切頂留巷綜采面采空區(qū)高溫區(qū)域治理技術(shù)研究

孫守義，劉學(xué)飛

(1.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié) 551500；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤炭自然發(fā)火是礦井的主要自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國煤礦自燃火災(zāi)次數(shù)占礦井總火災(zāi)次數(shù)的 90%以上[1]，其中，采空區(qū)煤自燃火災(zāi)占總自燃火災(zāi)次數(shù)的 60% 以上，是礦井自燃火災(zāi)的重災(zāi)區(qū)。采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的危險(xiǎn)性受采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度、遺煤分布、煤炭耗氧速率、瓦斯涌出等因素影響[2]，其中影響最大的因素就是采空區(qū)的漏風(fēng)范圍及漏風(fēng)強(qiáng)度。近年來，切頂留巷技術(shù)在工作面回采過程中得到了推廣應(yīng)用，該技術(shù)具有巷道掘進(jìn)量少、礦井采掘銜接矛盾小、煤炭回收率高、工作面局部范圍內(nèi)周期壓力低等優(yōu)勢[3]。但是，該技術(shù)要求工作面的通風(fēng)方式必須為“兩進(jìn)一回”或“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)[4]，同時(shí)，切頂后采空區(qū)上部留下很大的自由空間，導(dǎo)致采空區(qū)的漏風(fēng)范圍及漏風(fēng)強(qiáng)度增大，自然發(fā)火危險(xiǎn)性增高，為采煤工作面防滅火工作帶來了新的挑戰(zhàn)[5]。

采空區(qū)是煤層回采后上覆巖層自由冒落形成的空間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，防滅火難度大。要實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)自燃火災(zāi)的有效防治，必須首先確定高溫區(qū)域的范圍，并根據(jù)自燃的程度及發(fā)展趨勢，選擇合理的防滅火技術(shù)，才能消除自然發(fā)火的隱患[6]。而高溫火源點(diǎn)定位技術(shù)是世界性的難題，目前還沒有一種技術(shù)或儀器設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)高溫區(qū)域的準(zhǔn)確定位[7]。同時(shí)，在煤礦現(xiàn)場的實(shí)際防滅火過程中，一旦發(fā)現(xiàn)采空區(qū)自燃隱患，盲目地采取多種防滅火措施，不僅浪費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力，提高滅火成本，而且容易造成自燃火災(zāi)得到治理，卻弄不清楚火源點(diǎn)具體位置和關(guān)鍵有效的治理措施，更有甚者，由于防滅火措施選擇的不合理而貽誤防滅火工作的時(shí)機(jī)[8]，導(dǎo)致自燃火災(zāi)失控，造成采煤工作面封閉。針對(duì)這一難題，本文以存在高溫區(qū)域的發(fā)耳煤礦50105工作面采空區(qū)為研究對(duì)象，提出了集采空區(qū)漏風(fēng)分布、自燃標(biāo)志性氣體濃度變化趨勢、采空區(qū)遺煤分布、回采時(shí)間為一體的采空區(qū)高溫區(qū)域判定方法，結(jié)合50105采空區(qū)的具體實(shí)際，確定了50105工作面采空區(qū)高溫區(qū)域的范圍。在此基礎(chǔ)上，提出了有針對(duì)性的綜合治理方案，即：壓注液態(tài)CO2控制高溫區(qū)域火勢、加快工作面推進(jìn)速度促進(jìn)上覆巖層冒落、高溫點(diǎn)壓注膠體直接滅火，徹底消除了50105采空區(qū)的高溫隱患，保證了工作面的安全回采，形成了一套有針對(duì)性的切頂留巷Y型通風(fēng)綜采面采空區(qū)高溫區(qū)域治理的技術(shù)體系。

1 工作面概況

發(fā)耳煤礦50105綜采面位于5采區(qū)中下部，其上部為50103工作面采空區(qū)，下部為實(shí)體煤；回采期間采用切頂留巷技術(shù)在上部的運(yùn)輸巷進(jìn)行留巷。通風(fēng)方式采用“Y”型通風(fēng)，即：運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，留巷及軌道巷回風(fēng)，工作面布置情況如圖1所示。工作面總進(jìn)風(fēng)量為1408m3/min，軌道巷回風(fēng)量為1120m3/min，留巷回風(fēng)量為326m3/min。所采煤層為貧瘦煤，自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ類不易自燃煤層，自然發(fā)火期在12個(gè)月以上。工作面軌道巷預(yù)埋了一路瓦斯抽放管路，抽放口滯后工作面30m，用于處理上隅角的瓦斯積聚問題。

圖1 發(fā)耳煤礦50105工作面通風(fēng)系統(tǒng)及監(jiān)測點(diǎn)布置

2 工作面采空區(qū)高溫區(qū)域的判定

2.1 采空區(qū)高溫點(diǎn)發(fā)展過程

50105工作面于 2019年7月下旬開始回采，當(dāng)回采至76m時(shí)，9月8日，首次在軌道巷瓦斯抽放管路中發(fā)現(xiàn)CO，濃度為0.006‰，隅角未發(fā)現(xiàn)CO，其他與該采空區(qū)連通的密閉中也均未發(fā)現(xiàn)CO。初步判斷CO的來源為本面采空區(qū)遺煤低溫氧化所致，在采取回風(fēng)隅角設(shè)擋風(fēng)墻、減少抽放壓力、留巷沿空側(cè)噴漿等措施后，抽放管路中的CO濃度基本維持在0.01‰左右。9月26日抽放管路中CO濃度升至0.05‰，回風(fēng)隅角CO濃度為0.007‰，五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)CO濃度達(dá)0.231‰，高溫區(qū)域自然發(fā)火處于快速發(fā)展趨勢。

2.2 采空區(qū)漏風(fēng)流場分析

50105工作面采用“一進(jìn)兩回”的Y型通風(fēng)方式，其采空區(qū)的漏風(fēng)通道主要有兩個(gè)通道：一條是經(jīng)切頂留巷和工作面流進(jìn)采空區(qū)然后從上隅角流出，進(jìn)入50105軌道巷；另一條是經(jīng)切頂留巷或工作面流進(jìn)50105采空區(qū)穿過50103留巷墻體進(jìn)入50103采空區(qū)。

從50105采空區(qū)的CO氣體濃度分布來看，上隅角及低壓抽采管路的CO濃度較低且變化不大，而五采區(qū)邊界巷密閉中的CO濃度增高趨勢非常明顯，這說明50105采空區(qū)后部高溫點(diǎn)產(chǎn)生的CO主要流向了50103的采空區(qū)，而不是50105的上隅角，這也是上隅角處CO濃度較低且不能反映采空區(qū)自燃高溫點(diǎn)實(shí)際發(fā)展趨勢的主要原因。

2.3 采空區(qū)高溫區(qū)域范圍的判定

1)高溫區(qū)域不在50105本面采空區(qū)。主要原因?yàn)椋?0105工作面所采煤層為瘦煤，自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ類不易自燃煤層，自然發(fā)火期在12個(gè)月以上；該面于7月下旬開始回采，截止9月27日回采時(shí)間約為80天，從時(shí)間上來看，本面采空區(qū)遺煤處于低溫氧化狀態(tài)，不具備自燃的條件[9]；在50105工作面上隅角長期檢測不到CO，后期雖然檢測到CO，但其濃度也非常低，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)[10]，如果本面采空區(qū)存在高溫點(diǎn)，上隅角CO濃度應(yīng)該呈現(xiàn)逐步升高的趨勢[11]。

2)高溫區(qū)域在50105軌道巷與50103切眼交叉點(diǎn)附近。主要原因有三點(diǎn)：從50103切眼與50105工作面的相對(duì)位置關(guān)系來看，9月8日首次發(fā)現(xiàn)CO時(shí)，工作面推過50103老切眼約8m的位置，50105和50103兩個(gè)工作面的采空區(qū)完全溝通，切眼處遺煤得到二次氧化，極易自燃[12]；從五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)的氣體變化規(guī)律來看，CO的濃度由26日的0.231‰升高到27日的0.256‰，說明高溫點(diǎn)氧化速度非?？欤匀籍a(chǎn)生的CO主要流向了50103采空區(qū)，并部分集聚在五采區(qū)邊界巷；該交叉點(diǎn)位于采空區(qū)“自燃三帶”的氧化帶內(nèi)[13-15](根據(jù)發(fā)耳礦經(jīng)驗(yàn)氧化帶一般在工作面后方30～70m處)，高溫點(diǎn)自燃趨勢急劇升高時(shí)，50103老切眼距工作面約35m的位置，剛好處在氧化帶范圍內(nèi)，因此，可以判定高溫區(qū)域應(yīng)該在50105軌道巷與50103切眼的交叉點(diǎn)附近。

3)為了更加精準(zhǔn)地確定高溫點(diǎn)的位置，首先從50105軌道巷的頂板向50105軌道巷與50103切眼交叉點(diǎn)的正上方施工了一個(gè)探測鉆孔，標(biāo)記為2#孔，終孔位置位于底板上方20m，鉆孔施工過程中CO和CO2濃度逐步升高，CO最高濃度達(dá)6.450‰，CO2最高濃度達(dá)3.26%，鉆孔最高回水溫度達(dá)95℃。因此，從指標(biāo)氣體濃度和回水溫度，可以判定高溫點(diǎn)的位置就在50105軌道巷與50103切眼的交叉點(diǎn)附近的區(qū)域。

3 采空區(qū)高溫區(qū)域的綜合治理措施

確定了高溫區(qū)域范圍后，結(jié)合該面的現(xiàn)場條件，采取了氣體檢測、壓注液態(tài)二氧化碳、噴漿堵漏、高分子膠體直接滅火等措施，有效地控制了高溫區(qū)域的煤炭自燃，消除了事故隱患[16]。

3.1 氣體監(jiān)測

為掌握高溫區(qū)域的火勢變化，考察所采取防滅火措施的效果，根據(jù)50105采空區(qū)的漏風(fēng)情況設(shè)置了5個(gè)檢測點(diǎn)，來檢測CO、C2H4、CO2、O2等氣體的變化情況：1#點(diǎn)設(shè)置在工作面上隅角；2#點(diǎn)設(shè)置在50105軌道巷的抽采管路內(nèi)；3#點(diǎn)設(shè)在工作面回風(fēng)流；4#點(diǎn)設(shè)在50103軌道巷密閉內(nèi)；5#點(diǎn)為五采邊界巷密閉內(nèi)，測點(diǎn)布置如圖1所示。

為確保氣體監(jiān)測的準(zhǔn)確性，采用了“四定”的原則，即：定時(shí)間、定位置、定儀器、定人員。通過對(duì)50105采空區(qū)漏風(fēng)流場的分析，確定五采邊界巷是采空區(qū)漏風(fēng)通道的壓力最低點(diǎn)，最能反映高溫區(qū)域的變化情況。因此，選用該點(diǎn)的氣體濃度變化作為監(jiān)測火情以及考察防滅火措施效果的主要參考數(shù)據(jù)[17]。

3.2 壓注液態(tài)CO2惰化采空區(qū)

通過50105運(yùn)輸巷側(cè)的切頂留巷的觀測孔(工作面后方約80m)壓注液態(tài)二氧化碳，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行惰化，降低采空區(qū)內(nèi)氧氣的濃度，減少高溫區(qū)域的氧氣供應(yīng)，控制火區(qū)的迅速發(fā)展。自9月28日—30日，每4小時(shí)向采空區(qū)壓注1次液態(tài)CO2，每次壓注量為2m3。壓注后工作面隅角及五采區(qū)邊界巷內(nèi)的CO濃度初期先升高隨后呈現(xiàn)快速下降的趨勢，隨后處于穩(wěn)定狀態(tài)，9月30日停止壓注。停注后的第2天，CO呈現(xiàn)快速上升的趨勢，于10月2日恢復(fù)壓注CO2，CO濃度隨之下降并穩(wěn)定在較低水平。五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)CO和C2H4濃度的變化曲線如圖2和圖3所示。

圖2 五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)CO濃度變化曲線

圖3 五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)C2H4濃度變化曲線

從圖2可以看出，壓注后的前20h以內(nèi)，五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)的CO濃度迅速上升，20個(gè)小時(shí)后急劇下降，約40h后CO濃度降至0.05‰以下并穩(wěn)定在0.02‰左右。停注24h后一氧化碳濃度發(fā)生反彈，恢復(fù)壓注后，CO濃度開始下降并穩(wěn)定在0.02‰左右。壓注初期CO濃度升高是由于壓注的CO2將高溫區(qū)域的CO驅(qū)趕到五采邊界巷并形成積聚所造成的。隨著CO2連續(xù)的壓注，高溫區(qū)域的CO產(chǎn)生量急劇減少，五采邊界巷的CO也隨之減少。而停注后，CO濃度很快上升說明高溫區(qū)域的氧化反應(yīng)加劇，產(chǎn)生的CO量增加，火勢呈現(xiàn)復(fù)燃的趨勢，這同時(shí)說明壓注CO2主要是控制火勢，而很難將高溫火點(diǎn)徹底消除。由圖3可以看出，C2H4的濃度變化趨勢與CO的變化趨勢基本一致，所不同的在于C2H4的濃度要低于CO，C2H4的最高濃度為0.103‰，最低濃度為0.005‰。

3.3 加快工作面推進(jìn)速度

9月27日發(fā)現(xiàn)CO濃度異常后，為保證職工的安全，發(fā)耳煤礦立即停止生產(chǎn)、撤出工作人員，工作面處于停產(chǎn)狀態(tài)。在對(duì)高溫隱患的風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)估后，在確保安全的情況下，于9月29日夜班開始對(duì)工作面進(jìn)行了強(qiáng)推，截止10月2日，工作面推進(jìn)了18.6m，加速了采空區(qū)上覆巖層的冒落，漏風(fēng)強(qiáng)度減弱，抑制了高溫區(qū)的火勢發(fā)展。

五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)氣體濃度見表1，由表1可以看出，在壓注CO2和工作面強(qiáng)推的共同作用下，一氧化碳和氧氣濃度呈現(xiàn)逐步下降趨勢，其中氧氣最低濃度降至12.1%左右。這說明工作面推進(jìn)后，高溫區(qū)域的壓實(shí)度增加，漏風(fēng)供氧量降低，高溫點(diǎn)處于臨近窒息狀態(tài)。

表1 五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)氣體濃度

3.4 頂板走向鉆孔壓注高分子膠體滅火

從50105軌道巷的頂板向50103開切眼施工3個(gè)鉆孔，1#、3#孔的終孔點(diǎn)水平位置分別位于50105軌道巷與50103開切眼交叉點(diǎn)左右15m，2#孔位于交叉點(diǎn)的正上方，3個(gè)鉆孔的終孔點(diǎn)垂直高度距離煤層高度為20m，鉆孔布置如圖4所示。

圖4 50105軌道巷鉆孔布置

自10月4日開始對(duì)3個(gè)孔同時(shí)壓注高分子膠體，每班單鉆孔壓注約0.5t高分子粉劑，膠體與水比例為1∶50。在壓注膠體1d后，五采區(qū)邊界巷密閉的CO和C2H4濃度急速下降，在壓注5d后，壓注高分子粉劑總量達(dá)到22t時(shí)，抽采管路及五采區(qū)邊界巷的CO消失，高溫隱患點(diǎn)徹底消除。五采區(qū)邊界巷密閉的CO和C2H4濃度變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)CO濃度變化曲線

圖6 五采區(qū)邊界巷密閉內(nèi)C2H4濃度變化曲線

由圖5可以看出，CO濃度在膠體壓注的初期變化幅度較小，這是由于壓注鉆孔在高溫區(qū)域的上方，而膠體擴(kuò)散需要一定的時(shí)間，高溫區(qū)域的溫度降低也需要一個(gè)過程，隨著壓注時(shí)間的加長和壓注量的增加，CO濃度急劇下降并于壓注后的第5天降為0。由圖6可以看出，C2H4濃度的變化趨勢與CO相似，所不同的在于C2H4濃度在壓注膠體后急劇下降，并于壓注后的第4天消失，比CO的消失提前了1天的時(shí)間，這說明膠體的壓注使高溫區(qū)域的溫度迅速降低至較低的溫度，但尚有部分的煤炭處于低溫氧化狀態(tài)。綜合分析50105采空區(qū)的整個(gè)滅火過程，可以斷定最初關(guān)于高溫隱患區(qū)域位置的判斷是正確的，同時(shí)也表明只有向高溫區(qū)域壓注膠體或泥漿等滅火材料，才能夠徹底使火區(qū)熄滅。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了發(fā)耳煤礦50105工作面采空區(qū)高溫隱患點(diǎn)的成功治理經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場考察了不同防滅火措施的防滅火效果，主要結(jié)論如下：

1)準(zhǔn)確定位自燃高溫點(diǎn)的位置和范圍是采空區(qū)防滅火的關(guān)鍵，定位越精準(zhǔn)，滅火的效率越高。

2)壓注液態(tài)二氧化碳對(duì)采空區(qū)進(jìn)行惰化，是控制自燃火勢發(fā)展的有效手段，可以為采取其他滅火措施贏得時(shí)間。

3)加快工作面推進(jìn)速度可以把高溫點(diǎn)甩在采空區(qū)后部，促進(jìn)采空區(qū)上覆巖層冒落，快速壓實(shí)高溫點(diǎn)所處區(qū)域，減少漏風(fēng)供氧，窒息高溫火源點(diǎn)。

4)向高溫區(qū)域壓注凝膠、高分子膠體等滅火材料，是徹底消除高溫隱患點(diǎn)的治本措施。