深部邊遠(yuǎn)采區(qū)綜放工作面俯斜開采煤自燃防控方法

王 昕，郭 英，師 童，王 旭，魏高明，張 超

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.兗州煤業(yè)股份有限公司 鮑店煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著淺部煤炭資源日益枯竭，深部煤層資源開采逐漸成為趨勢，深部邊遠(yuǎn)煤層開采過程中，地應(yīng)力高，地溫高，煤體裂隙發(fā)育[1-3]。采空區(qū)周邊形成漏風(fēng)流壓差，導(dǎo)致其漏風(fēng)量增加，煤自燃危險性增大[4-5]。

近年來，許多學(xué)者針對深部邊遠(yuǎn)采空區(qū)煤自燃規(guī)律、漏風(fēng)規(guī)律及防控措施做了大量研究。鄧軍[6]等提出隨著溫度升高，比熱系數(shù)會提高，通過對比熱系數(shù)、熱物性參數(shù)進(jìn)行不確定計算，為煤自燃防治提供依據(jù)；文虎[7]提出根據(jù)煤自燃危險區(qū)域動靜態(tài)特征，結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)、預(yù)警時序、風(fēng)險等級、監(jiān)測手段等因素，分區(qū)分級、分類分時、協(xié)同適配防控煤自燃災(zāi)害；高宇[8]建立了堵漏、注膠、注惰氣的防滅火措施；馬礪等[9]根據(jù)俯斜開采條件下深井煤自燃危險性，分析確定出危險區(qū)域，提出了針對性強(qiáng)、高效分區(qū)域防滅火系統(tǒng)方法；秦波濤[10]等研發(fā)了三相阻化泡沫、凝膠泡沫、無機(jī)固化泡沫、稠化砂漿等技術(shù)對煤自燃有效防控。但是，針對深部邊遠(yuǎn)采區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重、俯斜開采下防治效率低下、注漿困難等技術(shù)難點(diǎn)，亟需研究適合于深部邊遠(yuǎn)采區(qū)煤自燃防控的方法與技術(shù)。為此，以鮑店煤礦深部采區(qū)7302 工作面為例，通過危險性分析與SF6示蹤法研究采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，提出開切眼旋轉(zhuǎn)、過斷層、停采的自燃預(yù)控方法，對深部邊遠(yuǎn)綜放工作面的采空區(qū)煤自燃災(zāi)害預(yù)測和防控工作具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

7302 綜放工作面位于七采區(qū)3 煤層西翼北部面長為288 m，運(yùn)輸巷長度為1 972 m，回風(fēng)巷長度為2 135 m，平均煤層厚度為9.05 m，工作面煤層走向?yàn)槲鞅备撸瑬|南低，煤層傾角平均8°。工作面內(nèi)發(fā)育了Ⅶ-F3、Ⅶ-F77、Ⅶ-F63、Ⅶ-F764 條斷層，Ⅶ-F3斷層附近煤層傾角變大，最大70°，局部最大丟底煤為3.3 m，Ⅶ-F63斷層與工作面邊界相連，Ⅶ-F76屬于隱蔽斷層，斷層區(qū)域煤體破碎嚴(yán)重，丟煤量大，自燃危險性強(qiáng)。工作面采用綜采放頂采煤法，采高為3.5 m，放煤高度為4.61～6.19 m。該工作面選擇采用“U”型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為1 700 m3/min。7302 工作面平面布置圖如圖1。

圖1 7302 工作面平面布置圖Fig.1 Layout plan of 7302 working face

2 工作面煤自燃危險分析

2.1 煤自燃危險區(qū)域分析

工作面位于深部邊遠(yuǎn)采區(qū)，礦壓大，受礦井沖擊地壓防治的影響，推采速度慢。工作面采用俯斜布置，注漿等措施易流失，難以堵住采空區(qū)漏風(fēng)。相鄰工作面預(yù)留薄煤柱破碎，采空區(qū)漏風(fēng)增加。旋轉(zhuǎn)開采、過斷層及停采期間受推進(jìn)速度和丟煤的影響，自燃危險性增大。

1）旋轉(zhuǎn)開采時期。工作面初采期間為扇形旋轉(zhuǎn)式俯斜開采的方式，以運(yùn)輸巷端頭為圓心推進(jìn)，運(yùn)輸巷與開切眼有126°夾角。工作面上部推采快，下部推采慢，走向30 m 區(qū)域及1#～10#架區(qū)域回采初期不放煤，丟煤量大。推進(jìn)時間長，增加了煤自燃風(fēng)險。

2）過斷層時期。Ⅶ-F3斷層落差大，斷層附近煤體破碎，丟煤量大。為加強(qiáng)頂板管理，工作面過斷層推進(jìn)速度慢。遺煤與氧氣充分接觸，很可能引起煤自燃。Ⅶ-F76是隱蔽斷層，會有大量的漏風(fēng)通道。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：工作面回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)為64×10-6，回風(fēng)流中CO 體積分?jǐn)?shù)為16×10-6，擋風(fēng)簾內(nèi)2 m 區(qū)域CO 體積分?jǐn)?shù)為68×10-6。

3）停采時期。工作面停采前有20 m 范圍不放頂煤，遺煤多，裂隙發(fā)育。末采期間工作面的兩巷端頭存在大量的漏風(fēng)通道，使遺煤與空氣緩慢氧化，煤自燃的危險性增大。工作面停采撤架時間長，停采時期煤自燃防控難。

2.2 工作面漏風(fēng)測定

采用SF6示蹤法對采空區(qū)漏風(fēng)情況進(jìn)行測定[11-13]，通過分析采集氣樣中是否含有示蹤氣體的量來確定漏風(fēng)規(guī)律[14]。同時，依據(jù)氣樣中示蹤氣體出現(xiàn)的時間和體積分?jǐn)?shù)對采空區(qū)的漏風(fēng)量與最小漏風(fēng)速度進(jìn)行計算[15]，其最小漏風(fēng)速度公式如下：

式中：Q 為采空區(qū)漏風(fēng)量，m3/min；υ 為最小漏風(fēng)速度，m/s；A 為工作面斷面面積，m2；VSF6為SF6體積，m3；t 為從釋放示蹤氣體到采集到示蹤氣體氣樣的時間間隔，s；c 為SF6體積分?jǐn)?shù)，10-6；u 為SF6氣體總量，L；K 為漏風(fēng)率；φ1（SF6）為SF6流入的體積分?jǐn)?shù)，10-6；φ2（SF6）為SF6流出的體積分?jǐn)?shù)，10-6。

7302 綜放工作面漏風(fēng)測點(diǎn)布置如圖2。

圖2 7302 綜放工作面漏風(fēng)測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of wind leakage measurement points in 7302 fully mechanized caving face

SF6釋放點(diǎn)設(shè)置在距離7302 工作面下隅角50 m 處進(jìn)風(fēng)巷。1#采樣點(diǎn)位于工作面下隅角處，2#采樣點(diǎn)設(shè)置于距工作面進(jìn)風(fēng)端頭96 m，3#設(shè)置位于距工作面進(jìn)風(fēng)巷192 m，4#位于工作面回風(fēng)隅角，5#設(shè)置在回風(fēng)巷中。測點(diǎn)SF6體積分?jǐn)?shù)分析圖如圖3。

圖3 測點(diǎn)SF6 體積分?jǐn)?shù)分析圖Fig.3 Measurement point SF6 volume fraction analysis chart

由圖2、圖3 可知：①1#采樣點(diǎn)檢測的SF6體積分?jǐn)?shù)在0～3 min 內(nèi)呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，3～20 min 保持在4×10-6以上，20 min 后為0，1#測點(diǎn)SF6體積分?jǐn)?shù)為121.28×10-6，氣體總量為13.10 L；②2#測點(diǎn)SF6體積分?jǐn)?shù)在2～20 min 內(nèi)呈上升趨勢，10 min 內(nèi)保持在2.5×10-6以上，但30 min 后SF6體積分?jǐn)?shù)急劇下降，50 min 后無SF6氣體，0～20 min 中內(nèi)工作面向支架區(qū)域擴(kuò)散導(dǎo)致各測點(diǎn)檢測到較高體積分?jǐn)?shù)SF6，20 min 后SF6體積分?jǐn)?shù)變化為其他漏風(fēng)通道所致，計算出2#測點(diǎn)空隙漏風(fēng)速度為0.667 m/s，在采空區(qū)內(nèi)部通道最小漏風(fēng)速度為0.066 m/s；③3#測點(diǎn)在0～2 min 內(nèi)無示蹤氣體SF6，3～20 min 內(nèi)SF6體積分?jǐn)?shù)持續(xù)上升；20～40 min 保持在2.1×10-6，在40 min 后持續(xù)下降，3#采空區(qū)漏風(fēng)通道最小速度為0.133 m/s；④4#測點(diǎn)在0～3 min 檢測不到SF6氣體，3～20 min 氣體持續(xù)增加，20 min 開始下降，40～90 min 保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，90 min 之后開始呈下降，表明4#存在漏風(fēng)通道；⑤5#測點(diǎn)在0～3 min 檢測不到SF6氣體，3 min 后體積分?jǐn)?shù)開始呈上升趨勢，20 min后保持在0.6×10-6，30 min 后卻呈現(xiàn)下降趨勢，120 min 后檢測不到其氣體。經(jīng)計算5#測點(diǎn)的SF6氣體總量為115.94×10-6。

根據(jù)式（5） 及分析得到工作面的漏風(fēng)率為15.87%。工作面漏風(fēng)方式主要是由工作面向支架后部區(qū)域的擴(kuò)散作用造成漏風(fēng)[16]。通過現(xiàn)場測定及測點(diǎn)漏風(fēng)速率的計算，對7302 綜放工作面采空區(qū)的漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)行分析。漏風(fēng)最為嚴(yán)重的是支架與工作面空隙漏風(fēng)，漏風(fēng)率為15.87%，其他漏風(fēng)影響較小。

3 煤自燃超前防控方法

3.1 旋轉(zhuǎn)開采時期防滅火技術(shù)

7302 綜放工作面初采期間為扇形旋轉(zhuǎn)式推進(jìn)緩慢，煤自燃的可能性大。為了更好監(jiān)測和防治煤自燃，采用束管監(jiān)測預(yù)警為輔，采用重點(diǎn)區(qū)域注膠堵漏、注氮惰化的防控措施。

1）監(jiān)測預(yù)警。在運(yùn)輸巷端頭、20#、40#、60#、80#支架布置氣體檢查測點(diǎn)。采用鎧裝式光纖光柵溫度監(jiān)測系統(tǒng)沿著工作面運(yùn)輸巷（600 m）、工作面回風(fēng)巷（600 m）、開切眼（300 m）支護(hù)墻體布置測點(diǎn)，每隔30 m 設(shè)1 個溫度測點(diǎn)，距地面80 cm，通過對測點(diǎn)溫度的變化掌握采空區(qū)浮煤氧化狀態(tài)。

2）架后區(qū)域注膠。從運(yùn)輸巷端頭至80#支架開始鉆孔，每隔5 個支架施工1 組防滅火鉆孔，通過鉆孔向采空區(qū)壓注防滅火材料，對架后重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)防治理，直至旋轉(zhuǎn)開采調(diào)面結(jié)束，防治煤氧化自燃。

3）開切眼處注氮。開切眼位置在旋轉(zhuǎn)調(diào)面的過程中存在大量的漏風(fēng)，因此，在運(yùn)輸巷側(cè)距開切眼50 m 埋入注氮管路，向采空區(qū)壓注氮?dú)猓档脱鯕獾捏w積分?jǐn)?shù)。

4）噴灑阻化劑。對采空區(qū)存在的遺煤噴灑阻化劑，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)遺煤阻化。

3.2 工作面過斷層時期防滅火技術(shù)

工作面過斷層期間，運(yùn)輸巷側(cè)丟煤量大、煤體破碎嚴(yán)重，為了防止此時期采空區(qū)煤自燃火災(zāi)隱患的發(fā)生，采取以下方法:

1）工作面兩巷隅角每隔20 m 施工1 道風(fēng)筒布包覆的隔離墻，增強(qiáng)堵漏風(fēng)效果。

2）在運(yùn)輸巷采空區(qū)預(yù)埋110 mm 注氮管路，出口處施工小木垛進(jìn)行保護(hù)管路，末端抬高并安設(shè)花管，防止管口堵塞，加注水霧；在運(yùn)輸巷隅角敷設(shè)五芯束管100 m 做好保護(hù)，對采空區(qū)氣體進(jìn)行持續(xù)檢查。

3）對兩巷隅角浮煤壓注高吸水材料，設(shè)置隔離墻，減少漏風(fēng)量，對架后的遺煤進(jìn)行阻化處理，全面覆蓋回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷隅角附近5 個支架。

4）工作面每推進(jìn)40 m 由運(yùn)輸巷向采空區(qū)注氮?dú)舛杌?；過斷層后對兩巷隅角浮煤壓注防滅火劑。

3.3 停采撤面時期的防滅火措施

工作面停采撤面時期通過隅角設(shè)煤垛墻、氣體監(jiān)測、注氮和注膠等對煤自燃危險區(qū)域超前防控：

1）停采前分別在兩巷端頭距終采線30、15、5 m的進(jìn)回風(fēng)隅角各施工1 道3 m 煤垛墻，墻內(nèi)埋設(shè)注氮管路、監(jiān)測束管。

2）調(diào)整好架間距，每3 個架間必須確保有2 個架間留設(shè)間隙能正常施工防滅火鉆孔。

3）停采撤面時，調(diào)整工作面風(fēng)量低至400 m3/min。

4）在兩巷采空區(qū)隔離墻垛內(nèi)留設(shè)注膠管路、監(jiān)測束管，兩端頭及運(yùn)輸巷的隔離墻間累計壓注膠體670 m3；兩巷端頭終采線處各架設(shè)木垛，木垛外施工隔離墻，隔離墻外噴灑厚度為200 mm 的封堵材料，并安設(shè)擋風(fēng)簾，防治端頭漏風(fēng)。

5）停采撤面后，采空區(qū)注膠體，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)注，架間注膠量大于500 m2；運(yùn)輸巷注氮量控制在500 m3/h 左右，泄水巷注氮量在200 m3/h 左右。

4 效果分析

4.1 旋轉(zhuǎn)開采時期

工作面旋轉(zhuǎn)開采階段氣體變化圖如圖4。

圖4 工作面旋轉(zhuǎn)開采階段氣體變化圖Fig.4 Gas change diagrams in the rotating mining stage of working face

由圖4 可以看出，旋轉(zhuǎn)調(diào)面時，運(yùn)輸巷開采速度慢，遺煤在空氣中暴露時間長，在第10 d 回風(fēng)隅角CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)22×10-6；通過光纖測溫、壓注防滅火材料、施工隔離墻等措施，使回風(fēng)隅角的CO 體積分?jǐn)?shù)始終保持在18×10-6以下，回風(fēng)流的CO 體積分?jǐn)?shù)均保持在6×10-6，說明遺煤在空氣氛圍下，并沒有發(fā)生較大的氧化復(fù)合反應(yīng)[17]，說明采取的防控措施有效降低了煤的氧化反應(yīng)，保障工作面的正常開采。

4.2 工作面過斷層時期

工作面過斷層區(qū)域氣體變化圖如圖5。

由圖5 看以看出，前8 d 內(nèi)，工作回風(fēng)隅角的CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了64×10-6，回風(fēng)流中的氣體體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到了30×10-6。此階段上升原因是過斷層期間運(yùn)輸巷側(cè)煤體破碎嚴(yán)重、丟煤量大、漏風(fēng)加大。通過采取注膠注氮、對兩巷充填高吸水材料等措施，使回風(fēng)隅角的CO 體積分?jǐn)?shù)在2 d 內(nèi)降低到18×10-6以下。采取的防治措施有效地封堵漏風(fēng)通道，抑制煤氧化。

圖5 工作面過斷層區(qū)域氣體變化圖Fig.5 Gas changes in the working face passing through the fault area

4.3 停采撤面時期

工作面停撤階段氣體變化圖如圖6。

由圖6 可以看出，由于工作面頂板破碎嚴(yán)重等原因，回風(fēng)隅角、回風(fēng)流中CO 的體積分?jǐn)?shù)升高。通過實(shí)施注氮、注膠、噴灑阻化劑、兩巷使用高吸水材料等措施，CO 體積分?jǐn)?shù)降低至5×10-6左右，抑制了回撤過程中煤氧化。

圖6 工作面停撤階段氣體變化圖Fig.6 Gas change diagrams at the stop and withdrawal stage of the working face

5 結(jié) 語

1）分析了不同時期煤自燃危險性，得到旋轉(zhuǎn)開采時期危險區(qū)域?yàn)榫喙ぷ髅嬲{(diào)正約90 m 以下的扇形區(qū)域，過斷層時期危險區(qū)域?yàn)檫^斷層Ⅶ-F3、斷層Ⅶ-F76區(qū)域，停采時期危險區(qū)域?yàn)閮上锒祟^與終采線附近；確定7302 工作面采空區(qū)漏風(fēng)率為15.87%。

2）提出了不同時期防治煤自燃的方法。在旋轉(zhuǎn)開采時期采用監(jiān)測監(jiān)控、注膠、注氮惰化方法；過斷層時期設(shè)隔離墻、注氮、注高吸水材料、阻化的措施；停采撤面時期采用設(shè)煤垛墻、監(jiān)測、注氮注膠方法。

3）通過對7302 綜放工作面俯斜開采煤自燃隱患防控，7302 工作面采空區(qū)回風(fēng)隅角的CO 始終保持在18×10-6，回風(fēng)流中的CO 均保持在6×10-6，未出現(xiàn)任何煤自燃征兆，實(shí)現(xiàn)了安全回采。