臨時(shí)停工工作面自然發(fā)火與沖擊地壓耦合風(fēng)險(xiǎn)創(chuàng)新治理研究

秦鵬 李棟梁

（山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司）

1.概況

礦井在開采過程中經(jīng)常會遇到常規(guī)及突發(fā)臨時(shí)停工情況，對于開采淺部資源的礦井來說風(fēng)險(xiǎn)性小，常規(guī)管控措施能夠保證礦井的安全生產(chǎn)。但隨著淺部資源的減少，深部資源的開采成為必然，煤礦進(jìn)入深部開采以后，隨著地質(zhì)環(huán)境惡化，以及煤巖體力學(xué)響應(yīng)的非線性化，突發(fā)性重大災(zāi)害顯著上升，其中以沖擊地壓為代表的煤巖動力災(zāi)害機(jī)理最復(fù)雜、防治難度最大，其次為礦井內(nèi)因自然發(fā)火事故。

星村煤礦目前主采3煤層，自然發(fā)火期短且有沖擊傾向性，臨時(shí)停工工作面如果管控不好極易造成安全風(fēng)險(xiǎn)事故。對于臨時(shí)停工工作面的處理關(guān)鍵點(diǎn)在于是否封閉工作面。以往對于臨時(shí)停工工作面的自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)處理時(shí)對沖擊地壓耦合疊加風(fēng)險(xiǎn)考慮欠缺。

本項(xiàng)目類比DB37/T 3417-2018煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)分級管控和隱患排查治理雙重預(yù)防機(jī)制實(shí)施指南，自主研發(fā)臨時(shí)停工工作面自然發(fā)火與沖擊地壓耦合疊加風(fēng)險(xiǎn)治理創(chuàng)新體系標(biāo)準(zhǔn)，制定符合自己礦井實(shí)際情況的臨時(shí)停工工作面封閉與否的標(biāo)準(zhǔn)。

2.自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)

DB37/T 3417-2018按照風(fēng)險(xiǎn)矩陣分析法，通過分析風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率、特征、損壞程度等技術(shù)指標(biāo)，由風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性和可能造成的損失評定分?jǐn)?shù)，進(jìn)而確定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級，其計(jì)算公式為：R=L*S，式中：R表示風(fēng)險(xiǎn)度；L表示危險(xiǎn)事件發(fā)生可能性；S表示危險(xiǎn)事件可能造成的損失。

針對臨時(shí)停工工作面自然發(fā)火與沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，類比DB37/T 3417-2018煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)分級管控和隱患排查治理雙重預(yù)防機(jī)制實(shí)施指南，從停工時(shí)間與最短自然發(fā)火期比例、地質(zhì)構(gòu)造情況、工作面防火措施、兩順頂板破碎程度、頂煤厚度五方面進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《煤礦安全生產(chǎn)標(biāo)注化管理體系基本要求及評分辦法》采用各部分得分乘以權(quán)重的方式計(jì)算：

A=

A代表最終值，a_n代表權(quán)重值，M_n代表具體分?jǐn)?shù)，標(biāo)準(zhǔn)分值100分

停工時(shí)間與最短自然發(fā)火期比例：比例≥0.4，記錄分值80分；比例＜0.4，記錄分值40分；權(quán)重值0.4。

地質(zhì)構(gòu)造情況：無斷層記錄分值20分；有斷層落差小于4m記錄分值40分；斷層落差大于4m記錄分值80分；權(quán)重值0.1。

工作面防火措施：單一防火措施記錄分值20分；兩種防火措施記錄分值40分；多種綜合防火措施分值80分；權(quán)重值0.3。

兩順頂板破碎程度：基本無破碎記錄20分；破碎程度小于0.5m記錄分值40分；破碎程度大于0.5m記錄分值80分；權(quán)重值0.1。

頂煤厚度：頂煤厚度小于5m記錄40分；頂煤厚度大于5m記錄分值80分；權(quán)重值0.1。

當(dāng)A大于80，臨時(shí)停工工作面采取不封閉的措施，當(dāng)A小于80，臨時(shí)停工工作面采取封閉措施。

2不封閉工作面自然發(fā)火與沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)防治技術(shù)

2.1提前處理采空區(qū)

縮短隔離墻、束管、注漿管間距：工作面推采至距離停工位置20-30m左右時(shí)擋墻間距由原來不大于20m調(diào)整為不大于10m，擋墻采用袋裝碎煤或柔性充填袋與充填料施工，充填不到頂時(shí)用凝膠或充填料噴涂處理，擋墻與注漿管路接觸部位用黃泥等封堵，外部用凝膠或充填料噴涂處理，施工碎煤袋擋墻墻時(shí)擋墻厚度不小于1m，充填擋墻厚度不小于0.5m（可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整）。工作面推采至距離停工位置70m左右后，兩順采空區(qū)束管埋設(shè)間距由原來不大于30m調(diào)整為不大于20m。鋪設(shè)的束管頭距離頂板不大于300mm，距幫部不小于200mm，采空區(qū)鋪設(shè)的束管用花管進(jìn)行保護(hù)，束管出口留設(shè)在新鮮風(fēng)流中，束管出口使用束管夾防止向采空區(qū)漏風(fēng)。每周不少于6次對埋設(shè)束管地點(diǎn)采樣分析，氣體異常時(shí)每天采樣分析，束管抽不動或損壞時(shí)及時(shí)補(bǔ)點(diǎn)確保抽樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。工作面推采至距停工位置40-50m時(shí)，注漿管路間距由原來不大于30m調(diào)整為不大于20m。并且沿采面傾斜方向鋪設(shè)一路長度不少于60m的多出口注漿管路，每6～12m（根據(jù)現(xiàn)場情況的需要可進(jìn)行調(diào)整）設(shè)三通出口，第一個(gè)三通出口距軌順不小于10m，管路末端不再設(shè)悶頭。溜尾管路懸空部分，端頭架里用袋裝碎煤墊實(shí)，端頭架外墊實(shí)。

兩端頭及采空區(qū)處理：每天早班對兩端頭及順槽頂煤打眼壓注水玻璃凝膠，工作面停工前一個(gè)月根據(jù)束管分析報(bào)表選取合適的采空區(qū)管路對采空區(qū)每周兩次注防火劑，氣體異常時(shí)至少連續(xù)3個(gè)班注氮?dú)饣蜃杌菽?。兩順超前支架之間布置兩排鉆孔，角度為60～80°，每排鉆孔間距3m左右，兩排鉆孔采用“三花眼”布置，施工的鉆孔深度為3-5m或至巖石頂板。鉆孔施工完畢后，將一次性鉆桿砸入鉆孔內(nèi)，一次性鉆桿前端設(shè)0.3～0.5m的花管，管與管之間用內(nèi)接絲連接，封口用棉紗封孔，進(jìn)行注膠處理。封孔時(shí)棉紗距離端頭花管不大于1.5m，提高漿液滲漏能力。

降低工作面風(fēng)量：根據(jù)風(fēng)量計(jì)算方法，依據(jù)工作面氣象條件等計(jì)算工作面正常生產(chǎn)期間需風(fēng)量，為了保證停工時(shí)減少采空區(qū)漏風(fēng)，根據(jù)以往停工經(jīng)驗(yàn)通過調(diào)整設(shè)施將工作面停工期間風(fēng)量調(diào)整為正常生產(chǎn)的一半。

2.2停工后采空區(qū)及兩順槽、支架煤體預(yù)處理

根據(jù)預(yù)測停工時(shí)的地質(zhì)條件，工作面停止移架后對兩順超前頂板施工防火鉆孔并注防火材料，兩端頭各十個(gè)支架范圍內(nèi)架間施工防火鉆孔并注防火材料處理、架后噴涂LFM噴涂料處理。兩順超前頂板施工兩排防火鉆孔：靠近采幫超前支架與采幫之間布置一排，角度為60～80°；兩順超前支架之間布置一排鉆孔，角度為60～80°，方向朝向采空區(qū)，每排鉆孔間距3m左右，兩排鉆孔采用“三花眼”布置，施工的鉆孔深度為3-5m或至巖石頂板。工作面施工鉆孔時(shí)，架間位置要打到柱頂梁上部及支架后煤體，傾角60°左右，深度3-5m或至煤層頂板。停工期間每天通過留設(shè)的注氮管路對采空區(qū)注氮處理；停工期間每天對埋設(shè)的束管采樣分析，氣體異常時(shí)連續(xù)三班取樣分析。

2.3降低風(fēng)流溫度

作面埋藏深圍巖溫度高，停工時(shí)熱害也是困擾著礦井的一大難題，通過將制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等主要設(shè)備集成在一起形成的制冷機(jī)組對停工的綜放工作面進(jìn)行制冷，機(jī)組安裝在工作面軌道順槽內(nèi)，用輸冷管道將冷凍水輸送到工作面的空冷器中。工作面進(jìn)風(fēng)流溫度未采取降溫前29℃且濕度90%以上，采取制冷機(jī)組降溫后有效的降低了風(fēng)流溫度，溫度25℃且濕度70%，該技術(shù)方法既解決了高溫危害又抑制了停工期間自然發(fā)火重大風(fēng)險(xiǎn)。

2.4預(yù)測預(yù)報(bào)

CO為測試煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體；CO出現(xiàn)表明測試煤已經(jīng)開始氧化，其出現(xiàn)臨界溫度為57.3-65.0℃，監(jiān)測濃度為0.32*10-6；C₂H₄出現(xiàn)時(shí)煤進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志，其出現(xiàn)的臨界溫度為113.3℃-131.4℃，監(jiān)測濃度為0.03*10-6。C₂H₆/ C₂H₄比值峰值的出現(xiàn)是煤進(jìn)入激烈氧化階段的標(biāo)志，其峰值出現(xiàn)的溫度為265.5℃左右，對應(yīng)C₂H₄濃度為21.17*10-6，C₂H₆濃度為7.51*10-6， C₂H₆/ C₂H₄可作為判別煤反應(yīng)程度的輔助指標(biāo)。束管監(jiān)測工每天對工作面兩順槽及架間異常點(diǎn)取樣后，送地面氣體化驗(yàn)室分析1次，并建立監(jiān)測分析檔案。運(yùn)輸順槽安設(shè)CO傳感器位置（距匯風(fēng)點(diǎn)10-15m）定為自燃發(fā)火觀測點(diǎn)，每周進(jìn)行一次觀測分析。發(fā)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)異常時(shí)，要立即采取措施以便對異常點(diǎn)重點(diǎn)處理。

2.5在線應(yīng)力監(jiān)測及微震監(jiān)測研究

通過在線應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面兩順槽內(nèi)采動應(yīng)力場及特定區(qū)域應(yīng)力場的變化規(guī)律，記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)并繪制應(yīng)力變化曲線，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映回采工作面煤體應(yīng)力，及時(shí)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力超限預(yù)警區(qū)域。在工作面順槽兩幫布置測點(diǎn)，測點(diǎn)間距30m，兩幫交替布置，交錯(cuò)布距15±2m，每組3個(gè)測點(diǎn)，埋設(shè)深度分別為不小于8m、15m、23m（當(dāng)施工至巖石時(shí)，以實(shí)際施工深度為準(zhǔn)；遇構(gòu)造不具備安裝條件時(shí)，測點(diǎn)間距正常順延），每組相鄰3個(gè)測點(diǎn)間距不大于1.5m，并始終保持工作面煤壁前方超過300m的監(jiān)測范圍。

利用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，對工作面區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，每天進(jìn)行震源的定位、微震能量的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)等工作，對大能量震動信號進(jìn)一步進(jìn)行頻譜分析和現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)情況記錄，判斷礦震的機(jī)制以及區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性程度。

4.總結(jié)

臨時(shí)停工工作面風(fēng)險(xiǎn)治理技術(shù)創(chuàng)新研究為我國自然發(fā)火重大風(fēng)險(xiǎn)的礦井提供了創(chuàng)新治理技術(shù)及安全有效的新工藝與現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。