易燃厚煤層半孤島綜放工作面瓦斯與火耦合防治技術(shù)

吳 磊 白永萌（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東省滕州市，277500）

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易燃厚煤層半孤島綜放工作面瓦斯與火耦合防治技術(shù)

吳 磊 白永萌
（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東省滕州市，277500）

摘 要針對(duì)瓦斯與自然發(fā)火防治中存在的顧此失彼、治理措施相互干擾影響大等問題，結(jié)合3上219半孤島工作面的實(shí)際情況，確定了預(yù)防為主的自然發(fā)火治理思路，重點(diǎn)采用了采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)、采空區(qū)預(yù)防性注漿和噴灑阻化劑、工作面煤體超前惰化、鄰側(cè)采空區(qū)堵漏風(fēng)等預(yù)防措施，在此基礎(chǔ)上，采用了鄰近采空區(qū)抽放和高位鉆孔瓦斯抽放的瓦斯治理技術(shù)措施，瓦斯抽放參數(shù)、抽放時(shí)間根據(jù)工作面自然發(fā)火情況及時(shí)優(yōu)化調(diào)整，有效防止了工作面開采期間瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害的發(fā)生，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞易燃厚煤層 半孤島工作面 自然發(fā)火 瓦斯抽放

隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的不斷加大，采空區(qū)遺煤增多，煤層瓦斯含量增大，礦井的瓦斯涌出量增加，同時(shí)煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)性也明顯增大，許多礦井開始面臨瓦斯、自然發(fā)火雙重災(zāi)害防治的問題，特別是采空區(qū)等遺煤量大、漏風(fēng)嚴(yán)重且容易積聚大量瓦斯的區(qū)域。周福寶通過對(duì)我國(guó)229對(duì)大型礦井進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其中32.3%的礦井存在瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害問題。瓦斯與自然發(fā)火共生災(zāi)害已成為一種威脅礦井安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害模式。

目前礦井應(yīng)用的瓦斯和自然發(fā)火災(zāi)害的防治措施大多是針對(duì)其中的一類災(zāi)害，對(duì)兩類災(zāi)害防治中的相互影響和聯(lián)系往往缺乏考慮，因此在災(zāi)害防治過程中容易出現(xiàn)顧此失彼的問題，使礦井的瓦斯與自然發(fā)火的災(zāi)害防治工作陷于被動(dòng)，不僅不能有效解決目前正在發(fā)生的災(zāi)害問題，還會(huì)使另一類災(zāi)害的危險(xiǎn)性增加，使礦井的安全形勢(shì)更加嚴(yán)峻。因此，對(duì)瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害的耦合防治技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于存在瓦斯與自然發(fā)火共生礦井的災(zāi)害防治具有重要意義。

1　礦井概況

3上煤層是付村煤礦的主采煤層，最短自然發(fā)火期僅為46 d，屬易自燃煤層。付村煤礦的東二采區(qū)及東二輔助采區(qū)是3上煤層的瓦斯異常區(qū)，3上219綜放工作面位于付村煤礦東二采區(qū)，是半孤島工作面，鄰側(cè)為3上216工作面采空區(qū)，隔離煤柱寬5 m。該工作面走向長(zhǎng)度1086 m，傾斜長(zhǎng)度148 m，采高5.1～5.6 m，煤層傾角3°～9°。3上219工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量為19.0735 m3/min，相對(duì)涌出量為8.323 m3/t，周期來壓期間瓦斯涌出量會(huì)明顯增大。工作面回采期間回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葧r(shí)常高達(dá)0.8%以上，由于巖漿巖侵入、地質(zhì)構(gòu)造、鄰近采空區(qū)瓦斯涌入等因素使得3上219工作面回采期間時(shí)常發(fā)生瓦斯涌出異常、瓦斯涌出量增大的問題，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。

對(duì)3上219工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)測(cè)分析，得出工作面落煤、煤壁和采空區(qū)的瓦斯涌出量分別為6.5439 m3/min、4.5609 m3/min和8.7252 m3/ min，分別占瓦斯總涌出量的33%、23%和44%。采空區(qū)瓦斯涌出是3上219工作面的主要瓦斯涌出源，是該工作面瓦斯防治的重點(diǎn)區(qū)域。由于3上219工作面后部采空區(qū)和鄰側(cè)的3上216采空區(qū)存在大量遺煤，具有很大的自然發(fā)火危險(xiǎn)性。該工作面存在瓦斯與自然發(fā)火的雙重災(zāi)害威脅，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

為此，根據(jù)該工作面的瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害的實(shí)際情況，在自然發(fā)火的防治方面，以預(yù)防為主，在自然發(fā)火監(jiān)測(cè)的同時(shí)，全面做好采空區(qū)惰化處理，盡可能避免采用注氮等對(duì)采空區(qū)氣壓影響較大的治理措施，以防發(fā)生瓦斯涌出異常；在瓦斯治理方面，以瓦斯抽放為主，用高位鉆孔取代工作面后部采空區(qū)抽放，瓦斯抽放期間的參數(shù)設(shè)置、時(shí)間安排兼顧工作面與采空區(qū)間的漏風(fēng)、采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性等情況，盡可能避免瓦斯治理對(duì)工作面自然發(fā)火防治的負(fù)面影響。

2　自然發(fā)火防治技術(shù)方案

2.1 采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)

為全面掌握3上219后部采空區(qū)及其鄰側(cè)的3上216采空區(qū)的自然發(fā)火情況，采用監(jiān)測(cè)鉆孔與束管監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)方案在3上219運(yùn)輸巷向3上216采空區(qū)施工監(jiān)測(cè)鉆孔，鉆孔間距50 m，距巷道底板高度1.5 m，同時(shí)在3上219工作面的運(yùn)輸巷、材料巷及工作面設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)1#～4#，4個(gè)孔的位置見圖1，每個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布置溫度傳感器和取氣束管各一路。每天安排專人記錄各監(jiān)測(cè)鉆孔和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度并采集氣樣，采用氣相色譜分析儀對(duì)所取氣樣進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注CO和C2H4氣體的濃度情況。隨著工作面推進(jìn)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面100 m后，在原位置重新布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

圖1　自然發(fā)火監(jiān)測(cè)方案布置

2.2 采空區(qū)注漿、噴灑阻化劑

在3上219工作面的運(yùn)輸巷、材料巷和工作面中部布置注漿管路，在注漿管路進(jìn)入采空區(qū)20 m后開始注漿，注漿管路隨工作面推進(jìn)而前移。采用粉煤灰作為主要注漿材料，水灰比為2∶1，并配以6%～8%的阻化劑，每天連續(xù)注漿4 h以上。注入采空區(qū)的漿體可包裹在遺煤的表面，將其與氧氣隔絕，延緩其氧化速度，同時(shí)漿體的水分蒸發(fā)可以吸收大量的采空區(qū)熱量，減少采空區(qū)的熱量積聚。為防止注漿盲區(qū)發(fā)生自然發(fā)火危險(xiǎn)，每天向后部采空區(qū)噴灑阻化劑（水中配以10%的阻化劑），從而可起到全面惰化采空區(qū)的目的。

2.3 其他技術(shù)措施

（1）在3上219運(yùn)輸巷、材料巷施工鉆孔對(duì)煤體進(jìn)行注水，水中配以5%的阻化劑，注水鉆孔間距20 m，長(zhǎng)度70 m，兩側(cè)鉆孔間隔布置，在超前工作面100 m的卸壓區(qū)范圍內(nèi)注水，注水壓力設(shè)定為15 MPa，每天連續(xù)注水4 h以上，起到超前惰化煤體的作用。

（2）在3上219運(yùn)輸巷向鄰側(cè)采空區(qū)的隔離煤柱噴涂堵漏風(fēng)材料馬麗散，噴層厚度30 mm以上，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)3上219工作面的漏風(fēng)監(jiān)測(cè)，對(duì)主要的漏風(fēng)源區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)噴涂。

（3）當(dāng)3上216采空區(qū)監(jiān)測(cè)鉆孔的CO濃度和溫度持續(xù)升高，或者出現(xiàn)C2H4氣體時(shí)，說明3上216采空區(qū)已經(jīng)發(fā)生煤炭自燃，此時(shí)通過監(jiān)測(cè)鉆孔向3上216采空區(qū)進(jìn)行間歇性注氮，要確保注入采空區(qū)的氮?dú)鉂舛仍?7%以上。

3　瓦斯治理技術(shù)方案

3.1 鄰近采空區(qū)瓦斯抽放

由于3上219工作面鄰近的3上216采空區(qū)瓦斯含量高，大量瓦斯會(huì)隨漏風(fēng)進(jìn)入3上219工作面，通過降低3上216采空區(qū)的瓦斯?jié)舛瓤捎行p少其向3上219工作面的瓦斯涌入。根據(jù)工作面實(shí)際情況，通過在3上219運(yùn)輸巷向3上216采空區(qū)施工平行鉆孔，利用該礦的214瓦斯抽放泵站對(duì)3上216采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽放，自工作面切眼向外依次布置鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，鉆場(chǎng)間距20 m。鉆孔的具體布置如圖2所示。

圖2　鄰近采空區(qū)瓦斯抽放鉆孔布置

鉆孔長(zhǎng)度為5 m，采用?127 mm鉆頭開孔，?108 mm鋼管和花管封孔，封孔長(zhǎng)度不小于1 m。選用2BE1－303－0型水環(huán)式真空泵配以110 k W電機(jī)進(jìn)行瓦斯抽放，瓦斯抽排管路選用?219 mm聚乙烯管。管路具體敷設(shè)路線為:3上219運(yùn)輸巷道鉆場(chǎng)→3上219運(yùn)輸巷道→3上219運(yùn)輸巷道聯(lián)巷→214泵站→東二輔采煤倉(cāng)聯(lián)巷→東二輔助回風(fēng)巷。

首先利用1#鉆場(chǎng)對(duì)3上216采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽放，在1#鉆場(chǎng)距工作面不足5 m時(shí)啟用2#鉆場(chǎng)進(jìn)行抽放，以此類推。鄰近采空區(qū)抽放效果考察情況見表1，由表1可知，在3上216采空區(qū)瓦斯抽放期間，抽放流量達(dá)26～32 m3/min，抽放純量為4.4～4.7 m3/ min，對(duì)鄰近采空區(qū)的抽放效果顯著。

表1　鄰近采空區(qū)抽放效果

3.2 高位鉆孔瓦斯抽放

高位鉆孔是在工作面巷道向煤層頂板裂隙帶施工的鉆孔，在工作面推進(jìn)前后，裂隙帶巖層壓實(shí)之前進(jìn)行瓦斯抽放，可將冒落帶和裂隙帶內(nèi)積聚的瓦斯抽出，以減少采空區(qū)向工作面的瓦斯涌出；并且可在工作面后部采空區(qū)形成一個(gè)低壓區(qū)，改變采空區(qū)瓦斯的原始運(yùn)移方向，有效減少回風(fēng)隅角的瓦斯涌出與積聚。

3上219工作面的高位鉆孔布置于材料巷，共布置有11個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為50 m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔，具體布置如圖3所示。鉆孔終孔與材料巷水平間距控制在5～23 m范圍，距頂板高度控制在15～25 m范圍。鉆孔采用127 mm鉆頭開孔，108 mm巖芯管封孔，終孔直徑約94 mm。瓦斯抽放選用2BE1－253－0型水環(huán)式真空泵配75 k W電機(jī)，抽排管路采用?159 mm聚乙烯管。管路具體敷設(shè)路線為:3上219材料巷鉆場(chǎng)→3上219材料巷→3上219材料巷泵站硐室（泵站）→3上219材料巷→東二輔助回風(fēng)巷→3上219瓦斯抽放專用釋放巷。

當(dāng)工作面推進(jìn)位置接近鉆孔終孔位置時(shí)，瓦斯?jié)舛群统榉帕棵黠@升高，瓦斯?jié)舛群统榉帕侩S工作面推進(jìn)依次經(jīng)歷緩慢增加階段、穩(wěn)定階段和衰減階段3個(gè)階段。在高位鉆孔抽放期間，抽放流量比較穩(wěn)定，抽放瓦斯?jié)舛然揪S持在10%左右，抽放效果非常明顯。

圖3　高位鉆孔布置示意圖

4　瓦斯與自然發(fā)火耦合防治的關(guān)鍵

（1）嚴(yán)格控制瓦斯抽放負(fù)壓和流量，并及時(shí)根據(jù)3上219工作面的自然發(fā)火、漏風(fēng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)抽放負(fù)壓和流量進(jìn)行調(diào)整。在確?？山鉀Q工作面瓦斯問題的前提下，可通過適當(dāng)縮短單次抽放時(shí)間、抽放負(fù)壓、減少抽放次數(shù)等方法將瓦斯抽放對(duì)工作面自然發(fā)火防治的負(fù)面影響降到最低。

（2）當(dāng)3上216采空區(qū)存在自然發(fā)火隱患時(shí)，應(yīng)立即停止瓦斯抽放，并通過監(jiān)測(cè)鉆孔向采空區(qū)間歇性注入氮?dú)?，但是注氮壓力不可太大，單次注入量也不可太多，?dāng)確保采空區(qū)無自然發(fā)火隱患時(shí)，方可重新開始瓦斯抽放。

（3）要對(duì)工作面的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，特別是通風(fēng)負(fù)壓和風(fēng)量，必要時(shí)可采用開區(qū)均壓通風(fēng)，盡可能利用通風(fēng)在瓦斯治理中的作用，增大風(fēng)排瓦斯量，同時(shí)要減少工作面與采空區(qū)間的漏風(fēng)量，以防給自然發(fā)火防治工作帶來壓力。

5　結(jié)論

（1）瓦斯與自然發(fā)火共生災(zāi)害已成為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害模式，兩者的治理工作應(yīng)結(jié)合考慮，既要避免顧此失彼，同時(shí)要將兩者之間的相互影響降到最低。

（2）3上219工作面自然發(fā)火的防治采用了預(yù)防為主的思路，采用了采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)、采空區(qū)注漿、采空區(qū)噴灑阻化劑、工作面煤體超前惰化、鄰側(cè)采空區(qū)堵漏風(fēng)等技術(shù)措施，有效防止了自然發(fā)火事故的發(fā)生。

（3）鄰近采空區(qū)瓦斯抽放和高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)在3上219工作面的應(yīng)用取得了顯著的瓦斯抽放效果，同時(shí)結(jié)合自然發(fā)火的防治情況確定瓦斯抽放參數(shù)設(shè)置、抽放時(shí)間的選擇，有效避免了瓦斯抽放對(duì)工作面自然發(fā)火防治的影響，確保了工作面的安全生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯 張艷華）

The technology of coupled prevention and control of gas and fire for long wall top coal caving half isolated island working face of thick and prone to spontaneous combustion coal seam

Wu Lei，Bai Yongmeng
（Zaozhuang Vocational College of Science& Technology，Tengzhou，Shandong 277500，China）

AbstractAiming at the issues that the countermeasures of gas and fire prevention and control interfered with each other and had great impact and cared for this and lose that，and combining with the actual situations of No.219 half isolated island working face of 3 up coal seam，the prevention first idea of coal spontaneous combustion prevention and control was determined，the key countermeasures，which were monitoring the goaf gas，prevention slurry injection and retarder spraying in the goaf，advanced inerting of working face coal，air leakage blocking of adjacent goaf，were adopted，on that basis，the gas control countermeasures that were gas drainage from the adjacent goaf and high level boreholes were employed and the parameters and time of gas drainage optimized and adjusted in time according to the goaf situations of coal spontaneous combustion，which effectively prevented the occurrence of gas and fire hazards during the working face mining and ensured the safety production.

Key wordsthick and prone to spontaneous combustion coal seam，half isolated island working face，coal spontaneous combustion，gas drainage

中圖分類號(hào)TD712.6 TD752.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介：吳磊（1980－），男，山東曲阜人，講師，研究生學(xué)歷，現(xiàn)任棗莊科技職業(yè)學(xué)院采礦工程專業(yè)教師。主要從事煤礦開采技術(shù)方面的教學(xué)和科研工作。