馬道頭煤礦小煤柱裂隙帶自燃機(jī)理及防治技術(shù)

＊李本一 萬敏中

（晉能控股煤業(yè)馬道頭煤礦 山西 037100）

前言

馬道頭煤礦8211面小煤柱開采，工作面礦壓較大，工作面煤柱有很多裂隙與老采空區(qū)導(dǎo)通，小煤柱與鄰近采空區(qū)漏風(fēng)后極易自然發(fā)火，怎樣防止這些煤柱裂隙帶的自然發(fā)火，是工作面能否安全采出的關(guān)鍵。

1.煤柱裂隙帶自然發(fā)火機(jī)理

馬道頭煤礦8211工作面開采特厚煤層，綜采放頂煤開采，工作面傾斜長(zhǎng)度230m，走向長(zhǎng)度2100m，煤層厚度為15m，U型通風(fēng)，工作面風(fēng)量為2100m3/min，開采煤層為Ⅱ類自然發(fā)火煤層，其最短發(fā)火期為52天，采用小煤柱開采。小煤柱開采的工作面比一般煤柱開采的工作面更容易自然發(fā)火，其自然發(fā)火的原因?yàn)椋盒∶褐诘V壓的作用下，產(chǎn)生的裂隙比普通煤柱產(chǎn)生的裂隙更多，工作面順槽的風(fēng)流更容易滲漏到鄰近采空區(qū)，使煤柱本身與鄰近采空區(qū)的煤層均易氧化自然發(fā)火。煤柱裂隙與相鄰老采空區(qū)的一部分形成了煤柱裂隙帶，煤柱裂隙帶范圍很大，其范圍可達(dá)到數(shù)十米，這樣大的范圍怎樣注氮、注漿，是防火的難題。小煤柱與鄰近老采空區(qū)自然發(fā)火的原因是煤層裂隙漏風(fēng)氧化，并不是漏風(fēng)經(jīng)過的所有地點(diǎn)都能引起煤層氧化自然發(fā)火，只有煤層的氧濃度在7%～18%之間時(shí)，煤層既有氧化條件，又有聚熱條件時(shí)，煤層才會(huì)自然發(fā)火。

因此推斷小煤柱裂隙帶存在自然發(fā)火冷卻帶、氧化帶和窒息帶?？疾煨∶褐严稁У淖匀话l(fā)火三帶，能讓我們?cè)诠ぷ髦信懦艽蟮拿つ啃?，能更精?zhǔn)地采取有效的防滅火技術(shù)，節(jié)省資金、時(shí)間，同時(shí)能取得極佳的防治小煤柱裂隙帶自然發(fā)火效果。

2.小煤柱裂隙帶自然發(fā)火三帶測(cè)試

(1)考察方法

圖1 煤柱裂隙帶自然發(fā)火三帶考察布置

考察方法為：在8211面順槽選擇一段壓力比較大、裂隙較多的巷道，通過煤柱向鄰近250101采面采空區(qū)打鉆孔測(cè)溫、測(cè)氣，其鉆孔布置如下：

①在巷道向煤柱施工1個(gè)水平鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度以打透煤柱為準(zhǔn)，將φ25mm鋼管加工成花管并插入鉆孔內(nèi)至孔底，鋼管內(nèi)插束管單管和熱敏電阻，插入時(shí)每隔0.3m～0.6m測(cè)試一次鉆孔中的溫度和氣體。

②向250101采面采空區(qū)施工1個(gè)鉆孔，鉆孔打透煤柱后，鉆桿每打進(jìn)1m，就向鉆桿中插入束管單管用抽氣泵抽氣測(cè)氣1次，一直測(cè)到鉆孔中氧濃度小于7%為止。所有鉆孔均用便攜式火災(zāi)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)溫度和氧濃度。

(2)考察結(jié)果

煤柱裂隙帶自然發(fā)火三帶測(cè)試結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以看出：巷道與采空區(qū)導(dǎo)通后，導(dǎo)通點(diǎn)進(jìn)入煤柱1m內(nèi)的氧濃度高于18%，為冷卻帶；煤柱內(nèi)1m至采空區(qū)內(nèi)22m內(nèi)范圍的氧氣濃度處于7%～18%之間，為氧化帶，采空區(qū)22m以里氧濃度低于7%，為窒息帶。

圖2 巷道與鄰近采空區(qū)導(dǎo)通后煤柱裂隙帶氧濃度分布圖

3.8211工作面煤柱裂隙帶氧化狀況

8211工作面推進(jìn)150m后，工作面回風(fēng)順槽風(fēng)流中出現(xiàn)了CO氣體，其濃度為1.5×10-5mg/m3，在風(fēng)流中出現(xiàn)CO氣體，說明工作面有劇烈氧化的地方，根據(jù)對(duì)工作面有關(guān)地點(diǎn)CO氣體的測(cè)試，工作面上隅角沒有出現(xiàn)CO氣體，說明采空區(qū)沒有問題，出現(xiàn)CO的地點(diǎn)從工作面前方回風(fēng)順槽50m處開始，然后風(fēng)流中均有CO氣體，說明在工作面前方50m處的巷道有煤層劇烈氧化。經(jīng)對(duì)此處巷道檢查，這段巷道有20m長(zhǎng)的地方壓力很大，煤柱裂隙帶發(fā)育，然后從煤柱打鉆到鄰近采空區(qū)測(cè)試氣體，其CO氣體濃度達(dá)到30×10-5mg/m3，說明是煤柱裂隙帶引起煤柱和鄰近采空區(qū)漏風(fēng)氧化產(chǎn)生CO氣體。

4.治理煤柱裂隙帶劇烈氧化技術(shù)

(1)治理煤柱裂隙帶劇烈氧化總體思路

工作面前方50m處的回順煤柱裂隙帶出現(xiàn)劇烈氧化，必須迅速治理，否則工作面推進(jìn)到此處后，加劇漏風(fēng)氧化，有可能出現(xiàn)明火。煤柱裂隙帶發(fā)生劇烈氧化后，由于鄰近采空區(qū)范圍較大，高溫點(diǎn)不明，如果只采取注滅火材料，治理所有高溫浮煤不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且不易將全部高煤炭均包裹降溫。為此，對(duì)煤柱裂隙帶一方面采取注氮降氧法，迅速降低其氧濃度，抑制煤層的劇烈氧化，另一方面根據(jù)對(duì)煤柱裂隙帶自然發(fā)火三帶測(cè)試的范圍，對(duì)煤柱裂隙帶的氧化帶采取注防滅火材料降溫、阻化，徹底撲滅煤柱裂隙帶浮煤高溫點(diǎn)。

(2)對(duì)煤柱裂隙帶注氮?dú)饨笛?/h3>

煤柱裂隙帶注氮?dú)夥阑鸱椒ㄈ鐖D3所示：沿20m長(zhǎng)的煤柱裂隙帶布置鉆孔4個(gè)，鉆孔間距5m，鉆孔以打透到煤柱進(jìn)入采空區(qū)為準(zhǔn)。由于煤柱裂隙帶較多，鉆孔下套管難度較大，因此采取不拔鉆桿直接利用此鉆桿注氮?dú)獾姆椒?。為了觀察注氮期間煤柱裂隙帶氣體的變化，在煤柱裂隙帶巷道的出風(fēng)口布置1個(gè)取氣鉆孔。

圖3 煤柱裂隙帶注氮?dú)馐疽鈭D

煤柱裂隙帶注氮?dú)饬髁坑?jì)算如下：

根據(jù)氧含量計(jì)算防火注氮流量：

式中：

Q0—煤柱裂隙帶漏風(fēng)量，工作面風(fēng)量為2000m3/min，取20m3/min；

C1—煤柱裂隙帶平均氧含量，取15%；

C2—煤柱裂隙帶氧化帶防火惰化指標(biāo)，取7%；

Cn—注氮防火時(shí)氮?dú)饧兌?，?8%；

k—輸?shù)苈窊p失系數(shù)，為1.1～1.2，取1.1；

r—煤層自然發(fā)火性，工作面煤層為Ⅰ類易自燃煤層，取1.1。

根據(jù)計(jì)算，煤柱裂隙帶注氮降氧所需注氮流量為2200m3/h。

注氮?dú)獾姆椒椋旱孛?000m3/h制氮機(jī)實(shí)際產(chǎn)氣量為2200m3/h，純度為98%的氮?dú)?，制氮機(jī)生產(chǎn)的氮?dú)饨?jīng)φ150mm輸送氮?dú)怃摴茌斔偷较锏烂褐严稁с@孔，再注入煤柱裂隙帶。2019年6月6日早班開始向煤柱裂隙帶注氮?dú)?，僅4天時(shí)間就將煤柱裂隙帶氧氣濃度由11%下降為5.5%，基本抑制了煤柱裂隙帶的氧化，由于巷道裂隙多，因此一方面繼續(xù)注氮，另一方面向煤柱裂隙帶注膠凝膠滅火材料堵漏風(fēng)、降溫，徹底撲滅高溫點(diǎn)。

(3)煤柱裂隙帶注膠凝膠

①膠凝劑防滅火機(jī)理

膠凝劑經(jīng)鉆孔注入煤柱裂隙帶后，在煤柱裂隙帶形成1個(gè)隔絕帶，一方面可以減少煤柱裂隙帶對(duì)鄰近采空區(qū)的漏風(fēng)，另一方面防滅火材料對(duì)采空區(qū)高溫浮煤起阻化和降溫作用，徹底撲滅高溫點(diǎn)。礦用防滅火膠凝劑屬高分子有機(jī)材料，綠色環(huán)保無污染，無毒無腐蝕性，不會(huì)對(duì)人體造成傷害。它的作用原理是：將產(chǎn)品摻入水中后，產(chǎn)品分子與水分子等互相連接、交聯(lián)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿水等分散介質(zhì)，形成一種特殊的膠體，故稱之為膠凝劑。

②注膠凝劑用量計(jì)算及方法

注膠凝劑量計(jì)算如下：

式中：

S—煤柱裂隙帶氧化帶長(zhǎng)度，為22m；

L—煤柱裂隙帶寬度，為30m；

H—煤柱裂隙帶浮煤高度，為6m；

K—煤柱裂隙帶孔隙率，為0.2；

C—膠凝劑漿液濃度，為2%。

將以上數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算出需膠凝劑15t。

注膠凝劑方法為：沿20m長(zhǎng)的煤柱煤柱裂隙帶布置鉆孔3個(gè)，鉆孔孔距為7m，根據(jù)對(duì)煤柱裂隙帶自然發(fā)火三帶的測(cè)試，煤柱裂隙帶氧化帶范圍為煤柱至采空區(qū)1m～22m的范圍，因此將鉆孔打入氧化帶的中部，鉆孔的長(zhǎng)度為煤柱裂隙帶氧化帶的一半（11m）加上煤柱裂隙帶冷卻帶長(zhǎng)度（1m），共計(jì)12m。由于用普通鉆桿打鉆，鉆桿拔出后很快塌孔，因此采用大直徑鉆桿和鉆頭打鉆，鉆桿和鉆頭打入采空區(qū)內(nèi)10m后不拔鉆桿，直接用大直徑鉆桿注膠凝劑漿液。大直徑一次性鉆桿的外徑為φ73mm，內(nèi)徑為φ65mm，其注漿流量可達(dá)到30m3/h。采用螺桿式井下移動(dòng)式注漿系統(tǒng)向鉆孔注膠凝劑，該設(shè)備有兩個(gè)攪拌機(jī)輪流攪拌。注膠凝劑時(shí)的具體步驟為：分別向兩個(gè)攪拌器放入0.5～1袋膠凝劑防滅火材料攪拌，兩個(gè)攪拌器輪流向注漿泵供應(yīng)2%～3%濃度的膠凝劑溶液，連續(xù)向煤柱裂隙帶注入膠凝劑防滅火材料。

5.治理煤柱裂隙帶劇烈氧化效果

連續(xù)向煤柱裂隙帶注入氮?dú)?3天，共計(jì)注入氮?dú)?28000m3，連續(xù)向煤柱裂隙帶注入膠凝劑5天，共計(jì)注入膠凝劑15t,經(jīng)過這兩項(xiàng)措施的綜合治理，有效地治理了煤柱裂隙帶煤層的劇烈氧化，其治理效果如圖4所示：

圖4 裂隙帶目標(biāo)注氮及注凝膠期間CO變化圖

①煤柱裂隙帶經(jīng)過綜合治理后，其CO氣體由最高30×10-5mg/m3降為0.1×10-5mg/m3，表明煤柱裂隙帶煤層的劇烈氧化已經(jīng)被徹底治理。

②裂隙帶里的氧化帶范圍由22m全部變?yōu)橹舷?，表明裂隙帶所有浮煤均不?huì)氧化自然發(fā)火。

③保障了8211工作面安全推過了這段劇烈氧化的煤柱裂隙帶，目前工作面已經(jīng)安全采完封閉。

6.結(jié)論

（1）小煤柱裂隙帶由煤柱裂隙與鄰近采空區(qū)的一部分組成，煤柱裂隙帶易自然發(fā)火的原因?yàn)槊褐严稁б泊嬖谧匀话l(fā)火的三帶，其氧化帶浮煤長(zhǎng)期氧化和聚熱，從而發(fā)展為高溫和明火。

（2）通過向煤柱裂隙帶打鉆測(cè)試煤柱裂隙帶不同距離的氧濃度分布，劃分出煤柱裂隙帶的自然發(fā)火三帶為：導(dǎo)通點(diǎn)進(jìn)入煤柱1m內(nèi)的氧濃度高于18%，為冷卻帶；煤柱內(nèi)1m至采空區(qū)內(nèi)22m內(nèi)范圍的氧氣濃度處于7%～18%之間，為氧化帶，采空區(qū)22m以里氧濃度低于7%，為窒息帶。

（3）煤柱裂隙帶劇烈氧化后，采取向煤柱裂隙帶打鉆孔注入流量為1100m3/h氮?dú)猓苎杆賹⒚褐严稁У难鯕鉂舛冉档?.5%，抑制煤柱裂隙帶煤層的劇烈氧化。向煤柱裂隙帶打鉆孔注膠凝劑，能對(duì)煤柱裂隙帶起到堵漏和降溫的作用。

（4）經(jīng)過對(duì)馬道頭煤礦8211工作面煤柱裂隙帶采取注氮、注膠凝劑等綜合措施的治理，將煤柱裂隙帶的CO氣體由0.03%降為0.001%，徹底治理了煤柱裂隙帶煤層的劇烈氧化，保障了工作面安全。