特厚煤層孤島面“呼吸效應(yīng)”影響下煤自燃防控技術(shù)

郁亞楠 趙慶偉 程明 王新堂 郭軍

摘 要：為預(yù)防唐家會煤礦61102特厚孤島工作面煤自燃隱患發(fā)生，保障工作面的安全收作，通過監(jiān)測61102工作面進(jìn)回風(fēng)順槽與相鄰采空區(qū)間的氣壓變化，分析進(jìn)回風(fēng)順槽與相鄰采空區(qū)存在“呼吸”現(xiàn)象及規(guī)律，結(jié)合煤自燃理論基礎(chǔ)，從遺煤堆積、漏風(fēng)供氧及氧化蓄熱等方面，研究在“呼吸效應(yīng)”影響下工作面收作期間煤自然發(fā)火原因及特點(diǎn)，提出以“控氧控溫、減氧降溫”為主的防火思路，制定了“三位一體”的煤自燃預(yù)測預(yù)報體系，構(gòu)建了以“煤柱加固、建隔離帶堵漏控氧、注氮惰化降氧及注膠降溫”為主的綜合防火方案?，F(xiàn)場實(shí)踐表明：在工作面收作期間，通過采取煤柱破碎帶加固、隅角建隔離帶、區(qū)域控風(fēng)、注氮降氧及注膠降溫等針對性防控措施，使工作面回風(fēng)隅角CO濃度降至10×10-6以下，火災(zāi)系數(shù)R2×100降至0.1以下，有效預(yù)防了采空區(qū)遺煤自燃，保障了工作面的安全回撤。實(shí)踐成果為其他礦區(qū)類似工作面的防火提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤自燃;孤島工作面;特厚煤層;監(jiān)測預(yù)報;防火技術(shù)

中圖分類號：TD 752.2

文章編號：1672-9315（2022）01-0076-07?????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0111開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Prevention and control? techniques against coal spontaneous

combustion under the influence of “breathing effect”

in isolated island working face of extra-thick coal seam

YU Yanan1，ZHAO Qingwei1，CHENG Ming2，WANG Xintang3，GUO Jun4

（1.Tangjiahui Coal Mine，Ordos Huaxing Energy Co.，Ltd.，Ordos 017000，China;

2.Xi’an Tianhe Mining Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710000，China;

3.Xiashijie Coal Mine，Tongchuan Mine of Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.，Ltd.，Tongchuan 727101，China;

4.College of Safety Science and Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to prevent the spontaneous combustion of coal in the 61102 extra-thick isolated island working face of Tangjiahui Mine，and ensure the safe harvest of the working face，the change of air pressure is monitored between the inlet and return airflow trough and the adjacent goaf section of 61102 working face，and? the phenomenon and law of “breathing”is analyzed between the inlet and return airflow

trough and the adjacent goaf area.

Then based on the theory of

coal spontaneous combustion，

the causes and characteristics of coal spontaneous combustion at the working face under the influence of “respiration effect”are examined from the aspects of coal accumulation，air leakage，oxygen supply and oxidation heat storage.The fire prevention ideas “oxygen control and temperature control，oxygen reduction and temperature reduction” are proposed，formulating the “Trinity” forecasting method.

A comprehensive fire prevention scheme is constructed of

“coal pillar reinforcement，construction of isolation belts to stop leakage and oxygen control，nitrogen injection for inerting oxygen and temperature reduction and glue injection”.The on-site practice shows that：During the harvesting period of the working face，targeted prevention and control measures are adopted such as reinforcement of coal pillar broken belts，construction of isolation belts，regional wind control，nitrogen

injection to reduce oxygen，and glue injection to reduce temperature，the CO concentration in the return air corner drops below 10×10-6，and the fire coefficient R2×100 drops below 0.1，which effectively prevented the spontaneous

combustion of the remaining coal in the goaf，and ensured the safe recovery of the working face support.The research results provide a reference for the fire prevention of similar working faces in other mining areas.

Key words：coal spontaneous combustion;isolated island working face;extra-thick coal seam;monitoring forecast;fire prevention technology

0 引 言

我國是煤炭生產(chǎn)及消費(fèi)大國，在相當(dāng)長時間內(nèi)煤炭依然是我國最重要的能源資源[1]。隨著煤炭開采強(qiáng)度的不斷增強(qiáng)，需要新建及擴(kuò)建礦井來應(yīng)對煤炭需求量增加的問題，這樣勢必造成煤礦災(zāi)害增多[2-4]。在礦井五大災(zāi)害中火災(zāi)事故最為突出[5]，其主要表現(xiàn)形式為煤自燃災(zāi)害[6-8]。據(jù)統(tǒng)計因煤自燃導(dǎo)致的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的為70%[9-12]。礦井一旦發(fā)生煤自燃火災(zāi)，輕則影響生產(chǎn)，重則造成人員傷亡，嚴(yán)重威脅著礦井安全生產(chǎn)，因此，防火工作在礦井生產(chǎn)過程中顯得尤為重要[13-16]。近年來，學(xué)者們在煤自然發(fā)火防控理論及技術(shù)等方面已經(jīng)做了大量的研究[17-21]。金永飛等通過分析花山煤礦4238工作面高冒區(qū)的發(fā)火原因、過程及治理難點(diǎn)，基于液態(tài)CO2汽化吸熱及惰化降氧的原理，采用井下注液態(tài)二氧化碳的方法成功治理了高冒區(qū)的發(fā)火隱患[22];鄧軍等對孟巴礦特厚煤層1210孤島工作面在高溫高濕環(huán)境下可能導(dǎo)致煤自然發(fā)火的原因進(jìn)行了分析，采用監(jiān)測、膠體堵漏及注氮惰化等措施保證了工作面的生產(chǎn)[23];常緒華等通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測，分析了采空區(qū)漏風(fēng)范圍、浮煤厚度及氣體濃度變化規(guī)律，進(jìn)而劃分出孤島面煤自燃危險區(qū)域確定了煤自燃氧化升溫帶范圍，為防火工作提供了幫助[24];楊焱等分析運(yùn)河礦1302孤島綜放面在回采過程中，會產(chǎn)生多種漏風(fēng)源及漏風(fēng)匯，形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道問題，針對多源多匯問題通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法判定該工作面的“三帶”分布規(guī)律，為孤島工作面防火提供指導(dǎo)[25]。上述學(xué)者均以堵漏惰化為思想，提出注水注漿及噴阻化劑等多種防治技術(shù)且取得成效，但不同條件下采取的措施不盡相同。唐家會煤礦61102工作面為孤島工作面，在回采過程中揭露斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在回采過程中受采動及沖擊地壓的影響，煤柱和頂板容易被壓酥、壓裂產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致61102進(jìn)回風(fēng)巷道與相鄰采空區(qū)相互貫通形成漏風(fēng)通道。在頂板跨落及失穩(wěn)特性的影響下，工作面推進(jìn)速度緩慢，給遺煤自燃提供了氧化時間，增大自然發(fā)火的幾率。針對唐家會煤礦61102孤島綜放面實(shí)際情況，提出了“控氧控溫、減氧降溫”的防火思路，通過采取煤柱加固、封堵漏風(fēng)、惰化降氧及注膠降溫等綜合防火措施，為工作面的安全收作提供了保障。

1 工作面概況唐家會煤礦為了不受相鄰工作面生產(chǎn)影響及煤層瓦斯防治需要，工作面之間采用跳采的方式進(jìn)行生產(chǎn)，這樣就形成了孤島工作面。唐家會煤礦首采面61101工作面采完后直接回采61103工作面，導(dǎo)致61102工作面相鄰兩側(cè)均為采空區(qū)，形成孤島工作面，如圖1所示。

61102工作面北部為61101工作面，南部為61103工作面，標(biāo)高為+774.5～+798.2 m，走向長度1 007.1 m，傾斜寬度233.8 m。煤層傾角0～4°，煤厚13.7～22.2 m不等，平均厚度18.3 m。工作面采用長壁后退式綜合機(jī)械化放頂采煤法，采高約4 m，采放比約為1∶3，回采率約為93%。煤層頂?shù)装鍖僦杏残蛶r體結(jié)構(gòu)，具有典型脆性巖石變形破壞特征，受采動影響破壞范圍大，影響程度高。煤層為長焰煤煤種，屬于Ⅰ類容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為35 d。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、軌道巷回風(fēng)。

2 收作期間煤自燃原因分析根據(jù)煤自燃特性及現(xiàn)場工作面環(huán)境因素，對造成采空區(qū)煤自燃的原因進(jìn)行分析。

2.1 遺煤堆積61102工作面采用綜放開采技術(shù)，采放比約為1

∶3，回采率約為93%，對于大采高綜放而言回采率較低，致使采空區(qū)內(nèi)有大量遺煤。根據(jù)現(xiàn)場觀察，在采掘過程中受到?jīng)_擊地壓的作用，煤體跨落，容易形成松散狀態(tài)，堆積在兩順槽內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，遺煤進(jìn)入采空區(qū)深部，在一定的漏風(fēng)供氧條件下，遺煤蓄熱升溫達(dá)到煤的著火點(diǎn)，引起煤自燃災(zāi)害。

2.2 相鄰采空區(qū)呼吸作用61102工作面南北兩側(cè)均為采空區(qū)，受沖擊地壓的影響，煤柱容易破裂形成漏風(fēng)通道，在主扇風(fēng)壓和自然風(fēng)壓的作用下，工作面與相鄰采空區(qū)會出現(xiàn)“呼吸”現(xiàn)象（即隨著外界風(fēng)壓、氣壓等因素影響，本孤島工作面與相鄰采空區(qū)氣壓存在差異，通過破碎煤柱進(jìn)行氣體交換現(xiàn)象）。在“呼吸”作用下，破碎的煤柱及煤柱側(cè)采空區(qū)內(nèi)的浮煤受到漏風(fēng)供氧的影響，容易氧化自燃，大大增加了自然發(fā)火的危險。唐家會煤礦61102進(jìn)風(fēng)順槽與61103采空區(qū)、回風(fēng)順槽與61101采空區(qū)煤柱內(nèi)安設(shè)U型水柱計同步觀測內(nèi)外壓差變化數(shù)據(jù)，如圖2所示。

從圖2可知，若當(dāng)內(nèi)外壓差為正值時，說明采空區(qū)內(nèi)的氣壓大于順槽內(nèi)的氣壓，相鄰采空區(qū)的有毒有害氣體會通過漏風(fēng)通道涌入順槽內(nèi)，對現(xiàn)場工作人員造成威脅;當(dāng)內(nèi)外壓差為負(fù)值時，采空區(qū)內(nèi)的氣壓小于順槽內(nèi)的氣壓，順槽內(nèi)的氣體流入采空區(qū)，為采空區(qū)浮煤提供了良好的供氧條件。且內(nèi)外壓差絕對值越大，說明相鄰采空區(qū)與進(jìn)回順槽之間的壓差越大，呼吸現(xiàn)象越明顯。在長期“呼吸”作用下煤體破碎區(qū)內(nèi)漏風(fēng)供氧，容易發(fā)生自燃。

2.3 氧化時間61102工作面煤層屬于Ⅰ類容易自燃煤層，其最短自然發(fā)火期為35 d。工作面在末采階段推進(jìn)速度相對較慢，在受采動覆巖垮落、沖擊地壓及過斷層的影響，推進(jìn)速度變得更加緩慢，采空區(qū)氧化帶寬度大，其中6月份推進(jìn)速度約為1.2 m/d;此外6月15日工作面臨時停采10 d。都為遺煤氧化蓄熱創(chuàng)造了條件。

3 收作期間煤自燃綜合防控技術(shù)61102工作面在停采收作期間，工作面相當(dāng)于處在靜止?fàn)顟B(tài)，此時，往往會發(fā)生煤自燃危害。為了防止采空區(qū)遺煤自燃，需采取一系列防火措施。通過對61102工作面煤自然發(fā)火原因及特點(diǎn)分析，確定以“控氧控溫、減氧降溫”為主的防火思路，采取建隔離帶煤柱加固、堵漏控氧、注氮惰化及注膠降溫等綜合防火措施，預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃危害，確保工作面的安全收作。

3.1 煤柱加固61102工作面受采動影響形成“C”型覆巖空間結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致煤柱產(chǎn)生不同程度的變形，根據(jù)對61102進(jìn)風(fēng)順槽與61103采空區(qū)、回風(fēng)順槽與61101采空區(qū)內(nèi)外壓差數(shù)據(jù)分析，確定相鄰采空區(qū)存在“呼吸”現(xiàn)象。因此，需要對沿空巷道及聯(lián)絡(luò)巷存在的破碎區(qū)域噴涂KA-DL材料進(jìn)行加固堵漏處理。其中，距離主回撤巷道40～60 m處至主回撤巷道范圍內(nèi)，3#，2#，2#～1#聯(lián)巷兩幫及破碎帶分別噴涂KA-DL材料960，1160，800，580 kg，噴涂位置為紅色區(qū)域如圖3所示。通過噴涂KA-DL材料不僅保證了煤柱不會因沖擊地壓而壓裂又很好的預(yù)防了相鄰采空區(qū)之間的相互貫通現(xiàn)象。

3.2 堵漏控氧

3.2.1 建隔離帶在工作面上、下隅角建沙袋密閉墻，表面進(jìn)行噴涂堵漏形成臨時隔離墻;兩端支架20 m范圍內(nèi)布置風(fēng)帳形成擋風(fēng)墻，以防大量風(fēng)流漏入采空區(qū)。沙袋密閉墻及擋風(fēng)墻示意圖如圖4、5所示。

3.2.2 控制風(fēng)量

1）采空區(qū)整體控風(fēng)：工作面回采至停采線時，調(diào)整工作面的通風(fēng)系統(tǒng)，將風(fēng)量由停采前1 400 m3/min，降低到600 m3/min，并根據(jù)回撤實(shí)際進(jìn)度及工作面氣體指標(biāo)的實(shí)際情況，對通風(fēng)量做出相應(yīng)的調(diào)整。2）重點(diǎn)區(qū)域控風(fēng)：在工作面距停采線約30 m處后，開始停止放煤，并在30 m處及終采位置液壓支架架尾5 m位置處各施工一道防火隔墻，其厚度為3 m。且對最后一道墻體噴涂KA

-DL礦用堵漏劑，達(dá)到固化堵漏風(fēng)的效果。3）局部控風(fēng)：當(dāng)工作面與主回撤通道相貫通時，將主回撤通道的控風(fēng)設(shè)施進(jìn)行拆除，采用局部通風(fēng)的方式對拆架過程中頂板垮落導(dǎo)致通風(fēng)不暢的地方進(jìn)行送風(fēng)。并對采空區(qū)所對應(yīng)的地面位置進(jìn)行沉降觀測，對大于50 mm的裂隙進(jìn)行填埋處理，減少地表漏風(fēng)的概率。

3.3 惰化降氧針對61102工作面現(xiàn)場環(huán)境及遺煤自燃特點(diǎn)，對采空區(qū)實(shí)施注氮措施。在工作面運(yùn)輸順槽預(yù)埋3趟注氮管路，1#注氮管：釋放口距停采線85 m，2#注氮管：釋放口距停采線45 m，3#注氮管：釋放口距停采線20 m。共注氮量約537 600 m3，其中，1#注氮管于12月10日～12月19日累計注氮量約為

172 800 m3;2#與3#注氮管于12月17日～1月23日累計注氮量約為364 800 m3。

3.4 注膠降溫針對工作面防火需求，施工巷道防火孔（主回撤通道及聯(lián)巷）和支架防火孔（架間、架頂及架后）2種防火孔，總計施工鉆孔約215個。采用西安科技大學(xué)研發(fā)的井下移動式注膠機(jī)和XKM16高分子材料，通過防火孔治理隱患區(qū)，以達(dá)到降溫隔離的作用，保證工作面收作的安全。鉆孔施工圖及注膠工藝圖如圖6、7所示。

巷道防火孔：61102主回撤3條聯(lián)巷周圍共計施工了38個防火孔。其中幫部4 m深防火孔20個，頂部8 m深防火孔18個。支架防火孔：61102工作面運(yùn)順到回順方向每5架架頂、架尾各施工1個1.5 m淺防火鉆孔，105#～133#架每架架頂、架尾各施工1個1.5 m淺防火鉆孔，約為96個。補(bǔ)打4 m深防火鉆孔81個，其中，架間6個（運(yùn)順端頭1#，2#，3#支架架間各2個）;架頂54個（50#～55#，70#～79#，98#～108#，110#～133#架）;架尾21個（16#～31#，86#～89#，109#～119#架）。于12月19日正式向防火鉆孔注高分子材料，巷道防火孔注膠4 137 kg，支架防火孔注膠5 955 kg，累計注膠約為10 092 kg。

4 監(jiān)測監(jiān)控及防火效果分析

4.1 煤自燃監(jiān)測監(jiān)控為進(jìn)一步對煤自燃動態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，采用“三位一體”（即監(jiān)控系統(tǒng)、定期取樣及人工檢測）方法對采空區(qū)氣體及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，根據(jù)氣體及溫度數(shù)據(jù)對采空區(qū)煤自燃情況做出預(yù)測，進(jìn)而采取相應(yīng)防火措施，保證工作面安全收作。

4.1.1 束管布置工作面與主回撤通道貫通前，在運(yùn)順距停采線100，50，10 m處預(yù)留束管，回順距停采線60，

30，10 m處預(yù)留束管，束管利用D25鋼管進(jìn)行保護(hù)，安設(shè)濾水器，束管埋入采空區(qū)后每天取氣分析。

4.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)

停采后將傳感器移至安全區(qū)域，利用運(yùn)順退尺1 015 m、回順退尺986 m的2個防火觀測點(diǎn)，通過煤火災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)對相鄰采空區(qū)防火指標(biāo)實(shí)現(xiàn)24 h在線監(jiān)測。工作面回采至距停采線100 m開始，每天有專人對相鄰采空區(qū)密閉墻完好程度、墻內(nèi)氣體情況及墻內(nèi)水壓進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取措施。

4.1.3 人工日常巡檢測點(diǎn)設(shè)置：工作面2#，14#，16#，120#，24#，28#，30#，31#，35#，40#，44#，50#，55#，60#，65#，69#，70#，75#，80#，85#，89#，90#，94#，100#，105#，108#，110#，114#，120#，126#，128#支架頂部采空區(qū);進(jìn)、回風(fēng)順槽端頭隔墻內(nèi);回風(fēng)隅角;回風(fēng)流;拆架處。檢測參數(shù)主要包括CO，O2，CO2，CH4和T（溫度），工作面測點(diǎn)每小班檢查2次。

4.2 防火效果分析61102孤島工作面于12月14日推至停采線位置。通過數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測得到工作面回風(fēng)隅角11月14日～12月29日CO，O2濃度及火災(zāi)系數(shù)R2（R2=（+ΔCO）/（-ΔO2））變化規(guī)律如圖8所示。

從圖8可知，61102工作面回風(fēng)隅角、采空區(qū)氣體濃度和火災(zāi)系數(shù)R2均比較穩(wěn)定，表明防火措施效果良好。當(dāng)工作面推采至停采線后，氧氣濃度維持在16%～19%，回風(fēng)隅角CO濃度由前期的20×10-6～50×10-6降至10×10-6～20×10-6;火災(zāi)系數(shù)R2×100由前期的0.1～0.3降至0.1以下。

5 結(jié) 論

1）通過監(jiān)測61102進(jìn)回風(fēng)順槽與相鄰采空區(qū)的氣壓變化，分析了與相鄰采空區(qū)存在“呼吸”現(xiàn)象，并從遺煤堆積及氧化蓄熱方面闡述了61102孤島工作面遺煤自燃的原因。2）基于61102孤島工作面遺煤自燃特點(diǎn)，以經(jīng)濟(jì)高效防火為出發(fā)點(diǎn)，提出了“控氧控溫、減氧降溫”為主的防火思路，制定了“三位一體”煤自燃預(yù)測預(yù)報方法及多技術(shù)協(xié)同的綜合防火措施，為工作面的安全收作提供了保障。3）通過采取煤柱加固、建隔離帶堵漏控氧、注氮惰化降氧及注膠降溫等針對性防火措施，并對現(xiàn)場實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控。實(shí)踐證明，所制定的防火方案有效地預(yù)防了收作期間煤自燃災(zāi)害的發(fā)生，為其他礦區(qū)類似工作面的防火工作提供了參考依據(jù)。

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