超前精準預注氮在自燃煤層工作面中的應用

趙文曙，咸英群，劉曉春

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

1 概述

西銘礦是位于西山煤田東北隅、井田面積達42.17 km2、年產(chǎn)360 Mt/a的大型現(xiàn)代化礦井。礦井可采煤層有2#、3#、8#、9#煤，其中2#、3#煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組為上組煤，2#與3#煤層平均層間距為11.5 m；8#、9#煤層位于石炭系上統(tǒng)太原組為下組煤，8#與9#煤的平均層間距為1.5 m；其中2#、8#、9#煤層均屬Ⅱ類自燃煤層，3#煤層屬Ⅲ類不易自燃煤層。

由于開采技術(shù)條件的局限，2#、3#煤層采煤工作面未采用“內(nèi)錯”布置而是“斜交叉”布置，即3#煤層采煤工作面與上覆2#煤層工作面呈斜交布置。2#煤層工作面的煤柱恰好處于3#煤層工作面的上面，3#煤層回采過程中上覆2#煤層煤柱區(qū)有自然發(fā)火的危險；同時，9#煤層回采時，由于受反復采動影響，部分地段與地表形成裂隙，并且采空區(qū)密閉受壓變形存在地表及密閉雙重漏風威脅，給上覆及相鄰采空區(qū)帶來了自然發(fā)火的危險。為有效預防自然發(fā)火，探索符合西銘井田的防滅火技術(shù)與措施，實施超前、精準、靶向打孔，進行定量、定點注氮技術(shù)，有效防止自然發(fā)火事故的發(fā)生，實現(xiàn)安全高效回采，成為礦區(qū)工程技術(shù)人員的重要安全科題。

2 自然發(fā)火風險分析及治理

2.1 自然發(fā)火風險分析

（1）西銘井田3#煤層43104工作面自然發(fā)火風險分析

a、開采地質(zhì)條件

西銘井田西十一盤區(qū)43104工作面地表位于隨老母村西南，蓮葉塔村西北，王家溝村以東，馬矢山村以南。太佳公路由南東向北西穿過工作面中部，工作面蓋山厚度185～324 m，平均230 m。該工作面井下東為43106采空區(qū)，南鄰3#煤回風巷，西部為43102工作面，北為隨老母斷層，上覆2#煤均已回采，并且上覆2#煤層42106與42104工作面之間煤柱橫穿43104工作面且已回采。2#煤層與3#煤層間距9～15 m，平均層間距11.5 m左右。工作面采用“U”型通風方式；2#煤層為Ⅱ類自燃煤層，煤塵爆炸指數(shù)17.88%，最短自然發(fā)火期93天。

b、自然發(fā)火風險分析

在3#煤層43104工作面回采時，受采動影響，上覆采空區(qū)煤柱陷落或產(chǎn)生裂隙，由于采空區(qū)漏風，對2#煤采空區(qū)進行供氧，為2#煤層遺留煤柱自燃提供了條件，極易引起自然發(fā)火。同時與43104工作面相鄰的43106、43108工作面，均發(fā)現(xiàn)了CO等自然發(fā)火標志性氣體且具有自然發(fā)火征兆，采用正壓通風+注氮+注水措施方才安全回采。

為此，3#煤層上覆2#煤層采煤工作面之間的煤柱陷落氧化自燃是引起3#煤層采空區(qū)自然發(fā)火的危險源，必須采取措施超前治理，減少或免除上覆采空區(qū)煤柱自燃對工作面安全回采的威脅。

（2）西銘井田9#煤層49407工作面自然發(fā)火風險分析

a、開采地質(zhì)條件

西銘井田南四盤區(qū)49407工作面地面位于隨老母溝以東，后西嶺梁以西，冀家溝風機房以南，冀家溝由南向北穿過工作面中東部地表，蓋山厚度：168～460 m，平均275 m。井下東鄰南四軌道巷，南鄰49409工作面，北鄰49405工作面，西鄰南四大尾巷并且上覆8#煤已回采，為“孤島”工作面，工作面采用“U” 型通風方式，8#煤層與9#煤層間距0.5～3.1 m，平均層間距1.5 m，均屬Ⅱ類自燃煤層；8#煤層煤塵爆炸指數(shù)15.38%，最短自然發(fā)火期為84天，9#煤層煤塵爆炸指數(shù)15.34%，最短自然發(fā)火期為88天。

b、自然發(fā)火風險分析

南四盤區(qū)8#、9#煤層埋藏淺，受反復采動影響，地面裂隙與上、下層采空區(qū)裂隙相互導通，存在地表向采空區(qū)漏風風險，上覆8#煤層的遺留煤柱及浮煤與氧氣接觸產(chǎn)生緩慢氧化反映，氧化反映過程中產(chǎn)生大量熱，煤體溫度升高，存在自然發(fā)火危險。

同時，9#煤層掘進巷道時采用沿8#煤層底板按內(nèi)錯6 m的方式布置，因與上覆8#煤層間距小，頂板易離層、壓裂冒落，與上覆采空區(qū)相互導通，存在9#煤層采掘工作面向上覆8#煤層漏風，致使上覆采空區(qū)遺留煤柱或浮煤氧化蓄熱升溫，也存在自然發(fā)火危險。

為此，煤層群埋藏較淺、反復采動、層間距較小且回采期間遺留煤柱及浮煤，地面、井下存在漏風，導致采空區(qū)長期處于微通風、供氧狀態(tài)，進而采空區(qū)遺留煤體或浮煤氧化發(fā)熱產(chǎn)生自然發(fā)火，威脅9#煤層的安全回采。

2.2 治理技術(shù)分析

利用大功率注氮泵定期定量向采空區(qū)、煤柱帶及浮煤區(qū)注氮，是當前成熟的成本低廉、工藝簡單、滅火效果好的防滅火措施，依據(jù)《煤礦用氮氣防滅火技術(shù)規(guī)范》（MT/T701-1997），根據(jù)被注地點的幾何體積、氧化空間大小、裂隙情況、漏風量大小以及氣體組分科學注氮，是有效防止自然發(fā)火的主要技術(shù)措施之一。

（1）3#煤層43104工作面治理技術(shù)分析

a、治理技術(shù)分析

針對3#煤層43104工作面自然發(fā)火的風險源即上覆2#煤層采煤工作面煤柱斜穿通過43104工作面，在43104工作面回采過程中，存在漏風氧化，進而發(fā)生自然發(fā)火危險的分析結(jié)果，本著“超前預防、精準管控”的原則，擬采取在43104工作面回采前，向上覆2#煤層煤柱超前精準施工定向注氮鉆孔，超前預注氮的技術(shù)方案。

43104工作面回采前在43104軌道巷和皮帶巷先向上覆斜交42106煤柱施工精準靶向注氮鉆孔，從斜交煤柱向外10 m開始布置第一組鉆場，每100 m布置1組鉆孔，每組布置2個鉆孔，鉆孔間距為5 m，鉆孔施工至采空區(qū)遺留煤柱貫眼內(nèi)。通過鉆孔對2#煤層遺留煤柱貫眼超前精準注氮，降低自燃帶氧氣含量，防止采空區(qū)自然發(fā)火，見圖1。

圖1 43104工作面注氮鉆孔

b、注氮鉆孔傾角、孔深設計與計算

根據(jù)2#煤層在開采過程中遺留煤柱情況，注氮鉆孔分別在軌道巷與皮帶巷布置。鉆孔垂直于煤幫布置。鉆孔施工傾角和孔深，具體公式為:

43104工作面注氮鉆孔終孔垂高取11.5 m，鉆孔水平距根據(jù)上覆煤柱情況取5.77 m、63.51 m、121.24 m、178.98 m。

鉆孔傾角：β=-tng（h/s）式中：β為鉆孔傾角，°；h為終孔垂高，m；s為鉆孔水平距，m。

鉆孔孔深：L=S/cosβ式中：L為鉆孔深度；S為水平距；β為鉆孔傾角。

經(jīng)上公式計算出鉆孔傾角為63.41° 、10.25°、5.4°、3.68°，孔深為12.86 m、64.54 m、121.7 8 m、178.35 m。

（2）9#煤層49407工作面治理技術(shù)分析

a、治理技術(shù)分析

因49407工作面上覆8#煤層48407采煤工作面遺留有0.6 m左右的底煤且范圍廣、空間大，49407工作面兩順槽在掘進期間分別向相鄰工作面采空區(qū)（49409、49405工作面）及上覆工作面采空區(qū)（48405工作面）施工注氮鉆孔，做到超前預注氮。使氮氣第一時間充滿采空區(qū)，將氧氣排擠出去，氮氣部分替代氧氣而進入到煤體裂隙表面，使采空區(qū)中因氧含量不足而使遺煤不能氧化自燃；在瓦斯和火并存的危險區(qū)域內(nèi)，采用注氮方式能使可燃性氣體失去爆炸性；連續(xù)不斷向采空區(qū)或火區(qū)注氮，且氮氣濃度不低于97%時，增加了采空區(qū)相對壓力，填堵了采空區(qū)的空間，減少了氧氣與遺煤接觸機會；氮氣能在流經(jīng)煤體時帶走遺煤氧化產(chǎn)生的熱量，緩解了升溫速度，降低了周圍介質(zhì)溫度，破壞了煤的氧化聚熱條件，從而延緩或終止自然發(fā)火的發(fā)生。

b、注氮鉆孔傾角與孔深設計與計算

根據(jù)8#煤層在開采過程中遺留浮煤情況，注氮鉆孔分別在49407軌道巷與皮帶巷布置，一方面向兩側(cè)相鄰工作面即49409、49405工作面每隔100 m施工一組鉆孔，鉆孔垂直于煤幫布置，鉆孔與相鄰采空區(qū)鉆通即可，孔深約20 m；另一方面在49407軌道巷與皮帶巷工作面幫向上覆采空區(qū)每隔100 m施工一組鉆孔，見圖2。

圖2 49407工作面上覆采空區(qū)超前注氮鉆孔剖面

上覆采空區(qū)注氮鉆孔傾角和孔深，具體公式為：

49407工作面注氮鉆孔終孔垂高取1.5 m，鉆孔水平距根據(jù)上覆煤柱情況取10 m。

鉆孔傾角：β=-tng（h/s）式中：β為鉆孔傾角，°；h為終孔垂高，m；s為鉆孔水平距，m。

鉆孔孔深：L=S/cosβ式中：L為鉆孔深度；S為水平距；β為鉆孔傾角。

經(jīng)上公式計算出鉆孔傾角為8.53°，孔深為10.11 m。

3 防止自然發(fā)火效果分析

1）通過對3#煤層43104工作面采用超前精準靶向打孔預注氮技術(shù)，對上覆采空區(qū)的煤柱進行精準注氮，制造了高氮少氧“隔離帶”，降低“自燃帶”氧氣含量，防止了采空區(qū)自然發(fā)火，保證了43104工作面安全回采，在回采過程中經(jīng)過取樣化驗分析，未發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火標志性氣體，并且進回風上隅角溫度基本控制在11℃～12℃之間，同時取消了相鄰43106、43108工作面回采期間采用正壓通風的通風設施，實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

2）通過對9#煤層49407工作面采用掘進期間向相鄰及上覆工作面采空區(qū)超前注氮，49407工作面兩順槽在掘進期間溫度由15℃下降至11℃，達到正常溫度，同時對相鄰采空區(qū)取樣化驗分析，未發(fā)現(xiàn)任何自然發(fā)火標志性氣體，并且相鄰及上覆采空區(qū)溫度也下降至正常在11℃～12℃之間，實現(xiàn)了安全回采。

4 結(jié)語

在自然發(fā)火危險的礦井，必須堅持“預防為主、防治結(jié)合”方針，本著“超前預防、源頭治理、定向治理、科學滅火”的原則，一方面積極推廣無煤柱、綠色充填及煤層群下層煤內(nèi)錯布置開采等新技術(shù)、新工藝，杜絕遺煤、煤柱及浮煤產(chǎn)生；另一方面積極建立微色譜束管監(jiān)測系統(tǒng)，超前監(jiān)控監(jiān)測自然發(fā)火標志性氣體，完善以注氮、注漿、三相泡沫為主的防滅火治理手段，根據(jù)自然發(fā)火源，采取超前精準靶向預注氮或其它惰性氣體，既有效保證了礦井正常采掘及接續(xù)，又有效減少了煤炭資源的損失和浪費。西銘礦采用超前預注氮與精準靶向預注氮技術(shù)，對上覆及相鄰采空區(qū)制造高氮少氧“隔離帶”防滅火措施，做到了提前預防，精準預防，契合了“雙重預控”理念，將風險、隱患提前控制，為預防煤層自燃提供了寶貴的實踐經(jīng)驗和技術(shù)，為西山煤田開采近距離煤層預防采空區(qū)自然發(fā)火提供了實踐案例。