某礦2306工作面采空區遺煤自燃及瓦斯災害治理方案

吳 健

(汾西礦業集團通風處)

礦井采用沿空掘巷開采新技術，有助于極大地減少預留煤柱的儲量損失，最大限度地提高煤炭采出率。沿空掘進時，由于掘進巷道與采空區之間的保護煤柱較窄，節理裂隙較多，相鄰采空區易通過保護煤柱的裂縫與巷道相互連通，從而形成漏風通道[1-5]。某礦3#煤層采用綜采放頂煤開采技術，采空區遺煤較多，瓦斯釋放量大，隨著回采后時間的推移，采空區內會積存了大量瓦斯。一旦采空區發生大量漏風，極易使得采空區氧氣濃度增加，進而導致自燃事故發生。此外，涌向采空區的風流會使得采空區內的瓦斯大量涌進掘進巷道，造成掘進巷道瓦斯濃度超限，從而導致瓦斯事故發生[6-8]。本研究以該礦2306工作面為例，對該工作面瓦斯遺煤自燃及瓦斯災害治理技術進行研究。

1 工作面煤層賦存條件

該礦2308膠帶順槽位于3#煤層，屬于二類自然發火煤層，煤層自然發火期為3～6個月，最短發火期為31 d。煤層瓦斯壓力為0.27 MPa，瓦斯含量為2.36 m3/t，最高瓦斯絕對涌出量為6.46 m3/min，瓦斯相對涌出量為2.33 m3/t[9]。煤層厚度為3.2～9.3 m，平均7.4 m，煤層傾角為21°～40°，平均36°。煤層呈黑色，條帶狀結構，半光亮型，以亮煤為主，次為暗煤，含鏡煤及黃鐵礦，較脆，參差狀棱角狀斷口，屬于低中灰、特低硫、特低磷、高發熱量、高灰熔點的氣煤，具有易選、結焦性好的特點。2308膠帶順槽區域煤層呈向斜狀，軸部位于2308膠帶順槽中部，向斜軸向342°，向北傾伏，傾角為32°。受向斜構造影響，沿順槽方向煤層呈先俯角8°，過向斜軸部后仰角26°～140°[9]。3#煤層頂底板特征如表1所示。

表1 3#煤層頂底板特征參數

2 采空區遺煤自燃及瓦斯治理方案

2.1 方案設計

對于易自燃煤層，在沿空掘進巷道時，巷道與采空區之間保護煤柱較窄，采空區內積聚了大量瓦斯。受巷道進風量、大氣壓變化等因素的影響，采空區與掘進巷道內的氣體壓力極易發生不平衡，導致采空區瓦斯向巷道大量涌出。僅通過加大風量來稀釋巷道瓦斯，無法有效解決采空區瓦斯異常涌出問題，并且隨進風量的增加，采空區極易發生自燃[10]。通過對采空區瓦斯進行抽放可以從根本上解決瓦斯異常涌出問題，抽放時一般將抽放口布置于低壓區，即掘進巷道出風口位置。瓦斯抽放時，抽放口附近會形成負壓，更有利于瓦斯向抽放口運移，但受抽放負壓影響，采空區更易發生漏風，加劇了采空區遺煤自燃的危險性。因此，在進行瓦斯抽放的同時須確保采空區壓力與掘進巷道內壓力均衡，可采取注氮措施來實現內外壓力平衡[3]。為確保注氮安全，一般沿著采空區漏風方向注氮，使得氮氣順著漏風方向運移。為確保將氮氣充滿整個采空區，可將注氮口布置于風筒出風口附近。當采空區內瓦斯被抽出，且氮氣已經充滿了整個采空區時，采空區內瓦斯及遺煤自燃危害便得到了有效解決。采空區瓦斯置換過程，即為建立采空區抽放與注氮的動態平衡過程，在該過程中，采空區氧氣濃度應始終控制在7%以下。

2.2 鉆孔布置

在實施氣體置換時，選擇合理的抽放注氮位置十分重要。通過觀測，確定在沿著采空區的2308掘進巷道進風側區域內向采空區布置注氮鉆孔，從巷道出風口側向采空區布置抽放鉆孔(圖1)。如此布置的優點為：在進行瓦斯抽放和注氮時，一方面，在抽放口附近會形成負壓，能夠使高壓區的瓦斯向抽放口附近運移，加之保護煤柱具有較大的黏性阻力，可大大減少采空區向巷道的瓦斯涌出量；另一方面，注入的氮氣能夠順著漏風方向向抽放口運移，可使得氮氣快速充滿整個采空區。在進行采空區瓦斯抽放時，應堅持“低負壓、大流量”的原則，并有效控制瓦斯抽放量，使其略小于注氮量，方可確保采空區內壓力平衡。

圖1 瓦斯抽放及注氮鉆孔布置示意

3 數值模擬分析

在易自燃瓦斯礦井中，當采用綜采放頂煤技術開采較厚煤層時，放落的煤塊會釋放出大量瓦斯，造成采空區內大量瓦斯積聚。沿空掘巷時，受各種因素的影響，采空區與掘進巷道的內外壓力極易發生不平衡，易導致瓦斯異常涌出或遺煤自燃。一方面，當采空區采取注氮防滅火措施時，注入的氮氣會改變采空區瓦斯原有的平衡狀態，采空區瓦斯可能涌入掘進巷道，使巷道瓦斯濃度超限；另一方面，為解決采空區瓦斯積聚問題，需對采空區瓦斯進行抽放，若抽放強度過大或抽放口位置設置不合理，易導致向采空區注入的氮氣涌入瓦斯抽放口，使注氮效果下降。為提高采空區注氮防滅火效果，同時防止采空區瓦斯涌出造成巷道瓦斯異常，本研究采用Fluent軟件對注氮條件下采空區氧氣濃度及瓦斯濃度的分布規律進行分析。

圖2為沿空掘巷采空區底板以上2.1 m處的氧氣濃度分布特征。分析可知：風筒出風口采空區附近以及掘進巷道中，氧氣濃度最高，達到20%～21%；越往采空區深處，氧氣濃度越低，同一深度，進風側氧氣濃度高于回風側；從掘進巷道向采空區深處，采空區從巷道進風側向回風側，氧氣濃度呈一定梯度遞減，但在注氮口附近，氮氣沖淡了氧氣的濃度；由于注氮量相對于漏風量較小，因此注氮對采空區氧氣濃度分布的影響較有限，盡管如此，在注氮口附近區域，注氮能夠在一定程度上降低采空區遺煤自然發火的危險性。

圖2 氧氣濃度分布

圖3為采空區同一平面的氮氣濃度分布特征。分析可知：氮氣在采空區的分布特征與氧氣大致相同，只是氮氣濃度較高，并且在注氮口附近，氮氣濃度明顯較高，甚至達到了100%，導致該區域氧氣濃度較低。

綜上分析可知：聯合采用采空區注氮和瓦斯抽放的技術措施，可使得采空區氧氣濃度大幅下降，大部分區域降至10%以下，瓦斯濃度降至9%以下，整體效果明顯優于單獨采用瓦斯抽放或注氮措施。

4 結 語

對某礦2306工作面采空區采用了注氮與瓦斯抽放相結合的技術方案，研究表明：該方案有助于顯著降低采空區氧氣濃度以及瓦斯濃度，大幅降低采空區遺煤自燃以及瓦斯異常涌出的危險性。

圖3 氮氣濃度分布