復采工作面煤自燃危險區(qū)域劃分及綜合治理技術研究

王崇景，楊 峰，李可可，劉 碩

(1.濟寧能源發(fā)展集團有限公司，山東 濟寧 272000；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221000)

自19世紀90年代引入綜放開采技術，經(jīng)過十幾年的探索逐步發(fā)展成熟，然而由于以前技術、設備等的限制，導致前期開采遺留大量煤柱。采空區(qū)遺煤復采，不僅有效提高了煤炭的采出率，而且充分利用了煤炭資源，但受復雜地質(zhì)條件影響，復采區(qū)松散遺煤多，頂板破壞嚴重且呈不規(guī)則分布，加劇了復采面的遺煤自然發(fā)火的可能性，嚴重威脅工作面的安全復采，因此對防滅火綜合治理技術研究迫在眉睫。

國內(nèi)學者針對防滅火技術及措施開展了研究工作：郭明生[1]研究了切頂留巷采空區(qū)自然發(fā)火特征，基于分級防控防滅火的思路，制定了防漏風和間歇性注氮防滅火技術措施，并在現(xiàn)場成功應用；劉德寶[2]對自燃“三帶”進行劃分，確定自燃帶寬度，并提出防滅火對策；楊偉[3]基于實際觀測的氮氣擴散半徑和采空區(qū)自燃三帶的分布，優(yōu)化改進了邁步式全斷面埋管注氮工藝參數(shù)的計算方法，并進行了實際布置；鄧軍[4]對采空區(qū)煤自燃的原因及影響因素進行了分析，全面闡述了現(xiàn)有的采空區(qū)火災的預防、抑制與滅火技術；呂長剛[5]創(chuàng)新性地提出了構建高地溫特厚煤層綜放面末采-撤架期間的雙重防滅火體系，即“三步法撤面技術體系、一張圖撤面管理體系”，對采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超前預防、治理和監(jiān)測監(jiān)控。同時在防滅火材料方面也做出了大量研究，其中段西凱等[6-10]對防滅火凝膠材料進行了一系列的研究，以及其他學者[11-15]對粉煤灰、泡沫、液態(tài)CO2等的研究。在數(shù)值模擬方面也取得了一些進展，白剛[16]采用Design Expert軟件進行BoxBehnken試驗設計，構建了采空區(qū)氧化帶最大寬度在三因素、三水平條件下的二次回歸響應曲面模型，并對不同條件下采空區(qū)氧化帶最大寬度進行了預測與分析；張曉旭[17]采用Fluent模擬軟件，建立該工作面采空區(qū)不同注氮條件下的自燃“三帶”遷移模型，以確定最佳注氮位置、注氮溫度、注氮流量，并在寸草塔二礦開展現(xiàn)場試驗，驗證該模型的科學性和有效性。然而針對運河煤礦復采工作面綜合治理并無相關研究。山東濟寧運河煤礦F1301工作面的煤層煤質(zhì)較好，工作面煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。面對礦井火災隱患，首先從工程技術方面采取措施，結合礦井開采實際條件，最大限度地消除可能發(fā)生火災事故的因素，建立完善的煤礦自燃火災防滅火系統(tǒng)[18-20]，加強防滅火監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的作用，對運河煤礦F1301工作面進行科學的煤自燃綜合防治研究。

1 工作面概況

運河煤礦F1301工作面寬度80 m，工作面軌道巷長度1033.2 m，運輸巷長度1033.8 m。工作面北部27 m及南部26 m區(qū)域為原1301、1302工作面采空區(qū)，煤厚平均3.0 m，中部區(qū)域為原1301、1302工作面煤柱，煤厚平均7.0 m。工作面受南張向斜影響煤層總體呈現(xiàn)東西高中間低的形態(tài)，煤層傾角為13°～17°，平均15°。工作面煤層底板標高-420～-520 m，平均標高-470 m。F1301工作面的煤層煤質(zhì)較好，屬低灰、低硫、特低磷、高發(fā)熱量煤層，煤層硬度系數(shù)f=1～2，屬中硬煤，F(xiàn)1301工作面布置如圖1所示。

圖1 F1301工作面布置Fig.1 Layout of F1301 working face

復采探巷沿空掘進段，前550 m巷道采用噴漿，之后采用噴涂發(fā)泡材料，采用發(fā)泡材料段，每5 m施工一組凝膠墻。F1301軌道巷自開門口58.9 m開始沿空掘進時，每5 m施工一組凝膠墻，每組布置4個鉆孔，鉆孔深度均不小于5 m，其中巷道頂板布置2個鉆孔，在巷道兩肩窩向巷中0.8～0.9 m范圍內(nèi)垂直于頂板各布置1個注膠鉆孔；巷道每幫各布置1個鉆孔，在巷道兩幫距頂板向下不大于1.2 m處以仰角45°各施工1個注膠鉆孔。

2 F1301工作面自然發(fā)火隱患分析

2.1 自然發(fā)火隱患分析

F1301工作面巷道在采空區(qū)松散煤體中掘進，受圍巖應力變化及礦山壓力影響，煤體進一步破碎產(chǎn)生裂隙存在漏風通道。F1301工作面采用放頂煤回采工藝，推進速度較慢，初采期間頂煤受采動影響范圍較小不易垮落，頂煤回收不徹底，采空區(qū)遺煤量較大，同時由于回采初期工作面采空區(qū)頂板冒落不密實漏風擴散范圍大，采空區(qū)持續(xù)有氧氣供給，為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火創(chuàng)造了良好的供氧及蓄熱條件。且后續(xù)的工作面回采期間遇斷層或其他特殊地質(zhì)構造區(qū)域時，局部可能留有遺煤且裂隙豐富，存在漏風通道，造成遺煤持續(xù)氧化。另外在工作面回采過程中兩端頭局部出現(xiàn)的遺煤回收不徹底進入采空區(qū)，存在自然發(fā)火隱患，增加工作面回采期間的防滅火管理難度。

F1301工作面軌道巷在原1301工作面采空區(qū)中掘進，運輸巷在原1302工作面采空區(qū)中掘進，受圍巖應力變化及礦山壓力的影響，F(xiàn)1301工作面巷道掘進過程中煤體進一步破碎，產(chǎn)生新的裂隙及漏風通道，導致F1301工作面回采期間巷道向鄰近原1301和1302工作面采空區(qū)漏風。根據(jù)1月至3月進回風巷鉆孔的氣樣數(shù)據(jù)可以得出：各取樣鉆孔在形成初期，采集氣樣中的CO普遍高于0.05‰，呈現(xiàn)較高濃度，主要是由于采空區(qū)內(nèi)部積存較高濃度的CO所致；隨著取樣周期的延長，大多數(shù)鉆孔中CO濃度逐漸呈現(xiàn)波動下降趨勢，直至最后穩(wěn)定在0.02‰以下，表明這部分鉆孔區(qū)域附近采空區(qū)的煤自燃隱患較小。如軌道巷12#左、13#左、14#右等鉆孔。部分鉆孔中CO濃度持續(xù)穩(wěn)定在較高水平，表明該鉆孔區(qū)域附近采空區(qū)存在遺煤氧化現(xiàn)象，持續(xù)氧化形成CO氣體，如軌道巷3#右、11#左、15#右等鉆孔，運輸巷9#、14#等鉆孔。通過工作面軌道巷和運輸巷各觀測鉆孔的CO濃度變化規(guī)律，可將F1301工作面巷道兩側采空區(qū)煤自燃的危險程度分為高風險、一般風險和低風險三個級別，F(xiàn)1301工作面回采期間巷道兩側采空區(qū)煤自燃風險區(qū)域分類統(tǒng)計見表1，F(xiàn)1301工作面巷道兩側采空區(qū)煤自燃各類風險區(qū)域分布如圖2所示。

表1 F1301工作面回采期間巷道兩側采空區(qū)煤自燃風險區(qū)域分類統(tǒng)計Table 1 Classification of coal spontaneous combustion risk areas on both sides of the goaf during the mining period of F1301 working face

圖2 F1301工作面巷道兩側采空區(qū)煤自燃各類風險區(qū)域分布Fig.2 Distribution of various risk areas for coal spontaneous combustion in goaf areas on both sides of F1301 working face roadway

2.2 煤自燃風險區(qū)域分析

2.2.1 煤自燃一般風險區(qū)域

由于軌道巷12#—17#鉆孔連續(xù)取樣數(shù)據(jù)較少(C3和C8)，CO濃度仍處于較高水平，難以根據(jù)CO濃度變化規(guī)律分析鉆孔附近采空區(qū)遺煤氧化情況，需進一步連續(xù)監(jiān)測再做分析，暫定為一般風險區(qū)域。

2.2.2 煤自燃低風險區(qū)域

在工作面軌道巷一側，觀測孔7#右—11#右(C2)、1#左—4#左(C5)、9#左—11#左(C7)附近區(qū)域從1月至3月期間的CO氣體濃度持續(xù)較低；此外，在17#右—F1301工作面開切眼(C4)、17#左—F1301工作面開切眼(C9)區(qū)段內(nèi)軌道巷兩側為實體煤，因此上述區(qū)域為煤自燃低風險區(qū)域。

在運輸巷一側，觀測孔1#—4#(C10)、7#—8#(C12)、11#—13#(C14)、16#—18#(C16)附近區(qū)域從1月至3月的CO濃度持續(xù)較低，表明上述區(qū)段附近采空區(qū)內(nèi)遺煤與氧氣的反應速率較慢，CO氣體的生成量較低，因此上述區(qū)域為煤自燃低風險區(qū)域。

2.2.3 煤自燃高風險區(qū)域

在工作面軌道巷一側，觀測孔1#右—6#右附近(C1)、5#左—8#左(C6)附近采空區(qū)CO濃度持續(xù)呈現(xiàn)較高水平，最高達到0.08‰以上，表明采空區(qū)內(nèi)部存在遺煤持續(xù)氧化現(xiàn)象，因此上述區(qū)域為煤自燃高風險區(qū)域。

在運輸巷一側，觀測孔5#—6#(C11)、9#—10#(C13)、14#—15#(C15)、19#—20#(C17)附近采空區(qū)CO濃度始終維持在較高水平，最高達到0.1‰以上，表明遺煤氧化連續(xù)產(chǎn)生CO氣體，因此上述區(qū)域為煤自燃高風險區(qū)域。工作面軌道巷和運輸巷各觀測鉆孔的CO濃度變化規(guī)律如圖3和圖4所示。

圖3 工作面軌道巷觀測孔CO變化規(guī)律Fig.3 CO variation law of observation holes in the track roadway of the working face

圖4 運輸巷觀測孔CO變化規(guī)律Fig.4 CO variation pattern of observation holes in transportation tunnels

3 煤自燃災害監(jiān)控與綜合治理技術

3.1 F1301工作面防滅火監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

F1301工作面防滅火監(jiān)測地點包括回風隅角、采空區(qū)、工作面風流、工作面回風流。F1301工作面防滅火監(jiān)測方法采用人工檢測、束管監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、懸掛便攜式檢測儀器及人工采樣分析等多種方法，監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場布置如圖5所示。

圖5 F1301工作面監(jiān)控系統(tǒng)Fig.5 F1301 working face monitoring system

通過對F1301工作面防滅火監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的布置，加強工作面軌道巷和運輸巷現(xiàn)有觀測孔的氣體在線監(jiān)測，針對工作面軌道巷C1和C6區(qū)域附近巷道等高風險區(qū)域進行加強噴漿與堵漏，在此基礎上若該高風險區(qū)域CO仍處于較高濃度水平可進行間斷性大流量注氮，同時針對切眼位置受斷層影響的情況，可采取向斷層上方頂煤施工注膠鉆孔，惰化堵漏托頂煤區(qū)域，具體方案如下。

3.2 加強氣體監(jiān)測

加強工作面軌道巷和運輸巷現(xiàn)有觀測孔的氣體在線監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)鉆孔內(nèi)CO持續(xù)升高，要做到早預警。此外，需重點監(jiān)測工作面軌道巷2#右、3#右、8#左等觀測孔，以及運輸巷5#、9#、14#、19#等觀測孔的氣樣變化規(guī)律；針對12#—17#觀測孔連續(xù)監(jiān)測時間較短、CO濃度仍處于較高水平的問題，需進一步監(jiān)測其氣樣變化規(guī)律，持續(xù)關注鉆孔內(nèi)CO濃度的變化趨勢，同時做好數(shù)據(jù)記錄，以便于回采期間對遺煤氧化自燃的變化趨勢進行更為清晰地研判。對于高風險區(qū)域的觀測孔，采用人工取樣與連續(xù)取樣相結合的方式進行持續(xù)觀測。其中，高風險區(qū)域的觀測孔取樣頻次為1 d/次；一般風險區(qū)域的觀測孔取樣頻次為2 d/次；低風險區(qū)域的觀測孔取樣頻次為3 d/次。

3.3 加強噴漿與堵漏

為最大限度地減少向采空區(qū)的漏風，延緩采空區(qū)遺煤的氧化聚熱發(fā)展趨勢。在持續(xù)監(jiān)測的基礎上，需重點加強工作面軌道巷C1和C6區(qū)域附近巷道，以及運輸巷C11、C13、C15和C17附近巷道的二次噴漿(或噴涂)；建議在原有注膠封堵的基礎上，根據(jù)現(xiàn)場實際進行補充注膠與采空區(qū)充填堵漏。

3.4 重點區(qū)域目標注氮

在噴漿與堵漏的基礎上，如果上述高風險區(qū)域觀測孔內(nèi)CO仍處于較高濃度水平，或其他鉆孔出現(xiàn)CO持續(xù)升高的現(xiàn)象，可通過向CO濃度較高的鉆孔等重點區(qū)域，進行間斷性大流量注氮，達到增大采空區(qū)內(nèi)部壓力減少漏風量，以及惰化重點區(qū)域抑制煤體氧化的效果。對于工作面兩條中間巷的煤自燃預防，建議不要提前施工深部鉆孔進行惰氣壓注或凝膠壓注，避免鉆進過程中的水沖刷采空區(qū)，人為造成采空區(qū)漏風通道、裂隙增加；建議在回采時超前100 m或200 m區(qū)段進行深孔施工，提前壓注惰氣和凝膠。

3.5 切眼位置遺煤堵漏降溫

針對切眼位置受斷層影響的情況，當工作面推進采空區(qū)垮落后，可采取向斷層上方頂煤施工注膠鉆孔，惰化堵漏托頂煤區(qū)域；仰角45°～55°，使用防火鉆桿打入后進行壓注凝膠，對頂煤進行堵漏和惰化處理。此外在切眼位置預先鋪設注漿和注氮管路，管路出口沿傾向距離巷道20 m處，有助于擴大注漿或注氮的控制范圍。同時對于開切眼周邊煤壁及擴切眼側破碎離層等自燃危險區(qū)域采用直接噴灑阻化劑的措施進行自然發(fā)火的預防。

4 綜合治理效果分析

基于F1301工作面的自然發(fā)火隱患區(qū)域劃分結果，在采取噴漿與堵漏、重點區(qū)域目標注氮、切眼位置遺煤堵漏降溫等綜合治理技術之后，工作面軌道巷和運輸巷各觀測鉆孔內(nèi)CO濃度整體呈現(xiàn)波動下降趨勢，并最終穩(wěn)定在0.024‰以下，表明上述措施有效封堵了工作面軌道巷和運輸巷的漏風通道，阻斷了巷道向采空區(qū)的漏風通道，有效抑制了采空區(qū)內(nèi)遺煤的氧化進程，消除了F1301工作面開采過程中鄰近1301、1302采空區(qū)的煤自燃隱患，有利于保障F1301工作面后續(xù)的順利回采。

5 結 語

通過分析運河煤礦F1301復采工作面煤層賦存特點及煤層自燃影響因素，采取上述綜合性的煤炭自燃火災預防措施，有效預防了工作面煤炭自然發(fā)火，確保了工作面的安全回采，為后續(xù)復采煤層回采防滅火工作積累了一定的經(jīng)驗。其中運河煤礦F1301工作面主要來源于遺煤自燃火災威脅，結合工作面的具體情況，劃分了F1301工作面回采期間巷道兩側采空區(qū)煤自燃風險區(qū)域，設計提出了綜合防治措施方案，并進行實際應用，應用結果表明經(jīng)綜合治理后CO含量得到有效控制，最終穩(wěn)定在0.024‰以下，達到防滅火控制標準，從而滿足該煤礦工作面安全開采的需要，為今后的煤礦開采防滅火設計提供一定的技術借鑒。