高瓦斯不易自燃煤層綜采面采空區(qū)高溫隱患治理技術(shù)

鄧林峰

(中國中煤能源集團有限公司,北京 100020)

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

黃巖匯煤礦位于山西沁水煤田東北部,核定生產(chǎn)能力90萬t/a,主采石炭系上統(tǒng)太原組15#煤層(無煙煤),為煤與瓦斯突出、不易自燃煤層。15113工作面位于礦井一采區(qū)南部,東部為15111工作面采空區(qū),西部為未采區(qū),北部為大巷保護煤柱,南部為井田邊界與村莊保護煤柱。工作面走向長度2 200 m,傾斜長度230 m,煤層平均厚度5.2 m,煤層傾角2°～8°,煤層原始瓦斯含量5.32 m3/t。采用走向長壁一次采全高綜采工藝,完全垮落法管理頂板,布置133個寬度1.75 m的綜采支架;采用U型通風(fēng)方式,頂板高抽巷、順層鉆孔等瓦斯抽采方法。工作面絕對瓦斯涌出量98 m3/min,相對瓦斯涌出量30 m3/t,正常生產(chǎn)期間配風(fēng)量2 300 m3/min。

1.2 采空區(qū)高溫隱患概況

2021年4月上旬工作面推進約1 560 m時遇多個斷層,導(dǎo)致工作面推進緩慢。4月11日至19日工作面受“4.10”新疆豐源煤礦事故影響停產(chǎn)。4月29日工作面推進約1 580 m時,又受鐵路壓煤影響停產(chǎn),當(dāng)天工作面高抽巷傳感器首次檢測出CO氣體,體積分?jǐn)?shù)為1×10-6～3×10-6,采取噴灑阻化劑、投放干冰、打設(shè)擋風(fēng)墻、灌注凝膠劑等措施后,CO體積分?jǐn)?shù)維持在5×10-6～6×10-6。5月24日工作面開始準(zhǔn)備回撤作業(yè)。7月8日工作面進行撤架前通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整,風(fēng)量降為1 100 m3/min,風(fēng)流反向。7月11日13時高抽巷CO體積分?jǐn)?shù)突然逐步上升,至7月13日CO體積分?jǐn)?shù)最大達到1×10-3。同時工作面回風(fēng)隅角檢測CO體積分?jǐn)?shù)最大達到6.5×10-5,回風(fēng)流檢測CO體積分?jǐn)?shù)最大達到9×10-5;工作面104#—130#支架架間取樣檢測CO體積分?jǐn)?shù)最大達到6×10-4,架后5 m、15 m采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)最大均達到5×10-3。

CO異常升高后,初步推斷工作面靠軌道順槽側(cè)采空區(qū)松散煤體存在氧化自熱高溫點,于是在軌道順槽內(nèi)和支架架間,利用管路、鉆孔等向采空區(qū)丟煤帶大量灌注液態(tài)CO2和凝膠劑,但效果不明顯。高抽巷、回風(fēng)隅角、回風(fēng)流CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升，并出現(xiàn)微量乙烯氣體。7月15日決定對工作面進行封閉。為避免采空區(qū)瓦斯參與燃燒,加劇工作面火勢,決定暫時保留高抽巷抽采。

2 高溫隱患情況分析

2.1 形成原因分析

1)蓄熱環(huán)境良好。工作面末采至距停采線20～25 m范圍內(nèi)，靠軌道順槽側(cè)104#—130#支架附近遇多個高差2～3 m的斷層,過斷層影響地質(zhì)異常區(qū)沿頂回采時,斷層位置大量頂煤遺留至采空區(qū),最大厚度達4.2 m,范圍達45 m,形成良好的熱量積聚環(huán)境。

2)供氧條件充分。工作面U型通風(fēng)、高抽巷大流量抽采為遺煤氧化提供了漏風(fēng)供氧動力支持,特別是工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后,新鮮風(fēng)流直接從軌道順槽進風(fēng)隅角及斷層帶附近煤體破碎區(qū)大量漏入采空區(qū),為遺煤氧化提供了連續(xù)充足的供氧條件。

3)氧化時間充足。工作面末采期間受斷層構(gòu)造、國內(nèi)煤礦安全事故、鐵路專線壓煤等綜合因素影響,導(dǎo)致推進受阻(僅推進不到30 m)、停產(chǎn)時間長(3個月內(nèi)兩次停產(chǎn)近60 d),為遺煤氧化提供了充足的蓄熱時間。遺煤長期氧化自熱,出現(xiàn)CO異常。

2.2 高溫情況分析

工作面調(diào)風(fēng)前高抽巷、回風(fēng)流、回風(fēng)隅角已持續(xù)檢測到CO氣體,根據(jù)煤的氧化自熱特點、工作面推進速度、采空區(qū)丟煤情況、采空區(qū)漏風(fēng)供氧環(huán)境、標(biāo)志性氣體檢測結(jié)果,以及初步處理措施效果等因素的綜合分析,104#—130#支架后25 m附近是采空區(qū)遺煤氧化自熱發(fā)火位置且氧化自熱點時間較久。結(jié)合現(xiàn)場打鉆測溫,以及15#煤層氧化自熱特性參數(shù)等推斷,采空區(qū)遺煤氧化自熱高溫點最高煤溫在150℃～200℃之間。工作面封閉前檢測出C2H4氣體,表明氧化自熱即將發(fā)展到明火階段。

2.3 治理難點分析

黃巖匯煤礦15#煤層自然發(fā)火實驗測試結(jié)果顯示,煤樣臨界溫度在80℃左右時,5%～7%的供氧濃度就可以維持煤的氧化作用,煤溫依然有上升趨勢;溫度在150℃以上時,3%～5%的供氧濃度,不到一天時間就可能會出現(xiàn)明火。工作面前期采取的防滅火技術(shù),以及主動封閉工作面的措施安全合理,但工作面架后松散煤體遺煤量大、斷層影響范圍廣、自熱過程發(fā)展期較長、局部高位氧化煤體周圍煤巖體溫度較高、蓄熱量大,存在降氧控制難度大、窒息滅火周期長、易反復(fù)自熱等難點。另外,工作面瓦斯涌出量大,封閉采空區(qū)容易造成瓦斯積聚,還存在引發(fā)次生事故的危險[1-2]。

3 高溫隱患治理方案及效果

15113工作面采空區(qū)出現(xiàn)高溫隱患后,先是考慮在具備近距離治理的條件下,從“降氧、降溫、隔離”三方面著手,采取井下灌注液態(tài)CO2惰化降溫、鉆孔注凝膠充填隔離、降低工作面風(fēng)量等手段,在工作面附近進行治理工作。工作面出現(xiàn)C2H4氣體后,考慮到遺煤氧化自熱升溫速度急劇加快,又重新確定了“先封閉、再治理、后啟封”的總體思路,采取以降溫為主的防滅火技術(shù)手段,從地面向封閉區(qū)立體式灌注液態(tài)CO2以控制和治理高溫隱患區(qū)[3-4]。

3.1 工作面封閉前

1)井下注液態(tài)CO2惰化降溫。液態(tài)CO2是近年來新型高效防滅火技術(shù),1 t液態(tài)CO2體積可膨脹至640 m3且不含氧氣,滅火時可迅速擠占氧氣空間、降低氧氣濃度、吸收大量熱量,對火區(qū)起到快速降氧、降溫、抑爆作用[5-7]。采用礦用移動式液態(tài)CO2罐(容量2 t),在15113軌道順槽距離工作面20 m位置,通過軌道順槽隅角預(yù)留Φ108 mm管路對采空區(qū)壓注液態(tài)CO2;同時在125#—128#支架間施工傾角23°、長度22 m的鉆孔,通過Φ19 mm管路向工作面支架后方壓注液態(tài)CO2,共計注入約20 t。采空區(qū)注液態(tài)CO2管路布置如圖1所示。

圖1 液態(tài)CO2灌注管路布置示意圖Fig.1 Layout of liquid CO2 filling pipeline

2)長短孔注凝膠充填隔離。凝膠劑充填在松散煤體裂隙內(nèi),包裹煤體、團結(jié)水分且不易泄露流失,對煤體起到快速降溫、隔離、阻化作用[8]。采用礦用移動式防滅火注漿裝置,在104#—130#支架架間施工10組20個傾角、長度分別為44°、8 m和28°、18 m的長短鉆孔,通過管路向架后區(qū)域壓注凝膠劑,共計注入約7.5 t。同時向支架間隙、架后三角區(qū),以及進、回風(fēng)隅角處噴灑凝膠劑,共計噴灑約38 t。

3)工作面末采及回撤期間在進、回風(fēng)隅角打設(shè)臨時擋風(fēng)墻。用黃泥對擋風(fēng)墻抹面,噴涂防滅火凝膠,并在墻上覆蓋風(fēng)筒布確保嚴(yán)密不漏風(fēng)。

3.2 工作面封閉時

7月15日工作面封閉,在膠帶順槽、軌道順槽巷口往里頂?shù)装逋旰脜^(qū)域各施工一道厚度1.5 m的永久密閉墻,里墻、外墻使用紅磚、水泥砌筑,中間使用黃土充填嚴(yán)實。墻體與巷道做整體噴漿處理。工作面封閉區(qū)域內(nèi)布置6個束管監(jiān)測點,分別位于軌道順槽密閉墻內(nèi)、板閉內(nèi)、進風(fēng)隅角、進風(fēng)隅角采空區(qū)20 m處,以及127#—128#支架間高位鉆孔和膠順順槽密閉墻內(nèi)。

3.3 工作面封閉后

1)地面注液態(tài)CO2惰化降溫。利用礦井Φ159 mm主壓風(fēng)管路與軌道順槽內(nèi)Φ108 mm壓風(fēng)管路和原預(yù)留埋入采空區(qū)的Φ108 mm管路連接,連通地面罐車(容量24 t)氣化器向井下采空區(qū)持續(xù)灌注液態(tài)CO2,平均灌注流量約1.5 t/h。至2021年8月10日各束管監(jiān)測點CO含量全部歸零,累計灌注液態(tài)CO2近700 t。

2)地面施工鉆孔注液態(tài)CO2。在地面向工作面112#、120#和128#支架后約20～25 m處采空區(qū)位置施工3個孔徑Φ130 mm的鉆孔,終孔位置在15#煤層底板往上20 m冒落帶處,利用鉆孔向孔內(nèi)壓注液態(tài)CO2。至2021年8月10日各束管監(jiān)測點CO含量全部歸零,累計灌注液態(tài)CO2約90 t。

3)逐步降低高抽巷抽采混量,7月20日軌道順槽隅角往里20 m處O2含量降至12%以下后停止高抽巷抽采。

3.4 治理效果分析

1)15113工作面封閉前采取井下注液態(tài)CO2惰化降溫、鉆孔注凝膠充填隔離、降低工作面風(fēng)量等手段近距離治理采空區(qū)高溫隱患,對遺煤快速劇烈氧化起到一定減緩抑制效果,回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷CO體積分?jǐn)?shù)從最高的5.2×10-5和7.3×10-5下降到2.7×10-5和4.1×10-5。但采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)依然保持在1.0×10-3以上、O2體積分?jǐn)?shù)保持在18%以上,相對高溫隱患發(fā)展,井下移動式注液態(tài)CO2灌注量小、工序多、周期長、效果較慢,維持上述治理方法,不能高效消除遺煤氧化產(chǎn)生的熱量,隱患風(fēng)險可能會進一步擴大。

2)15113工作面封閉后從地面管路、鉆孔向采空區(qū)持續(xù)大量的灌注液態(tài)CO2,立體式治理采空區(qū)高溫隱患,灌注量由6 t/d提升到15 t/d以上,6個束管監(jiān)測點檢測封閉區(qū)內(nèi)CO2持續(xù)上升,CO和O2體積分?jǐn)?shù)迅速下降,采空區(qū)遺煤氧化自熱異常區(qū)浮煤氧化升溫得到有效遏制。8月10日封閉區(qū)域內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)全部歸零,CH4體積分?jǐn)?shù)維持在0.5%以下,O2體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在1%左右,無C2H2、C2H4,兩道封閉墻內(nèi)溫度25℃左右與日常溫度相同。

4 結(jié)論

1)不易自燃煤層在具備良好的蓄熱環(huán)境、充分的供氧條件、充足的蓄熱時間的情況下也會引起浮煤自燃,出現(xiàn)自然發(fā)火隱患。應(yīng)提高不易自燃煤層過地質(zhì)構(gòu)造、長時間停產(chǎn)等特殊時期的防滅火要求,制定專項針對性措施。

2)工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整使得采空區(qū)自然氧化“三帶”重新分布,增加了采空區(qū)浮煤自然發(fā)火危險。

3)工作面持續(xù)大量灌注液態(tài)CO2對火區(qū)起到快速降氧、降溫、抑爆作用;同時采取長短孔注凝膠充填隔離的措施,對煤體起到快速降溫、隔離、阻化作用,實現(xiàn)了高溫隱患區(qū)的安全封閉,有效控制了高溫隱患的發(fā)展,防止了自燃火災(zāi)和瓦斯事故的發(fā)生。封閉治理后達到了火區(qū)啟封要求,為礦井安全復(fù)產(chǎn)生產(chǎn)提供了條件。