基于示蹤氣體的“U”型通風工作面煤自燃治理技術

孫留濤 趙乾坤

(1.中國礦業大學安全工程學院，江蘇省徐州市，221116；2.中國礦業大學管理學院，江蘇省徐州市，221116)

對于高瓦斯突出礦井，在區域消突過程中，通過布置底抽巷并利用上向穿層鉆孔進行卸壓消突是保證上分層突出工作面兩巷安全掘進的主要措施。而穿層鉆孔導致上分層工作面的采空區與底抽巷貫通，形成漏風通道，影響了采空區煤自燃“三帶”的分布，同時提高了上分層采空區煤自燃概率，使煤自燃防治復雜化。本文基于對建南煤礦B102工作面采空區漏風規律的研究，確定了采空區煤自燃危險區域，指導了煤自燃的防治。

1 工作面概況及漏風情況初步分析

1.1 工作面概況

B102工作面為長壁開采工作面，采用U型通風方式，進風量為900 m3/min。煤的最短自然發火期為43 d，目前，工作面已經推進260 m。由于開采煤層為高瓦斯突出煤層，采掘巷道前，在開采煤層下40 m左右布置底抽巷，并在底抽巷內布置鉆場，鉆場內的鉆孔采用扇形上向穿層形式進行預抽消突。工作面底抽巷巷道布置及通風系統如圖1所示。

圖1 工作面底抽巷巷道布置及通風系統平面圖

目前B102工作采用Y型通風，進風巷、底抽巷進風，匯合后出風巷出風。現場發現，底抽巷片幫嚴重，且出現大面積頂板垮落，初步判斷漏風通道較發育。B102工作面基本頂和老頂為砂巖，巖性較硬，頂板垮落困難，使頂板未垮落區域形成漏風通道。根據氣體監測監控系統分析，架后100～200 m以內，O2、CO等濃度始終在19%和0.001%附近波動，說明采空區始終處于供氧狀態，同時遺煤部分氧化，但熱量尚未積聚，據此分析，采空區整體處于熱平衡狀態。受采動的影響，該熱平衡狀態極易被打破，從而引發煤自燃，由于該工作面屬于高瓦斯工作面，進而存在瓦斯爆炸等次生災害。

1.2 漏風情況分析

為了消突，沿底抽巷布置了高位鉆孔、上向穿層鉆孔等，導致工作面與底抽巷間煤體破碎嚴重，形成大量的漏風通道，同時標志性氣體濃度也表明采空區氣體分布異常，據此推斷：

(1)底抽巷向采空區漏風，遺煤氧化，熱量未積聚，遺煤處于熱平衡狀態，遺煤未發生急劇氧化，采空區處于連續供氧狀態。

(2)工作面進風巷為重要漏風源。工作面基本頂和老頂為硬質砂巖，回采后頂板垮落困難，尤其是兩巷頂板難以垮落，頂板垮落效果直接影響采空區壓實程度，頂板未垮落區域可能形成漏風通道。

2 漏風通道分析與判別

2.1 方案的確定

結合漏風初步分析，采用多點定量釋放法進行漏風通道測試。測點分布如圖2所示，共有A(下隅角)、B、C、D(底抽巷)4個釋放點。利用束管采樣系統布置1、2、3和4共4個采樣點。釋放時間為30 min，釋放量為30 ml/s，初次取樣間隔30 min，后續每15 min取一次樣。

圖2 測點分布示意圖

2.2 數據分析

底抽巷釋放及氣體濃度檢測結果如圖3所示。

圖3 底抽巷釋放及氣體濃度檢測結果

由圖3可知，底抽巷3個釋放點均檢測到了示蹤氣體，說明底抽巷風流從裂隙中進入了上分層的采空區。其中B釋放點檢測到的氣體濃度較低，C和D兩點氣體濃度較高。結合底抽巷風量分布，B所處巷道風流為300 m3左右，巷道較為完整，且距取樣點較遠；C、D所處巷道風量近1000 m3，且巷道破碎嚴重，說明試驗結果與實際情況相符。取樣點1、2和3(均在密閉墻附近區域)的氣體濃度均高于4號取樣點，說明密閉墻是底抽巷的主要漏風匯，上隅角是底抽巷的次要漏風匯。

測試結果表明2號測點檢測到的SF6氣體濃度一直處于較高水平。為了進一步確定內、外部漏風的主次關系，在工作面下隅角A處釋放氣體，分別在2、4號測點進行檢測，結果如圖4所示。結果表明，4號點氣體濃度明顯高于2號點氣體濃度，說明內部漏風是該工作面的主要防治重點，同時，也應加強外部漏風源的防治。

2.3 “三帶”及危險源判別

根據漏風測試分析可知，采空區與底抽巷風流形成貫通，不僅存在內部漏風，外部漏風也影響著“三帶”分布，根據“三帶”劃分原理，該工作面具有其特殊性。結合“O”型圈垮落規律，靠近工作面的冒落巖石壓實程度低，而在工作面與初始切眼的中部，冒落巖石壓實程度最高，因此與傳統“三帶”相比，該采空區“三帶”氧氣濃度成環狀分布，即由外圍向內氧氣濃度逐漸降低。按照氧氣濃度及漏風通道測試分析，“三帶”分布如圖5所示，防治重點在氧化帶。

圖4 工作面SF6濃度測試分布

圖5 采空區“三帶”分布示意圖

3 煤自燃危險區域防治

目前該工作面CO濃度依然保持在10%左右，氧氣濃度稍微有所降低，約為17%。因此，預防煤自燃的發生根本在于減少漏風，如圖6所示。結合現場情況，制定如下方案。

3.1 上下隅角封堵

根據漏風通道測試結果可知，工作面是主要漏風源，為了降低煤自燃概率，在上下隅角進行封堵，降低工作面兩端壓力，減少內部漏風，如圖6所示。經測試，在進風巷風量維持在1200 m3/min不變的情況下，封堵前后，回風巷風量由900 m3/min增加至1150 m3/min，漏風量明顯降低。

3.2 灌注防滅火材料

根據煤自燃危險區域劃分可知，該工作面的防治重點位于環形氧化帶內。為實現泡沫凝膠覆蓋整個采空區遺煤，通過上隅角架后30 m和50 m預埋的灌漿管路向采空區注入泡沫凝膠，如圖7所示。束管取樣分析，CO濃度有所降低，穩定在5%左右。

圖6 工作面上下隅角封堵示意圖

圖7 采空區注漿示意圖

4 結論

(1)在有底抽巷存在的工作面，受采動影響，上下分層裂隙貫通，底抽巷風流通過層間裂隙進入上分層采空區，導致采空區遺煤氧化。受漏風量的影響，遺煤產熱和散熱處于熱平衡狀態，一旦該平衡被打破，則易引發煤自燃災害。

(2)SF6示蹤氣體試驗表明，整個采空區均處于漏風流中，根據采空區漏風特征，結合頂板垮落情況，確定了采空區“三帶”的范圍，并對煤自燃危險區域進行判別，通過上下隅角封堵、遺煤區域覆蓋、控風等綜合措施，CO濃度下降，煤自燃威脅降低，對指導火災防治有重要意義。

參考文獻：

[1] 胡千庭,趙旭生.中國煤與瓦斯突出事故現狀及其預防的對策建議[J].礦業安全與環保,2012(5)

[2] 陳慶亞.埋管抽采條件下采空區“三帶”分布規律研究[D].華北理工大學,2015

[3] 張學博,程紅軍.SF6示蹤氣體測定漏風技術若干問題探討與應用[J].煤礦現代化,2014(6)

[4] 余明高,李龍飛,褚廷湘等.瓦斯抽采下沿空留巷采空區自燃危險區域判定[J].河南理工大學學報(自然科學版),2015(3)

[5] 張學博,靳曉敏.“U+L”型通風綜采工作面采空區漏風特性研究[J].安全與環境學報,2015(4)

[6] 任曉鵬. SF6示蹤氣體在礦井近距離煤層漏風檢測中的應用[J].煤炭技術,2013(6)

[7] 邵輝,李西才,代廣龍等.SF6示蹤氣體在煤礦漏風檢測中的應用[J].煤炭工程,1990(6)

[8] 馬成軍,白利文,申立華.采空區自燃“三帶”分布規律及影響因素分析[J].華北科技學院學報,2008(1)

[9] 楊永良,李增華,陳奇偉等.利用頂板冒落規律研究采空區自燃“三帶”分布[J].采礦與安全工程學報,2010(2)

[10] 常坦祥. Y型通風工作面采空區防滅火技術研究[D].安徽建筑大學,2015