綜放工作面上覆采空區(qū)自然發(fā)火防治技術(shù)

力尚全

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 通風(fēng)處，山西 大同 037000）

礦井因內(nèi)火災(zāi)是指由于煤炭或其他易燃物自身氧化積熱，發(fā)生燃燒引起的火災(zāi)，是礦井火災(zāi)防治的重點(diǎn)。因?yàn)樽匀蓟馂?zāi)不僅發(fā)生次數(shù)居多，而且它的火源較隱蔽，常發(fā)生在人們難以進(jìn)入或不能進(jìn)入的采空區(qū)或煤柱內(nèi)，致使滅火難度加大，很難在短時(shí)間內(nèi)撲滅，以致有的自燃火災(zāi)持續(xù)數(shù)月、數(shù)年之久，甚至更長(zhǎng)時(shí)間，這不僅嚴(yán)重危及人身安全，而且導(dǎo)致大量煤炭資源損失。

防治煤炭自燃的技術(shù)措施很多，合理的開(kāi)拓系統(tǒng)與采煤方法對(duì)于防止煤炭自燃起著決定性的作用。選擇合理的通風(fēng)系統(tǒng)，減少采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)于預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火極為重要。通過(guò)預(yù)防性灌漿、阻化劑、均壓、凝膠、注惰氣均可有效防止煤炭自然發(fā)火。

1 工作面概況

小峪煤礦5#煤層402盤(pán)區(qū)8206工作面，工作面走向長(zhǎng)度1980 m，傾向長(zhǎng)度144.7 m，煤層平均厚度9.5 m，與上覆3#層采空區(qū)間距10 m。2016年底圈出，為綜采一隊(duì)備用工作面。

2017年7月20日夜班6點(diǎn)切巷內(nèi)發(fā)現(xiàn)CO濃度達(dá)21 PPm。經(jīng)瓦斯員排查，5206巷切巷低洼處補(bǔ)打的探放水鉆孔，有CO大量涌出，經(jīng)測(cè)定濃度達(dá)3700 PPm。7月21日早班在該處向上覆采空區(qū)施工垂直探放鉆孔，鉆孔施工在3.5 m后，經(jīng)檢查孔內(nèi)氣體和溫度均未發(fā)生變化，鉆孔施工過(guò)6 m，遇5#煤層巖石頂板，現(xiàn)場(chǎng)用比長(zhǎng)式測(cè)定管檢查CO濃度為2700 PPm，孔內(nèi)溫度為21℃，伴有少量青煙；9.2 m后探通，探通后孔內(nèi)有大量煙霧溢出，經(jīng)取樣化驗(yàn)分析，采空區(qū)氣體CO濃度為1559 PPm，O2濃度為8.8%，CH4濃度為1.6%，C2H4濃度為295 PPm?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定孔內(nèi)溫度達(dá)到42℃～280℃。確定該工作面上覆采空區(qū)存在自然發(fā)火現(xiàn)象。

2 自然發(fā)火原因分析

對(duì)8206面地表東道溝西山坡（蘆子溝礦界）原東Ⅳ盤(pán)區(qū)2013年采后形成的舊裂縫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)排查，目前距離8206面切眼50～250 m之間共有三條寬0.4 m，長(zhǎng)150 m，平均深度2～3 m的地表裂縫。該區(qū)域均為山體巖石層無(wú)充填黃土，原充填的零星碎石及草坪效果不佳，存在進(jìn)風(fēng)現(xiàn)象。8206工作面地表存在裂隙，因工作面切眼附近位于山脊和山坡，地表為裸露的粗砂巖，無(wú)黃土覆蓋層。裂縫充填施工困難，前期只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的人工填埋，經(jīng)雨水沖刷后裂縫依然暴露，客觀上為采空區(qū)漏風(fēng)提供了進(jìn)風(fēng)通道。8206工作面于2016年1月30日圈出，工作面閑置時(shí)間已有一年零六個(gè)月，時(shí)間較長(zhǎng)，煤體出現(xiàn)離層裂隙，形成了地表→地表裂隙→3#煤層采空區(qū)→5#煤層裂隙→8206工作面開(kāi)切眼風(fēng)流的漏風(fēng)通道，在長(zhǎng)達(dá)1年多的緩慢氧化中，使開(kāi)切眼上部3號(hào)煤層采空區(qū)浮煤氧化自然發(fā)火。

8206工作面開(kāi)切眼上覆3#煤層采空區(qū)高溫火點(diǎn)面積較大，工作面推進(jìn)后，開(kāi)切眼垮落，開(kāi)切眼上部3#煤層采空區(qū)將大量漏風(fēng)，使采空區(qū)高溫煤炭很快復(fù)燃，由于3#煤層采空區(qū)瓦斯?jié)舛容^大，火與瓦斯并存，因此工作面推進(jìn)后存在較大的隱患。通過(guò)鉆孔數(shù)據(jù)可知，3#煤層采空區(qū)氧濃度較高，很多鉆孔的氧濃度均在18%左右，因此在8206工作面開(kāi)采過(guò)程中，3#煤層采空區(qū)高溫火點(diǎn)很可能向前發(fā)展，對(duì)3#煤層采空區(qū)必須堅(jiān)持長(zhǎng)期防滅火，以確保工作面安全開(kāi)采。

3 自然發(fā)火治理技術(shù)

由于工作面開(kāi)切眼上部3#煤層采空區(qū)火源點(diǎn)不祥，加上采空區(qū)已被壓實(shí)，因此盡管目前從開(kāi)切眼向上覆3#煤層采空區(qū)打了60多個(gè)鉆孔注粉煤灰，但還是有部份高溫煤炭無(wú)法覆蓋到漿水，通過(guò)打鉆注粉煤灰要想將全部高溫火點(diǎn)撲滅難度太大。因此，采取惰化3#煤層采空區(qū)高溫區(qū)域的方法，使高溫火點(diǎn)長(zhǎng)期缺氧窒息，從而保障工作面的安全推進(jìn)。在工作面未推進(jìn)時(shí)保持高溫火點(diǎn)的惰化比較容易，工作面推進(jìn)后，當(dāng)上部采空區(qū)大量漏風(fēng)后，須保持上部3#煤層采空區(qū)的繼續(xù)惰化。

準(zhǔn)確判斷自然發(fā)火原因及范圍，針對(duì)自然發(fā)火的根本原因及時(shí)封堵漏風(fēng)通道，通過(guò)地面充填與井下封堵同步進(jìn)行，最大程度將采空區(qū)供風(fēng)條件消除，確保采空區(qū)內(nèi)以最快速度達(dá)到惰化效果，同時(shí)結(jié)合注氮系統(tǒng)。主動(dòng)治理手段以地面打鉆孔注液態(tài)CO2對(duì)采空區(qū)進(jìn)行惰化為根本性治理措施，同時(shí)優(yōu)化采煤工藝，減少工作面與上部采空區(qū)的頂板裂隙，減少治理過(guò)程中工作面生產(chǎn)出的新發(fā)育裂縫，為治理工程和推進(jìn)工作提供了安全條件，為工作面實(shí)施下一步的開(kāi)采工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總體方案為：調(diào)整采煤工藝、地面封漏風(fēng)、優(yōu)化工作面通風(fēng)、加大注氮流量、地面打鉆注CO2、工作面端頭封堵漏風(fēng)。具體措施如下：

3.1 調(diào)整采煤工藝

（1）延緩開(kāi)切眼頂板垮落距離。由于工作面推進(jìn)35 m后，支架后部形成采空區(qū)注氮?dú)獠庞行?，因此如果開(kāi)切眼上隅角頂板在工作面剛開(kāi)始推進(jìn)時(shí)就垮落，在此處向上覆采空區(qū)打的鉆孔也很多要垮落，這樣開(kāi)切眼將無(wú)有效的注氮地點(diǎn)，為此，必須延長(zhǎng)開(kāi)切眼垮落的距離，其方法為：用木垛支護(hù)開(kāi)切眼上隅角頂板。在開(kāi)切眼上隅角構(gòu)筑2～3個(gè)木垛，支護(hù)上處頂板，盡量將開(kāi)切眼上隅角頂板支護(hù)到工作面推進(jìn)35 m后才垮落。如果時(shí)間允許，還可將開(kāi)切眼上隅角進(jìn)行噴漿，加固此處頂板，并減少工作面開(kāi)切眼風(fēng)流漏入上部3#煤層采空區(qū)。

（2）工作面推進(jìn)100 m不放煤。工作面推進(jìn)的100 m不放煤，不僅可以延長(zhǎng)開(kāi)切眼上隅角頂板垮落的距離，還可以在支架后部形成一道煤墻，減少采空區(qū)的漏風(fēng)，從而減少上部3#煤層采空區(qū)的漏風(fēng)。

3.2 地面堵漏風(fēng)

8206工作面地表存在裂隙，因工作面切眼附近位于山脊和山坡，地表為裸露的粗砂巖，無(wú)黃土覆蓋層。裂縫充填施工困難，前期只是進(jìn)行了簡(jiǎn)單的人工填埋，經(jīng)雨水沖刷后裂縫依然暴露，客觀上為采空區(qū)漏風(fēng)提供了進(jìn)風(fēng)通道。為了減少地表向井下3#煤層采空區(qū)漏風(fēng)，在工作面推進(jìn)期間，必須繼續(xù)對(duì)地面裂隙進(jìn)行充填堵漏，其方法為：對(duì)于小的裂隙，人工用黃土充填，大的塌陷坑，使用挖掘機(jī)進(jìn)行充填。用煙霧管檢查充填的效果，如果煙霧向裂隙里面擴(kuò)散，則證明此裂隙還繼續(xù)向采空區(qū)漏風(fēng)，如果煙霧不向裂隙里面擴(kuò)散，證明此裂隙已經(jīng)充填好。裂隙充填好后，用黃土覆蓋裂隙，其厚度為1～2 m。

3.3 合理工作面配風(fēng)

8206工作面在安裝支架期間的風(fēng)量為1300m3/min，工作面推進(jìn)后將增加到2300 m3/min，這樣大的風(fēng)量，將增加采空區(qū)的漏風(fēng)，使開(kāi)切眼上部采空區(qū)高溫點(diǎn)易復(fù)燃，為了減少采空區(qū)的漏風(fēng)，在工作面推進(jìn)的前100 m，工作面風(fēng)量減少為1500 m3/min。工作面風(fēng)量減少后，為了防止工作面瓦斯超限，應(yīng)加強(qiáng)工作面頂板瓦斯巷的瓦斯抽放，并在上隅角前的支架掛風(fēng)簾，將風(fēng)流導(dǎo)入回風(fēng)隅角，同時(shí)進(jìn)行工作面上下端頭封堵。

3.4 優(yōu)化采空區(qū)注氮技術(shù)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，火區(qū)中明火在O2含量為3%時(shí)仍能陰燃，故注入火區(qū)中的氮?dú)饧兌葢?yīng)高，根據(jù)變壓吸附制氮機(jī)不能制取高純度氮?dú)獾奶攸c(diǎn)，將滅火氮?dú)饧兌榷椤?8.5%。

工作面防火所需注氮流量取為2800 m3/h，局部阻力損失取為管內(nèi)阻力損失的20%，為28841 Pa，氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)所需壓力200000 Pa，因此制氮機(jī)所需壓力為373048 Pa，所選制氮機(jī)的壓力為0.6MPa，能滿足輸送氮?dú)獾囊蟆５V井輸?shù)苈分鞴苤睆綖棣?50 mm，順槽支管為進(jìn)、回風(fēng)順槽各一趟Φ108mm的無(wú)鏠鋼管，兩趟管路同時(shí)聯(lián)接鉆孔向3#煤層采空區(qū)注氮。

工作面推進(jìn)35 m前向上覆采空區(qū)打孔注氮，工作面推進(jìn)前采用開(kāi)切眼鉆孔注氮，同時(shí)注氮鉆孔為5個(gè)， 即4-1#鉆孔、5-4#鉆孔、1-3#鉆孔、1-2#鉆孔和3-1#鉆孔。根據(jù)鉆孔氣樣進(jìn)行調(diào)整。

工作面推進(jìn)35 m后，工作面的采空區(qū)基本形成，其注氮方法為：

（1）鉆孔注氮。在工作面推進(jìn)前、推進(jìn)時(shí)和推進(jìn)35 m后，5個(gè)鉆孔一直連續(xù)注氮，一直注到工作面推進(jìn)100 m后才停止鉆孔注氮。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，鉆孔可能垮塌，但垮塌后管路注入的氮?dú)馊栽陂_(kāi)切眼一帶，由于氮?dú)獗瓤諝廨p，向上擴(kuò)散，仍對(duì)惰化3#煤層采空區(qū)高溫點(diǎn)起作用。

（2）埋管注氮。工作面采空區(qū)形成后，采空區(qū)的漏風(fēng)均可能擴(kuò)散到上覆3#煤層采空區(qū)，因此必須在采空區(qū)埋管注氮，降低氧化帶的氧濃度，使擴(kuò)散到上覆采空區(qū)的氣體為低濃度的混合氣體，保持3#煤層采空區(qū)的繼續(xù)惰化，其方法為：在工作面進(jìn)風(fēng)順槽埋設(shè)Φ104mm的無(wú)縫鋼管兩趟，隨著工作面的推進(jìn)，鋼管被埋入采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，兩趟管路交替注氮，每隔一定距離卡斷一趟管路，讓采空區(qū)氧化帶永遠(yuǎn)有一趟管路埋入。這種方式雖然浪費(fèi)大量的管材，但能將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)的深部，適合于工作面風(fēng)量大、采空區(qū)冷卻帶寬或采空區(qū)涌水較大的工作面，本工作面風(fēng)量較大，故將注氮防火方法選為采空區(qū)埋管注氮。為了防止采空區(qū)的積水涌入埋管，將埋管出口端做成45°的彎頭，氮?dú)獬隹诙烁哂诓煽諈^(qū)底板0.5 m（見(jiàn)圖1）。

埋管注氮時(shí)，必須保證采空區(qū)內(nèi)35～90 m范圍一直有注氮埋管，保證將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)氧化帶，埋管步距為35 m，當(dāng)?shù)谝桓窆苓M(jìn)入采空區(qū)35 m時(shí)，應(yīng)即時(shí)埋入另一趟注氮管。埋管進(jìn)入采空區(qū)90 m后應(yīng)斷掉這趟管路，換成剛進(jìn)入采空區(qū)35 m的埋管注氮，這樣在采空區(qū)的70～90 m實(shí)際上有兩趟埋管共同注氮。

3.5 地面鉆孔注液態(tài)CO2

圖1 采空區(qū)注氮

CO2氣體具有較高的密度，在常壓下，液態(tài)的CO2會(huì)立即汽化，一般1 kg的液態(tài)CO2可產(chǎn)生約0.5m3的氣體。滅火時(shí)，CO2氣體可以排除包圍在燃燒物體的表面空氣，降低可燃物周?chē)蚍雷o(hù)空間內(nèi)的氧濃度，產(chǎn)生窒息作用而滅火。CO2滅火作用主要是增加空氣中不燃燒、不助燃的惰性氣體成分，使空氣中的氧氣含量減少。實(shí)驗(yàn)表明：燃燒區(qū)域空氣中氧氣的濃度小于等于7%，CO2的濃度為40%～45%時(shí)，絕大多數(shù)的燃燒都會(huì)熄滅。

在單一使用井下注氮系統(tǒng)不能達(dá)到有效的惰化效果，且氮?dú)饬髁渴芟?，注氮位置不能達(dá)到自然發(fā)火點(diǎn)時(shí)，結(jié)合地面注液態(tài)CO2氣體進(jìn)行目標(biāo)惰化。

地面鉆孔準(zhǔn)確打入8206工作面開(kāi)切眼回風(fēng)隅角冒煙地點(diǎn)的上覆3#煤層采空區(qū)內(nèi)，并下Φ108 mm套管到孔底，鉆孔聯(lián)接管路設(shè)置Φ108 mm閥門(mén)。

注液態(tài)CO2的時(shí)間為2017年9月15日10時(shí)～9月19日10時(shí)。為了防止大量CO2氣體涌入工作面，因此將注CO2的流量定為1.5 t/h，可汽化為流量為900 m3/h的氣體CO2。每天注液體CO2一車(chē)，注CO2的時(shí)間定為4天。注液態(tài)CO2工藝見(jiàn)圖2。

4 治理效果分析

圖2 地面向井下火區(qū)注液態(tài)CO2工藝

經(jīng)過(guò)綜合治理后，通過(guò)觀測(cè)通上采空區(qū)1-1#觀察孔、1-2#等8個(gè)觀察孔及工作面巷道中CO氣體濃度大幅下降，上覆采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度均低于3%，高溫點(diǎn)區(qū)域溫度也逐漸下降。說(shuō)明上覆火區(qū)已經(jīng)得到有效治理。氣體情況見(jiàn)表1。

表1 各觀測(cè)點(diǎn)相關(guān)氣體情況

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)合理開(kāi)采工藝，控制頂板狀態(tài)，同時(shí)結(jié)合目標(biāo)注氮，最后利用地面注液態(tài)CO2根本性的消除發(fā)火點(diǎn)，最后消除自然發(fā)火隱患，確保開(kāi)采工作面安全，是一次成功的綜采工作面采空區(qū)自然發(fā)火的綜合性治理案例。

2）由于CO2氣體比重相對(duì)空氣大，通過(guò)向火區(qū)注入CO2氣體，可以排除包圍在燃燒物體的表面空氣，降低可燃物周?chē)蚍雷o(hù)空間內(nèi)的氧濃度，惰化火區(qū)，加速自燃煤炭的熄滅。