近距離煤層內(nèi)錯(cuò)式綜放開采煤自燃防控技術(shù)

王 喆，王新堂，姬乃啟，馬 德，張 勛，楊 建

(1.西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.陜煤銅川礦業(yè)有限公司下石節(jié)煤礦，陜西 銅川 727101；3.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；4.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713600)

0 引言

煤炭自燃是煤在一定環(huán)境中與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生自燃現(xiàn)象的過程，而煤自燃災(zāi)害的防治是從形成煤自燃的條件分析，阻止或者抑制煤自然發(fā)火的進(jìn)程[1-3]。

在近距離煤層群開采時(shí)，煤層間距小，下層開采時(shí)頂板易產(chǎn)生裂隙，從而形成層間漏風(fēng)，使本來就松散的煤體增加了供氧條件，且與一般單煤層開采的漏風(fēng)規(guī)律完全不同，煤自燃危險(xiǎn)性也更高，預(yù)測預(yù)報(bào)工作更加困難[4-9]。據(jù)之前近距離煤層群開采研究，下煤層開采時(shí)巷道布置多采用內(nèi)錯(cuò)式及平行式(垂直式)布置。從防治煤自燃災(zāi)害的角度分析采取的防治思路和方法并無明顯的區(qū)別，而是平行式布置方式可能會(huì)導(dǎo)致下煤層采空區(qū)的遺煤量增多，從而采空區(qū)煤自燃的危險(xiǎn)性增大，防滅火投入增加，經(jīng)濟(jì)成本較大，而內(nèi)錯(cuò)式布置方式相對而言，遺煤量較少，采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性較小，有利于火災(zāi)防治，投入成本較低。

為此，將對下石節(jié)煤礦近距離煤層群開采煤自燃情況進(jìn)行分析，目前礦井222工作面開采4-2煤層，淺部距220工作面運(yùn)順約75 m，垂直上方3-2(4-1)煤層2301工作面采空區(qū)，間距3.7～38.4 m，平均21.76 m。深部為4-2煤層未準(zhǔn)備區(qū)，3-2(4-1)煤層2302工作面采空區(qū)。正在回采的4-2煤層為Ⅰ類易自燃煤層。在222工作面開采前，結(jié)合礦井實(shí)際情況，考慮采空區(qū)遺煤帶來的煤自燃風(fēng)險(xiǎn)，采取工作面設(shè)計(jì)內(nèi)錯(cuò)式布置方式。

1 內(nèi)錯(cuò)式布置工作面自燃危險(xiǎn)性分析

根據(jù)煤自然發(fā)火的原因、條件和過程，結(jié)合下石節(jié)煤礦4-2煤層開采的實(shí)際情況，對下石節(jié)4-2煤層工作面自然發(fā)火環(huán)境分析如圖1所示。

圖1 煤自然發(fā)火原因及過程示意Fig.1 Causes and process of coal spontaneous combustion

1.1 4-2煤層以及3-2煤層自燃傾向性高

4-2煤層為易自燃煤層，實(shí)際最短自然發(fā)火期為28 d，3-2煤層也為易自燃煤層，煤層間距較小，且已經(jīng)開采多個(gè)工作面形成多個(gè)采空區(qū)，遺煤已經(jīng)初次氧化，遺煤二次氧化過程中自燃周期會(huì)變短，危險(xiǎn)性增大。

1.2 工作面采空區(qū)“兩道兩線”頂板冒落不充分

3-2煤層與4-2煤層間距小，且3-2煤層形成多個(gè)采空區(qū)，2個(gè)煤層間形成多個(gè)漏風(fēng)通道，4-2煤層工作面采空區(qū)周邊受煤柱承壓作用影響，一般情況下頂板冒落不充分，容易形成“O形圈”，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)通暢，供氧充分。

1.3 工作面采空區(qū)“兩道”遺煤較多、漏風(fēng)供氧充分

4-2煤層平均厚度較大，放頂煤開采方式受頂板垮落等因素影響采空區(qū)中部遺煤較多。開切眼開采前期一般不采用放頂煤，且兩側(cè)順槽頂板遺煤量大，氧化時(shí)間長，進(jìn)入采空區(qū)后，頂板不易垮落，蓄熱環(huán)境好，增加了煤自燃概率[10-12]。

1.4 工作面煤層開采時(shí)三角丟煤區(qū)域

工作面刮板輸送機(jī)機(jī)頭位置需要抬高進(jìn)入皮帶輸送機(jī)，這中間會(huì)形成三角丟煤區(qū)域，該區(qū)域伴隨工作面的開采長期存在，伴生于工作面生產(chǎn)整個(gè)過程，一旦三角丟煤進(jìn)入采空區(qū)，就會(huì)留下煤自燃的隱患，因此需要對該區(qū)域進(jìn)行處理。

2 內(nèi)錯(cuò)式布置工作面煤自燃監(jiān)測

根據(jù)前期西安科技大學(xué)煤自然發(fā)火測試實(shí)驗(yàn)和程序升溫實(shí)驗(yàn)確定的煤自燃分級預(yù)警指標(biāo)和防治體系建立的預(yù)報(bào)預(yù)測指標(biāo)，對回采工作面、密閉墻以及采空區(qū)深部的氣體及溫度數(shù)據(jù)及時(shí)采集分析，判斷煤自燃程度，主動(dòng)采取防治措施。采用人工檢測、束管監(jiān)測、安全監(jiān)測監(jiān)控等手段對工作面、采空區(qū)以及密閉等易發(fā)生自然發(fā)火關(guān)鍵位置進(jìn)行監(jiān)測，以便于準(zhǔn)確、及時(shí)地對煤層自燃火災(zāi)進(jìn)行早期預(yù)測預(yù)報(bào)。

2.1 人工檢測

人工氣體檢測主要采用便攜式氣體檢定管、光學(xué)瓦檢器、四合一檢測儀等可隨身攜帶的儀器檢測O2、CO、CH4、CO2等氣體，由人工到布置測點(diǎn)直接進(jìn)行檢測，依據(jù)氣體數(shù)據(jù)，判斷是否有發(fā)火趨勢。該法適用點(diǎn)廣、操作簡便，但也同時(shí)存在工作量大，不能實(shí)時(shí)反映檢測點(diǎn)氣體，人員可靠性較差。人工檢測主要是對3-2煤層采空區(qū)密閉和4-2煤層采空區(qū)密閉，以及容易出現(xiàn)自燃隱患的位置進(jìn)行人工取樣分析的方式。

2.2 束管監(jiān)測系統(tǒng)

礦井火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)是利用抽氣泵負(fù)壓借助束管將井下各測點(diǎn)的氣體抽取到地面，再借助氣相色譜儀對氣樣進(jìn)行分析[12]，對各類氣體含量進(jìn)行監(jiān)測，其監(jiān)測結(jié)果可以日報(bào)等方式呈現(xiàn)，同時(shí)還會(huì)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫，方便后期提取分析。

2.3 安全監(jiān)測監(jiān)控

安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)主要是對4-2煤層工作面的溫度、CO、CH4氣體進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測，在工作面、回風(fēng)流電氣設(shè)備等易發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)布置傳感器，通過監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度中心，對布置點(diǎn)的氣體和溫度可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可利用系統(tǒng)軟件生成氣體濃度曲線，更便于對某地點(diǎn)氣體進(jìn)行分析。

表1 各類檢測形式Table 1 Various check forms

3 工作面火災(zāi)防治技術(shù)

3.1 掘進(jìn)期間防火災(zāi)防治技術(shù)

3.1.1 煤火處理原則

第1類自燃區(qū)域(極易自燃區(qū)域)：①在掘進(jìn)過程中，加強(qiáng)巷道支護(hù)，在必要時(shí)對此類巷道表面采取噴涂堵漏措施；②對巷道高冒區(qū)進(jìn)行充填，防止局部漏風(fēng)；③對巷道破碎區(qū)或沿空側(cè)提前采取注漿等措施；④在日常的管理中加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)測，對異常區(qū)域，必須再次采用注凝膠或其它膠體的防滅火措施，進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理；⑤在相鄰采空區(qū)內(nèi)布設(shè)測點(diǎn)，觀測相鄰采空區(qū)漏風(fēng)情況及浮煤自燃情況。

第2類自燃區(qū)域(易自燃區(qū)域)：①在掘進(jìn)過程中，盡可能對此類巷道的表面進(jìn)行噴漿處理；②對相鄰采空區(qū)(頂空或旁側(cè))預(yù)先間斷灌注凝膠、膠體泥漿、高分子防滅火材料或粉狀惰化阻化劑等，形成膠體隔離帶；③調(diào)整局部通風(fēng)系統(tǒng)，利用均壓措施，減少漏風(fēng)量；④加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)測，出現(xiàn)異常情況后，必須再次采用注凝膠或其它膠體的防滅火措施，進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。

第3類自燃區(qū)域：加強(qiáng)監(jiān)測和預(yù)測，出現(xiàn)異常情況后，再采取相應(yīng)的防滅火措施。

3.1.2 高冒區(qū)和破碎區(qū)防火措施

加強(qiáng)巷道支護(hù)并對巷道表面噴涂堵漏：①噴涂需在巷道冒頂后7 d以內(nèi)完成；②噴涂厚度在50～100 mm；③噴涂范圍為冒頂區(qū)域及其前后10 m范圍內(nèi)，頂板需全部噴嚴(yán)，并噴至頂板以下0.5～1.0 m；④噴涂材料為水泥砂漿、聚氨酯泡沫或輕質(zhì)發(fā)泡材料等；⑤要求噴涂均勻、平整，不得有縫隙。

對巷道高冒區(qū)或空洞的充填堵漏：①充填鉆孔布置中，鉆孔傾角為30°～60°,終孔到實(shí)頂，鉆孔間距為2～3 m，要求套管前端的花管長度不小于400 mm，封孔質(zhì)量密實(shí)、牢固；②充填材料選用粉煤灰膠體、高分子膠體和凝膠；③巷道冒頂高度大于1 m時(shí)，每孔充填4～10 m3；巷道冒頂高度為0.5～1 m時(shí)，每孔充填3～6 m3；④充填膠體材料配比時(shí)，凝膠在基料中占比10%，在促凝劑中占比3%。

對巷道高冒區(qū)、頂板離層區(qū)和破碎區(qū)的監(jiān)測和預(yù)測：對已出現(xiàn)異常區(qū)域，必須再次采用注凝膠或其它膠體的防滅火措施，進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。在冒空范圍內(nèi)布置2～3個(gè)以上觀測管(鉆孔)，并同時(shí)布置溫度探頭和取氣樣束管。定期測定測點(diǎn)溫度和氣體情況，繪制溫度及氣體變化曲線，以便分析決策。

3.1.3 巷道頂板松散煤體自燃處理措施

巷道頂部松散煤體自燃的主要特點(diǎn)：內(nèi)部氧化、自燃周期長、沿風(fēng)向發(fā)展、難以早期識別。近距離煤層工作面采用內(nèi)錯(cuò)式布置，下層巷道布置在上煤層煤柱應(yīng)力降低的區(qū)域內(nèi)，巷道頂部就會(huì)有松散煤體[13]，因此，需要對巷道頂部松散煤體進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)制定隱患處理方案。

鉆孔施工：巷道火災(zāi)鉆孔施工采用一次性成孔鉆具，向巷道頂部松散煤體施工鉆孔，角度為20°～30°范圍覆蓋整個(gè)巷道頂部自燃區(qū)域，入鉆位置應(yīng)為進(jìn)風(fēng)側(cè)。

灌注液態(tài)二氧化碳?xì)怏w：使用井下移動(dòng)式液態(tài)二氧化碳槽車運(yùn)輸液態(tài)二氧化碳，并施工鉆孔灌注液態(tài)二氧化碳，鉆孔施工角度為40°～50°，鉆孔應(yīng)穿過火區(qū)并退回0.5 m，鉆孔入鉆位置應(yīng)為進(jìn)風(fēng)側(cè)。

壓注高分子膠體材料：高分子膠體材料比例為2%，采用井下移動(dòng)式灌漿注膠裝置進(jìn)行壓注，注膠鉆孔必須進(jìn)行周邊封孔，封孔長度不小于2 m。

3.2 回采期間火災(zāi)防治技術(shù)

3.2.1 技術(shù)體系

根據(jù)煤自燃隱患形成的三要素(煤、氧、溫度)，以及煤自燃災(zāi)害“位置隱蔽、貧氧氧化、自發(fā)產(chǎn)熱、潛伏期長”的特點(diǎn)，結(jié)合下石節(jié)煤礦實(shí)際自然發(fā)火環(huán)境分析，該礦煤層自燃防治技術(shù)應(yīng)以“早期識別、控制遺煤、減氧抑溫、吸熱降溫”為核心，同時(shí)考慮現(xiàn)場實(shí)際條件。因此，下石節(jié)煤礦應(yīng)以“測溫和氣體分析監(jiān)測煤層自燃、控制遺煤量、注“惰性”氣體減氧抑溫、注漿吸熱降溫”[14]等為日常防控技術(shù)，其防滅火技術(shù)體系如圖2所示。

圖2 煤層自燃防滅火技術(shù)體系Fig.2 Fire prevention and extinguishing technology system of coal spontaneous combustion

3.2.2 技術(shù)要點(diǎn)

采煤工作面正常循環(huán)作業(yè)，盡可能減少停產(chǎn)時(shí)間，加快推進(jìn)速度，使采空區(qū)遺煤盡快進(jìn)入窒息帶。在工作面的上下端頭構(gòu)筑砂袋墻，從而使進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)量盡可能減少[15]。按照時(shí)間節(jié)點(diǎn)，每間隔30～50 m在兩順槽建立沙袋隔離墻，形成回采速度快隔離墻相對稀疏，回采速度慢隔離墻相對密集的有效隔離。建立一道隔離墻，預(yù)埋措施孔，每道隔離墻附近壓注高分子膠體量為100 m3，如圖3所示。充填厚度(沿走向)為2 m左右，高度要接頂。加強(qiáng)通風(fēng)管理，及時(shí)調(diào)整各點(diǎn)風(fēng)量，定期進(jìn)行設(shè)施維護(hù)及檢查，發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)點(diǎn)及時(shí)分析并盡快處理。在回采期間，退掉順槽頂板錨桿頭，讓頂部盡量完全垮落，從而達(dá)到減少采空區(qū)漏風(fēng)的目的。提高工作面回采率，及時(shí)清理采煤機(jī)機(jī)頭、溜煤眼、聯(lián)巷等部位浮煤，減少遺煤堆積[15]。

圖3 采空區(qū)兩道沙袋充填示意Fig.3 Filling goaf by two sandbag walls

3.2.3 綜合防火技術(shù)措施

注“惰性”氣體(注氮?dú)饣蛘咭簯B(tài)CO2)措施：工作面采空區(qū)采用預(yù)埋管路進(jìn)行連續(xù)開放式注氮?dú)?，開采期間當(dāng)注氮管路埋入40 m后開始灌注，同時(shí)敷設(shè)第2趟管路，當(dāng)再次埋入采空區(qū)40 m后，開始灌注，且停止第1趟管路，并又重新敷設(shè)管路，如此交替進(jìn)行。管路口距底板1 m左右，可靠漏風(fēng)將氮?dú)鈹U(kuò)散到采空區(qū)內(nèi)部。若向采空區(qū)灌注液態(tài)CO2時(shí)，需控制好灌注流量，以防管路內(nèi)部結(jié)冰造成堵塞。液態(tài)CO2灌注期間，需在工作面及回風(fēng)巷中安設(shè)二氧化碳和氧氣傳感器，防止氧氣濃度過低，若發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即停止灌注、撤出人員。

灌注材料選擇：由于綜放工作面采空區(qū)空隙率相對較大且工作面存在一定傾角，常規(guī)的灌漿容易流失，不易在采空區(qū)滯留，很難形成堵漏效果。結(jié)合礦井已有的防滅火系統(tǒng)裝備，采空區(qū)巷道的灌注材料選擇黃土復(fù)合膠體，即在黃土漿液中添加膠凝劑，膠凝劑的添加量為2‰(質(zhì)量比)。在灌漿管路距離出口100 m范圍內(nèi)加設(shè)三通，用于連接井下注膠設(shè)備(添加膠凝劑)。

灌漿方式選擇：采取預(yù)埋灌漿管路注漿或者灌漿巷施工鉆孔灌漿。預(yù)埋管路注漿存在管路堵塞，效率低的缺點(diǎn)；而從灌漿巷灌漿效率高，但施工的經(jīng)濟(jì)成本高，可以考慮其它災(zāi)害防治，需論證灌漿巷設(shè)計(jì)的必要性。

灌漿工藝注意事項(xiàng)：灌漿管路盡量抬高，以便管路出口不被掩埋，便于向采空區(qū)深部注漿，當(dāng)管路進(jìn)入采空區(qū)20 m后即可灌注復(fù)合膠體，設(shè)計(jì)每隔50 m壓注黃土復(fù)合膠體1次，每次壓注量100 m3。若工作面出現(xiàn)指標(biāo)氣體異常，且有上升趨勢時(shí)，應(yīng)加大灌漿頻率。

4 結(jié)論

(1)煤自燃火災(zāi)的防治本質(zhì)上是改變或者破壞煤自燃形成的條件，因工作面布置方式不同，火災(zāi)防治也應(yīng)有所不同。

(2)為盡可能減少順槽漏風(fēng)，應(yīng)加強(qiáng)本煤層兩巷的堵漏風(fēng)工作，減少采空區(qū)漏風(fēng)，對本煤層以及上煤層密閉加強(qiáng)監(jiān)測，若氣體出現(xiàn)異常，應(yīng)及時(shí)采取措施。

(3)從煤自燃災(zāi)害防治的角度分析，近距離煤層開采方式有多種，但其火災(zāi)防治思路相似，內(nèi)錯(cuò)式布置方式煤自燃的危險(xiǎn)性小，防火壓力小，經(jīng)濟(jì)成本低。因而從火災(zāi)防治方面建議，下煤層工作面布置方式采用內(nèi)錯(cuò)式布置方式。