近距離煤層群瓦斯與火耦合災(zāi)害防治技術(shù)應(yīng)用

吳海軍

（中煤能源黑龍江煤化工有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

瓦斯災(zāi)害與煤層自燃是煤礦生產(chǎn)較為突出的兩種災(zāi)害[1-2]，煤礦瓦斯賦存狀況復(fù)雜、瓦斯災(zāi)害防治難度大。煤炭自燃過程復(fù)雜，火源地點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易與瓦斯產(chǎn)生耦合災(zāi)害[3]。綜放工作面采高大、丟煤較多，高強(qiáng)度瓦斯抽采導(dǎo)致采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律與常規(guī)情況不同[4]，自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域判斷復(fù)雜化，給自燃防治帶來較大困難，形成了瓦斯與火耦合災(zāi)害治理難題[5]。

1 概況

中煤龍化公司依蘭三礦位于黑龍江省依蘭縣境內(nèi)，新建礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.40 Mt/a，2020 年鑒定為突出礦井。S101 首采工作面為俯采綜放工藝，開采上保護(hù)層，切眼長度220 m，傾斜長度850 m。上保護(hù)層即上1、上2 煤層間距1.63～8.51 m，埋深407.30～787.80 m，煤層厚度2.29～4.65 m，平均傾角16°，儲(chǔ)量94.23 萬t。被保護(hù)層即下鄰近的中煤層為突出煤層，厚度6.06 m，與上2 煤層間距12.43 m；下煤層厚度1.28 m，與中煤層間距11.23 m。各煤層夾矸以油頁巖與粉細(xì)砂巖為主，直接頂、底板以油頁巖為主。

工作面所采上1、上2 煤層原始瓦斯含量3.46～3.88 m3/t，瓦斯壓力0.26～0.62 MPa，煤層透氣性系數(shù)1.031 7～7.943 1 m2/MPa2·d，位于非突出區(qū)。煤種為長焰煤，最短自然發(fā)火期56 d，屬容易自燃煤層。煤層頂、底板油頁巖自燃傾向性為類煤Ⅲ類。工作面采用“U”型通風(fēng)方法，運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)，供風(fēng)量1000 m3/min。預(yù)測工作面絕對瓦斯涌出量13.81m3/min，相對瓦斯涌出量7.29 m3/t。

2 瓦斯治理技術(shù)

針對S101工作面特殊地質(zhì)條件、煤層賦存特點(diǎn)，集成了順（穿）層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域與鄰近層、采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)工藝，建立了“通風(fēng)可靠、抽采達(dá)標(biāo)、監(jiān)控有效、管理到位”的治理體系。

2.1 順（穿）層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域與鄰近層瓦斯

工作面采用鉆場集中布置扇形鉆孔預(yù)抽方法。運(yùn)輸順槽布置11 個(gè)鉆場，回風(fēng)順槽布置10 個(gè)鉆場，單鉆場向回采區(qū)域施工11 個(gè)順層鉆孔預(yù)抽上1、上2煤層瓦斯。鉆孔終孔水平間距20 m，傾向間距18 m，孔徑94 mm，共計(jì)28 008 m 鉆孔。單鉆場施工24 個(gè)穿層鉆孔預(yù)抽下鄰近中煤層瓦斯，且利用開采卸壓作用攔截中、下煤層瓦斯。鉆孔終孔水平間距30 m，傾向間距20 m，孔徑94 mm，共計(jì)37 758 m鉆孔。

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采

采用高位鉆孔抽采采空區(qū)及鄰近層涌出的瓦斯。1 號高位鉆場采用普通鉆機(jī)施工5 個(gè)扇形鉆孔，鉆孔長度80～98 m，2 號高位鉆場采用ZYWL6000定向鉆機(jī)施工3 個(gè)平行鉆孔，鉆孔長度360～402 m。高位鉆孔終孔與回風(fēng)順槽平距25～80 m，距工作面高度25～35 m，鉆孔布置如圖1。在工作面上隅角預(yù)埋DN300 抽采管路，每20 m 預(yù)留三通與DN350低負(fù)壓管路相接，抽采采空區(qū)瓦斯。

圖1 順（穿）層扇形鉆孔布置圖

2.3 瓦斯超前預(yù)警機(jī)制

當(dāng)工作面瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.60%時(shí)發(fā)出預(yù)警，同時(shí)切斷工作面及回風(fēng)流電源，工作面立即停止作業(yè)。礦每天組織通風(fēng)部門對工作面瓦斯進(jìn)行分析，出現(xiàn)瓦斯涌出異常、臨界或預(yù)警，及時(shí)采取對策。

2.4 小結(jié)

經(jīng)采前預(yù)抽，可解吸瓦斯含量降至2.25～2.78 m3/t，實(shí)現(xiàn)抽采達(dá)標(biāo)。生產(chǎn)期間，瓦斯涌出量5.08～11.96 m3/min， 風(fēng) 排 瓦 斯 量2.08～3.90 m3/min， 瓦 斯 抽 采 量3.00～8.06 m3/min， 瓦 斯 抽采率59.06%～67.39%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.29%～0.43%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.17%～0.32%。如圖2。

圖2 瓦斯?jié)舛扰c涌出量曲線圖

3 防滅火技術(shù)

3.1 煤層自熱氧化機(jī)理

通過測試煤和油頁巖自燃過程中微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分布特征，開展掃描電鏡測試、熱重分析、紅外光譜掃描、比表面積與孔隙率測試，揭示煤和油頁巖共生互層浮煤自熱氧化機(jī)理[2]，確定了所采煤層自然發(fā)火期與自然發(fā)火標(biāo)志性氣體（CO、C2H2、C2H4、C2H6）。以上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體臨界值。

3.2 自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成

采用人工檢測、安全監(jiān)控、束管監(jiān)測與光纖測溫方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面上隅角、回風(fēng)流、防火觀測站、抽采管道、高冒處存在自燃危險(xiǎn)區(qū)的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體與采空區(qū)溫度。定期進(jìn)行系統(tǒng)分析，出現(xiàn)異常情況，立即采取防治措施。

（1）人工檢測方式

建立工作面自然發(fā)火觀測點(diǎn)及預(yù)測預(yù)報(bào)制度，對自燃危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)和定期觀測。主要觀測工作面回風(fēng)隅角、回風(fēng)流、采空區(qū)、防火觀測站、兩巷高冒處及附近密閉等地點(diǎn)。工作面和高冒處每班、密閉每周進(jìn)行觀測。

（2）安全監(jiān)控系統(tǒng)

采用KJ95X 型安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行不間斷監(jiān)測。在工作面回風(fēng)隅角、工作面及回風(fēng)流處，安設(shè)一氧化碳與溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測一氧化碳與溫度參數(shù)變化情況。

（3）束管監(jiān)測系統(tǒng)

工作面建立KQF8 型火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測基站安裝在供液泵站，沿運(yùn)輸、回風(fēng)順槽各敷設(shè)一組3 芯束管，每組束管布置3 個(gè)分別間距30 m 的氣體采集器。束管采用DN50 鋼管、采集器采用木垛予以防護(hù)。從工作面推進(jìn)30 m 起，利用基站氣相色譜儀，每小班分析采空區(qū)各測點(diǎn)氣體成分，掌握氣體濃度及變化規(guī)律。

（4）光纖測溫系統(tǒng)

工作面建立KJ893 型光纖測溫系統(tǒng)。測溫基站設(shè)在礦調(diào)度室，沿工作面回風(fēng)順槽布置一路光纖，并在切眼側(cè)敷設(shè)180 m。光纖測溫系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測工作面采空區(qū)溫度，出現(xiàn)溫度異?；蛏咦兓瑢?shí)時(shí)預(yù)警，及時(shí)采取針對性措施。

圖3 束管監(jiān)測與光纖系統(tǒng)圖（m）

3.3 采空區(qū)“三帶”測試與注氮抑氧技術(shù)研究

（1）采空區(qū)“三帶”測試

采空區(qū)遺煤自燃大體可劃分為散熱帶、氧化升溫帶與窒息帶。隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)自燃“三帶”呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，推進(jìn)過程中采空區(qū)氧氣濃度變化曲線如圖4。

圖4 采空區(qū)氧氣濃度變化曲線圖

初步確定工作面散熱帶寬度25 m，氧化帶寬度50～70 m，窒息帶≥70 m 寬度。如圖5。

圖5 采空區(qū)“三帶”分布情況

（2）注氮抑氧惰化技術(shù)

礦工業(yè)廣場制氮站裝備兩臺(tái)PSA1600 型碳分子篩制氮機(jī)，單臺(tái)制氮能力1600 m3/h，氮?dú)饧兌?97%。輸?shù)晒転镈N150 鋼管，支管路為DN100鋼管，沿運(yùn)輸順槽敷設(shè)至切眼進(jìn)風(fēng)隅角，末端壓力不低于0.20 MPa。輸?shù)苈贩植硖幵O(shè)截止閥與壓力表，低洼處設(shè)放水閥，末端設(shè)氮?dú)忉尫湃ā?/p>

工作面采出切眼30 m 以后，開始向采空區(qū)連續(xù)注入氮?dú)?。工作面開采初期、推進(jìn)緩慢或撤架期間，持續(xù)增大注氮量，注氮量≥2000 m3/h。

（3）采空區(qū)固氮技術(shù)

注氮期間，采取固氮輔助手段，即進(jìn)風(fēng)隅角懸掛擋風(fēng)幛，采煤工作面每推進(jìn)20 m 在兩巷采空區(qū)側(cè)施工擋風(fēng)隔離墻。擋風(fēng)墻使用經(jīng)阻化處理的巖粉堆砌，墻體厚度不低于1 m。

開展工作面采空區(qū)瓦斯抽采與防滅火關(guān)系研究。采空區(qū)瓦斯抽采量以保證工作面生產(chǎn)集中期間工作面及回風(fēng)流瓦斯不臨界為宜，避免采空區(qū)所注氮?dú)獗徊煽諈^(qū)所進(jìn)風(fēng)流大量稀釋。

3.4 煤層注水與壓注阻化劑技術(shù)

自工作面切眼以外100 m 范圍內(nèi)兩巷平行布置煤層注水孔，鉆孔間距10 m，深度100 m，孔徑為94 mm，采用煤層注水泵進(jìn)行高壓注水。兩端頭超前20 m 段巷道，每隔5 m 施工1 組（3 個(gè)）注水鉆孔，開孔間距1 m，孔深11～25 m，傾角+30°，與巷道夾角0～30°，鉆孔施工至上1 煤層頂板，采用15%（MgCl2·6H2O）阻化液循環(huán)壓注。每天利用阻化劑泵向工作面采空區(qū)側(cè)留有浮煤地點(diǎn)壓注≥15%阻化液，每次壓注不小于0.35 t 阻化劑。

3.5 注膠與液態(tài)CO2 直注應(yīng)急技術(shù)

工作面遇地質(zhì)構(gòu)造或推進(jìn)緩慢，出現(xiàn)自然發(fā)火隱患時(shí)，采取向采空區(qū)打鉆注膠與注液態(tài)CO2措施。在兩巷隅角采空區(qū)側(cè)巷道頂板，分別施工4～5 個(gè)注膠孔，傾角+25°，孔深8～12 m，開孔間距1 m。每組支架頂與后側(cè)布置2 個(gè)注膠孔，支架頂鉆孔與巷頂夾角15°～20°，孔深8～10 m，后尾梁鉆孔與巷頂夾角40°～50°，孔深8 m。

4 結(jié)論

（1）在工作面生產(chǎn)期間，平均瓦斯涌出量為8.17 m3/min，瓦斯抽采率63.04%。工作面上隅角平均瓦斯?jié)舛?.36%，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛?.26%，未出現(xiàn)瓦斯臨界或超限現(xiàn)象。

（2）工作面生產(chǎn)期間，采空區(qū)CO 濃度穩(wěn)定在5.3×10-5以下，工作面及回風(fēng)流沒有出現(xiàn)CO 氣體臨界或超限，采空區(qū)沒有出現(xiàn)自然發(fā)火事故。

（3）建立了以保護(hù)層開采、順（穿）層鉆孔預(yù)抽、采空區(qū)抽采瓦斯技術(shù)與以自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)為基礎(chǔ)，以常規(guī)注氮為核心，以液態(tài)CO2直注為應(yīng)急手段的綜合防治體系。

（4）自2021 年8 月生產(chǎn)以來，工作面安全生產(chǎn)原煤60 萬t，直接經(jīng)濟(jì)效益1.95 億元，實(shí)現(xiàn)了瓦斯與火耦合災(zāi)害綜合治理目標(biāo)。