qū)發(fā)展，為采用注凝膠、注膠體高分子滅火劑及注三相泡沫提供充足的時間保證。創(chuàng)造性地將膠凝劑添加距離提高到1 200 m，并防止了注漿管路堵塞的可能，使膠凝劑的添加距離根據(jù)巷道實(shí)際情況有更多的選擇可能性，并創(chuàng)造性地運(yùn)用了CO濃度與注氮?dú)饴?lián)動、注水系統(tǒng)與溫度檢測聯(lián)動、低壓注水等方法，為火區(qū)的防治提供了技術(shù)積累，為礦井安全生產(chǎn)提供了有力的保障。