辛置礦2-559工作面采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律及防滅火技術(shù)

常高峰

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-559工作面位于450水平南五采區(qū)，工作面主采煤層為2號煤層，煤層厚3.35～4.10 m，平均厚3.75 m，煤層平均傾角為5°，工作面頂板巖層為泥巖、砂泥巖和K8細(xì)砂巖，工作面底板巖層為泥巖和中砂巖。工作面走向長度為760 m，傾斜長度為131m，2號煤層瓦斯相對涌出量為7.3 m3/t，煤塵具有爆炸性，工作面瓦斯抽采采用本煤層+高位鉆孔+上隅角埋管抽采相結(jié)合的瓦斯抽采方式，由于2號煤層屬于煤與瓦斯突出工作面，為防止工作面出現(xiàn)瓦斯自燃現(xiàn)象，特進行采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律進行分析，并具體設(shè)計采空區(qū)的防滅火技術(shù)方案。

2 采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律

為充分掌握2-559工作面采空區(qū)的分布規(guī)律，采用Comsol數(shù)值模擬軟件建立模型進行數(shù)值模擬分析，針對采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律分析選用滲流場與擴散的分析選用風(fēng)流場、滲流場及氧濃度場模型[1-2]，結(jié)合工作面特征對數(shù)值模擬模型參數(shù)進行確定，建立數(shù)值模型長×寬×高=170 m×600 m×40 m，設(shè)置模型中采用上行通風(fēng)，即工作面進風(fēng)巷進風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)，設(shè)置進風(fēng)巷和回風(fēng)巷的寬度分別為5.4 m和5.6 m，進風(fēng)巷風(fēng)速為1.38 m/s，持續(xù)進行工作面的回采作業(yè)，持續(xù)進行采空區(qū)滲流場的分析，截止測試結(jié)束時，采空區(qū)長度為500 m，寬度為289 m。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得出2-559工作面采空區(qū)氧濃度分布情況和采空區(qū)漏風(fēng)情況如圖1所示。

分析圖1可知，工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷之間的靜壓差值為98 Pa，在通風(fēng)作用下，采空區(qū)由進風(fēng)到回風(fēng)側(cè)其內(nèi)部壓力分布狀態(tài)為弧形，采空區(qū)內(nèi)的壓力由進風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸減小，在采空區(qū)中部其漏風(fēng)風(fēng)速均比進風(fēng)和回風(fēng)側(cè)小，且在從圖1（a）中能夠看出在采空區(qū)進風(fēng)側(cè)的氧氣濃度明顯低于回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度，其中采空區(qū)進風(fēng)側(cè)的氧氣濃度為18%，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度為8%；另外從圖中能夠看出采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速大于0.004 m/s時，此時為采空區(qū)散熱帶，當(dāng)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速在0.004～0.001 7 m/s范圍內(nèi)時，此時為采空區(qū)的氧化升溫帶，當(dāng)采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)速小于0.001 7 m/s時，此時采空區(qū)處于窒息帶。

圖1 采空區(qū)氧濃度分布曲線及漏風(fēng)等值線圖

綜合分析圖1（a）和圖1（b）可知，在采空區(qū)進風(fēng)巷側(cè)散熱帶的范圍為0～180 m，氧化升溫帶為60~190 m，窒息帶為采空區(qū)大于190 m的深度，得出氧化升溫帶的寬度為130 m；在采空區(qū)的中部，散熱帶為0～100 m，氧化升溫帶為100～300 m，窒息帶為大于300 m的區(qū)域，據(jù)此可知在采空區(qū)中部氧化升溫帶的寬度為200 m，基于上述分析可知工作面采空區(qū)“三帶”的分布規(guī)律見表1。

表1 2-559工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

3 防滅火技術(shù)

3.1 注漿防滅火方案

根據(jù)2-559工作面采空區(qū)的特征，現(xiàn)為采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，決定采用注漿防滅火技術(shù)，注漿防滅火技術(shù)中的主要技術(shù)流程及要求如下：

本次注漿材料選用黃土，選用黃土?xí)r確保黃土內(nèi)的含水率小于8%，黃土的相對密度在2.4~2.8，黃土的塑性指數(shù)為9～14，根據(jù)眾多工程實踐可知[3-4]，采用黃土漿液時，取漿液的水土比值在3∶1～5∶1時較為合理，具體注漿量的計算公式如下：

式中：Q為注漿量；Ks為沖洗管路涌水量的備用系數(shù)，取值在1.10～1.25；Ls為注漿區(qū)的傾斜長度，Lt為注漿區(qū)的走向長度；δ為水土比；p為代表泥漿制成率系數(shù)，取0.88；n為煤巖體的孔隙率；H為工作面遺留頂煤的厚度；現(xiàn)結(jié)合工作面的特征，確定在工作面回采推進300 m后進行注漿作業(yè)，當(dāng)通過聯(lián)巷密閉墻進行注漿作業(yè)時，應(yīng)確保注漿點與工作面之間至少保持100 m的距離。

在井下回采過程中，通過同位素測定的方式監(jiān)測得出2-559工作面在采空區(qū)67-87聯(lián)巷之間出現(xiàn)高溫異常區(qū)域，該段區(qū)域的長度為1 027 m，基于監(jiān)測結(jié)果可知，該區(qū)域高溫點分布較多，且分布較為分散，其中最高溫度能夠達到56.7℃，結(jié)合注漿防滅火技術(shù)，基于漿液擴散半徑原理[5-6]，為在最大程度上通過注漿將高溫區(qū)域進行覆蓋，現(xiàn)設(shè)計在高溫區(qū)域布置4組注漿鉆孔，注漿鉆孔呈V字形布置，其中第一組鉆孔設(shè)置5個，布置在68聯(lián)巷附近，設(shè)置鉆孔間距為30.8 m，將第二組鉆孔布置在80-81聯(lián)巷附近，第二組共計布置鉆孔10個，設(shè)置相鄰鉆孔間的距離為32 m，第三組鉆孔布置在74-75聯(lián)巷附近，設(shè)置鉆孔間距為50 m，具體V形鉆孔布置形式如圖2所示。

圖2 V型鉆孔布置方式示意圖

注漿鉆孔均通過空氣潛孔錘鉆進工藝，鉆孔從采空區(qū)對應(yīng)的地面區(qū)域打設(shè)，開口階段采用Φ650 mm的鉆頭進行鉆進，直至鉆孔鉆進值松散層區(qū)域，該區(qū)域鉆孔需下530 mm的護管進行固定，隨后在采用Φ350 mm的鉆頭進行鉆進作業(yè)，該鉆孔鉆進至正?；鶐r以下2 m的位置，同時放置Φ273 mm的護管進行防護，防護完成后在采用Φ215 mm的鉆頭進行鉆進作業(yè)，鉆進至直至貫通采空區(qū)，在鉆孔該階段放置Φ159 mm的套管至采空區(qū)煤層頂板2 m的位置，在注漿鉆孔孔口密封性良好的閘閥、護管和套管的安裝完成后，需采用水泥砂漿進行護管與孔壁間空隙的封堵密實，具體注漿鉆孔設(shè)計方式如圖3所示。

圖3 注漿鉆孔設(shè)計圖

注漿作業(yè)時漿液的水土比為3∶1，在高溫區(qū)域注滿漿液后進行7~15 d的沉淀，沉淀完成后，通過2-559工作面回風(fēng)順槽進行疏放水作業(yè)，隨后繼續(xù)進行注漿，如此重復(fù)循環(huán)，直至高溫區(qū)域注滿黃土，并在注漿時進行注漿壓力、注漿量等數(shù)據(jù)的記錄。

根據(jù)記錄數(shù)據(jù)可知，本次注漿作業(yè)共計持續(xù)1個月，實現(xiàn)向采空區(qū)高溫區(qū)域注入水203 000 m3，注入黃土86 000 m3。

3.2 防滅火效果

為有效驗證工作面采空區(qū)高溫異常區(qū)域注漿防滅火技術(shù)的實施效果，現(xiàn)在注漿后對井上和井下區(qū)域分別進行氣體取樣化驗對比分析，在68號和76號聯(lián)巷的位置處監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)的溫度和CO氣體的濃度，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得出如圖4所示的曲線圖。

圖4 高溫區(qū)域注漿后采空區(qū)溫度和CO濃度曲線圖

2-559工作面采空區(qū)高溫區(qū)域注漿后，井下觀測孔和地面鉆孔的溫度均出現(xiàn)明顯的降低，采空區(qū)內(nèi)的乙烷、乙烯、乙炔等氣體逐漸消失，且采空區(qū)內(nèi)的O2濃度下降至8%以下，分析圖4（a）可知，高溫區(qū)域注漿后地面鉆孔的溫度基本穩(wěn)定在16℃左右，采空區(qū)內(nèi)的高溫現(xiàn)象被有效的控制，且隨后2-559工作面回采過程中，采空區(qū)內(nèi)無高溫異常區(qū)域出現(xiàn)，工作面順利回采完畢。

4 結(jié)論

根據(jù)2-559工作面地質(zhì)條件及煤層賦存情況，采用數(shù)值模擬軟件進行采空區(qū)“自燃”三帶分布形態(tài)的分析，分別給出了采空區(qū)上部、中部和下部的三帶分布情況，基于采空區(qū)“自燃”三帶分析結(jié)果，結(jié)合工作面采空區(qū)高溫異常區(qū)域情況，具體進行采空區(qū)注漿方案的設(shè)計，根據(jù)注漿完畢后采空區(qū)氣體監(jiān)測結(jié)果可知，注漿防滅火后采空區(qū)內(nèi)溫度和CO濃度大幅降低，防滅火效果顯著。