近距離煤層復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)

秦波濤, 高遠(yuǎn), 史全林, 時(shí)國慶

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤自燃是煤炭開采面臨的重大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)及礦工生命安全[1-4]。采空區(qū)是煤礦井下最易發(fā)生煤炭自然發(fā)火的區(qū)域，占煤自燃發(fā)生總數(shù)的60%以上[5-6]。由于我國近距離煤層賦存比重大，煤層開采過程頂板垮落產(chǎn)生大量的層間裂隙，使得多層、相鄰的新老采空區(qū)相互連通，形成大面積復(fù)合采空區(qū)。近距離煤層開采形成的復(fù)合采空區(qū)遺煤分布范圍廣，大量遺煤呈現(xiàn)空間立體分布特點(diǎn)，因此煤自燃隱患點(diǎn)隱蔽性更強(qiáng)；同時(shí)，復(fù)合采空區(qū)存在本煤層相鄰采空區(qū)的漏風(fēng)及不同煤層的層間漏風(fēng)，漏風(fēng)量大，漏風(fēng)規(guī)律難以掌握，使得復(fù)合采空區(qū)煤自燃災(zāi)害尤為頻繁，危害十分嚴(yán)重。

為了掌握近距離煤層復(fù)合采空區(qū)煤炭自然發(fā)火規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞復(fù)合采空區(qū)遺煤反復(fù)氧化特性、裂隙發(fā)育過程、漏風(fēng)路線及規(guī)律等方面開展了相關(guān)研究[7-11]，為復(fù)合采空區(qū)煤自燃防治提供了一定的理論指導(dǎo)。在復(fù)合采空區(qū)煤自燃防治技術(shù)方面，目前主要采用堵漏、注漿、注惰氣、噴灑阻化劑、灌注凝膠等方式[12-15]，部分學(xué)者研究了復(fù)合采空區(qū)定向注漿、復(fù)合注惰氣協(xié)同等技術(shù)[16-17]，并在煤礦現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用。但現(xiàn)階段仍缺乏有針對性的復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)體系的研究。為此，本文以某礦近距離煤層復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患綜合治理為背景，基于現(xiàn)場實(shí)際與理論分析，對復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患區(qū)域進(jìn)行快速判別，在此基礎(chǔ)上提出了隱患應(yīng)急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，構(gòu)建“堵漏控風(fēng)-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的近距離煤層復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)體系(圖1)，有效治理了該礦復(fù)合采空區(qū)煤自燃。

圖1 復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)體系Fig.1 Technical framework of comprehensive prevention and control of coal spontaneous combustion in compound goaf

1 復(fù)合采空區(qū)煤自燃隱患概述

1.1 復(fù)合采空區(qū)基本情況

某礦二水平東翼下煤層22310綜采工作面采后形成的采空區(qū)如圖2所示。東部為礦井邊界；西部為二水平東?；叵卵颖Ｗo(hù)煤柱；南部為22290回采工作面；北部為未采實(shí)體煤；上覆為21310和21290相鄰連通采空區(qū)，21310采空區(qū)北部為32010回采工作面，21290采空區(qū)南部為即將回采結(jié)束的21270工作面。二水平下煤層，即2019年8月已回采結(jié)束的22310工作面所采煤層，厚度為2.2～3.8 m，平均厚度為3.0 m，平均煤層傾角為5°30″，屬于自燃煤層，地溫31 ℃，屬于地溫偏高區(qū)，煤層原始瓦斯含量為3.7 m3/t，瓦斯壓力為0.3 MPa。2016年1月已回采結(jié)束的21310采空區(qū)和2017年12月已回采結(jié)束的21290采空區(qū)所處煤層具有自燃傾向性，為Ⅱ級自燃。由于二水平東翼上下煤層近距離布置，層間距為1.5～10 m，導(dǎo)致本煤層22310采空區(qū)與上覆21290采空區(qū)、21310采空區(qū)連通，形成大面積連通復(fù)合采空區(qū)。

圖2 22310復(fù)合采空區(qū)平面Fig.2 Plane of 22310 compound goaf

1.2 22310復(fù)合采空區(qū)煤自燃?xì)怏w異常涌出

22310綜采工作面于2019年8月回撤完畢，并完成永久密閉。其南部相鄰22290備采工作面于2020年2月2日貫通形成全負(fù)壓通風(fēng)。2020年2月20日晚班，22310風(fēng)巷密閉處出現(xiàn)CO異常情況，對密閉內(nèi)氣體多次采樣化驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，22310風(fēng)巷密閉內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)在1 000×10-6～3 000×10-6之間有較大波動，C2H4體積分?jǐn)?shù)為19×10-6～48×10-6。因局部通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定，密閉風(fēng)流時(shí)進(jìn)時(shí)出，22290機(jī)巷外段處CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)12×10-6。由此可見， 22310復(fù)合采空區(qū)及其連通區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了高溫自燃隱患，嚴(yán)重影響礦井安全生產(chǎn)。

2 復(fù)合采空區(qū)煤自燃隱患區(qū)域分析

通過連續(xù)觀測采空區(qū)密閉內(nèi)氣體濃度變化、附近永久密閉壓差變化與進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)，根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯情況及各個(gè)已回收結(jié)束工作面的層位關(guān)系、層間距、地質(zhì)構(gòu)造，區(qū)段煤柱尺寸，終采線位置及回采期間丟煤情況等地質(zhì)資料，經(jīng)分析研判后確定22310復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患點(diǎn)在22310終采線、22310機(jī)巷與21310終采線間垮落的破碎保護(hù)煤柱及22310終采線附近區(qū)域(圖3)，原因如下。

圖3 22310復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患區(qū)域位置Fig.3 Location of high temperature hidden danger area of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 復(fù)合采空區(qū)遺煤量大。由圖2及上下煤層工作面位置垂向關(guān)系(圖4)可看出，上下煤層終采線走向外錯(cuò)距離大，層位垂距短。該區(qū)域下煤層22310終采線沿走向方向外錯(cuò)上煤層21310終采線90 m，傾向跨距為140 m，層間距只有1.5 m，上煤層平均厚度為2.2 m。下煤層22310工作面推過上煤層21310終采線90 m，導(dǎo)致上覆采空區(qū)約27 700 m3的遺留煤柱垮落至下煤層22310采空區(qū)，遺煤量大，極易造成煤自燃隱患。

圖4 上下煤層工作面位置垂向關(guān)系Fig.4 Vertical relation of upper and lower coal seam working faces

(2) 復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重。采用SF6示蹤技術(shù)探測復(fù)合采空區(qū)周邊漏風(fēng)通道，并根據(jù)22290機(jī)巷外段500 m范圍內(nèi)CO涌出量變化，判斷22310復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)源主要為32010機(jī)巷及周邊密閉，漏風(fēng)匯主要位于22290機(jī)巷自外口段往里500 m范圍內(nèi)?；诼╋L(fēng)源與漏風(fēng)匯主要位置及采空區(qū)采動裂隙O形圈分布特征，得到22310復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)路線，如圖5所示。復(fù)合采空區(qū)堆積的大量松散遺煤位于主要風(fēng)流擴(kuò)散路線中，有利于該區(qū)域內(nèi)煤體氧化自熱。

圖5 22310復(fù)合采空區(qū)主要漏風(fēng)路線Fig.5 Main air leakage routes in 22310 compound goaf

(3) 復(fù)合采空區(qū)蓄熱良好。該礦21310工作面、22310工作面終采線外錯(cuò)，造成上覆煤層采空區(qū)的遺留煤柱充分垮落，呈立體松散堆積狀態(tài)，具備良好的氧化蓄熱條件。同時(shí)，22310工作面停采后回撤周期長，導(dǎo)致復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)供氧條件充足、遺煤氧化時(shí)間長，在大面積煤柱破碎帶中存在漏風(fēng)供氧條件適中、熱量易于集聚的區(qū)域，為煤的氧化升溫創(chuàng)造了條件。

3 復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)

為了快速控制復(fù)合采空區(qū)煤自燃隱患，防止高溫區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大引發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸等次生災(zāi)害，筆者及研究團(tuán)隊(duì)提出隱患應(yīng)急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，采用均壓與噴漿相結(jié)合減小漏風(fēng)、注氮惰化采空區(qū)的控制措施，達(dá)到隱患應(yīng)急控制的效果；在此基礎(chǔ)上，劃分出治理煤自燃隱患的有效措施區(qū)域，分區(qū)域進(jìn)行復(fù)合泥漿堵漏、液態(tài)CO2冷卻降溫、三相泡沫覆蓋隔氧高效治理措施，構(gòu)建了“堵漏控風(fēng)-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)體系。

3.1 煤自燃高溫隱患的應(yīng)急控制技術(shù)

(1) 均壓與噴漿減小漏風(fēng)。為降低復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)源與漏風(fēng)匯兩端之間的壓差，減小漏風(fēng)對高溫隱患區(qū)域的影響，在22310復(fù)合采空區(qū)主要漏風(fēng)源處采取均壓措施，如圖6所示。主要通過在22310機(jī)巷出煤道施工2道永久風(fēng)門，在21310機(jī)巷與32010機(jī)巷間進(jìn)風(fēng)道施工2道臨時(shí)風(fēng)門，并將21310機(jī)巷回風(fēng)道密閉墻拆除，達(dá)到減小采空區(qū)漏風(fēng)目的。

(a) 均壓措施前

(b) 均壓措施后圖6 22310復(fù)合采空區(qū)均壓措施Fig.6 Pressure equalization measure of 22310 compound goaf

為減小22290機(jī)巷CO涌出量并增大漏風(fēng)通道風(fēng)阻，對采空區(qū)周圍密閉進(jìn)行噴涂加固，再貼打密閉，密閉墻之間注羅克休充填；在32010機(jī)巷由21310終采線向里100 m至外口段向上幫及頂板噴漿，并壁后注漿，22290機(jī)巷由22310終采線以外20 m至以里200 m全斷面噴漿，噴漿厚度不低于6 cm，以保證封堵效果。全斷面噴漿如圖7所示。

圖7 全斷面噴漿Fig.7 Full section shotcrete

(2) 大流量封閉式注氮。利用井下移動式注氮設(shè)備在22310機(jī)巷密閉進(jìn)行封閉式大流量注氮：一方面可迅速稀釋高溫隱患區(qū)域O2濃度，并使可燃?xì)馐П?，保證防滅火區(qū)域安全；另一方面，由于N2屬于正壓大流量注入，可使密閉內(nèi)及隱患區(qū)域氣壓升高，配合均壓措施能有效減小高溫隱患區(qū)域漏風(fēng)。

3.2 煤自燃高溫隱患的高效治理技術(shù)

應(yīng)用上述應(yīng)急控制技術(shù)后，采空區(qū)內(nèi)C2H4體積分?jǐn)?shù)下降至48×10-6，表明復(fù)合采空區(qū)內(nèi)煤自燃隱患得到初步控制，但未被完全消除。由于復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患位置較深，難以在本煤層布置鉆場向高溫隱患區(qū)域施工常規(guī)防滅火鉆孔。為徹底消除高溫隱患，筆者進(jìn)一步提出采用分區(qū)治理高溫隱患的思路，區(qū)域劃分如圖8所示，在采空區(qū)隱患區(qū)域上方丁組煤層(層間距約為80 m)丁522190風(fēng)巷延伸開拓消火道并布置鉆場，采用多級護(hù)管施工工藝向高溫隱患重點(diǎn)區(qū)域施工長距離大直徑下行穿層防滅火鉆孔，能夠準(zhǔn)確覆蓋目標(biāo)區(qū)域，充分發(fā)揮防滅火材料堵漏、冷卻降溫、覆蓋隔氧作用，從而實(shí)現(xiàn)高溫隱患區(qū)域的徹底消除。

圖8 22310復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患治理區(qū)域劃分Fig.8 Area division of high temperature hidden danger control of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 水泥-粉煤灰復(fù)合泥漿堵漏。為進(jìn)一步減少采空區(qū)漏風(fēng)及鄰近22290工作面機(jī)巷CO涌出量，采用水泥-粉煤灰復(fù)合泥漿對Ⅰ區(qū)進(jìn)行堵漏控風(fēng)。通過在22290機(jī)巷終采線位置里外各10 m向22310采空區(qū)廢棄巷道及上覆21290采空區(qū)施工防滅火鉆孔，利用鉆孔灌注水泥-粉煤灰復(fù)合泥漿。由于注漿位置地勢較高，一部分漿液會沿22310終采線區(qū)域流向22310機(jī)巷區(qū)域，對22310終采線附近遺煤達(dá)到潤濕降溫效果。Ⅰ區(qū)防滅火鉆孔布置如圖9所示。

(2) 液態(tài)CO2冷卻降溫。為快速消除采空區(qū)煤自燃隱患，采取液態(tài)CO2冷卻降溫技術(shù)重點(diǎn)治理Ⅱ區(qū)。通過丁組煤層鉆場施工的長距離防滅火鉆孔向采空區(qū)高溫隱患目標(biāo)區(qū)域壓注液態(tài)CO2，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域大范圍快速惰化與冷卻降溫，加快隱患區(qū)域冷熱對流，阻止熱量積聚，達(dá)到快速熄滅煤自燃的目的。Ⅱ區(qū)部分防滅火鉆孔布置如圖10所示，鉆孔參數(shù)見表1。

(a) 平面

(b) 剖面圖10 Ⅱ區(qū)部分防滅火鉆孔布置Fig.10 Partial fire prevention boreholes layout in area Ⅱ

表1 Ⅱ區(qū)部分防滅火鉆孔參數(shù)Table 1 Parameters of fire prevention boreholes in area Ⅱ

(3) 大流量三相泡沫覆蓋隔氧。對采空區(qū)高溫隱患目標(biāo)區(qū)域采取復(fù)合泥漿堵漏、液態(tài)CO2冷卻降溫技術(shù)后，為進(jìn)一步徹底消除煤自燃隱患并防止遺煤復(fù)燃，通過Ⅱ區(qū)防滅火鉆孔大流量灌注三相泡沫防滅火材料，充分利用三相泡沫對采空區(qū)高處遺煤進(jìn)行覆蓋包裹、充填煤體裂隙、隔絕O2的優(yōu)勢，使得煤自燃因缺氧而窒息，徹底消除復(fù)合采空區(qū)煤自燃隱患。

采用上述技術(shù)后，復(fù)合采空區(qū)C2H4和CO體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)明顯波動下降趨勢，分別由初期最大值72.1×10-6和3 912.6×10-6下降至0和20×10-6以下并保持穩(wěn)定，如圖11所示。可見經(jīng)過前期隱患應(yīng)急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，徹底消除了22310復(fù)合采空區(qū)煤自燃隱患，保障了礦井安全生產(chǎn)。

圖11 22310復(fù)合采空區(qū)煤自燃治理過程中氣體濃度變化曲線Fig.11 Change curves of gas concentration during coal spontaneous combustion control process in 22310 compound goaf

4 結(jié)語

(1) 針對某礦復(fù)合采空區(qū)CO，C2H4等煤自燃?xì)怏w大量涌出的異常情況，基于該礦近距離煤層開采地質(zhì)條件及復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律等因素，判定煤自燃高溫隱患位于22310終采線、22310機(jī)巷與21310終采線之間垮落的破碎煤柱及22310終采線附近區(qū)域。

(2) 為高效治理復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患，提出隱患應(yīng)急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案。采用均壓與噴漿減小漏風(fēng)、大流量封閉式注氮措施后，有效控制了煤自燃區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，在此基礎(chǔ)上劃分出治理采空區(qū)煤自燃隱患的有效措施區(qū)域，分區(qū)域進(jìn)行復(fù)合泥漿堵漏、液態(tài)CO2冷卻降溫、三相泡沫覆蓋隔氧高效治理措施，構(gòu)建了“堵漏控風(fēng)-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的復(fù)合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術(shù)體系，達(dá)到徹底消除煤自燃隱患的效果。

(3) 應(yīng)用上述治理方案與綜合防滅火技術(shù)后，該礦復(fù)合采空區(qū)內(nèi)C2H4體積分?jǐn)?shù)由72.1×10-6降至0，CO體積分?jǐn)?shù)由3 912.6×10-6顯著下降并長期穩(wěn)定在20×10-6以下，表明有效消除了復(fù)合采空區(qū)煤自燃高溫隱患，保障了鄰近工作面安全開采。