高瓦斯綜采工作面煤層自燃應急封閉技術

王 東，尚少勇

(1.中煤昔陽能源有限責任公司，山西 晉中 045300；2.榆林神華能源有限責任公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

高瓦斯煤礦工作面煤層自燃嚴重威脅著礦井的安全生產，由此導致的資源損失及生產設備破壞不容小視。此外，在煤火治理與封閉作業過程中極易引發瓦斯爆炸等次生災害，危及井下作業人員的生命安全。從目前的封閉技術來看，構筑密閉、水封巷道、水淹工作面等技術在國內外得到了廣泛應用，地面定向鉆孔灌注材料封堵技術也已有成功應用，實踐證明是可行的封閉技術[1-6]。因此，如何在礦井個體條件下，將現有眾多封閉技術相結合，從而達到安全、快速封閉，保證作業安全和封閉有效，是煤層防滅火工作實踐中無法回避的課題。

1 工作面概況

位于沁水煤田中東部的某煤礦，立井開拓，主采15#煤層，煤種為無煙煤。瓦斯等級為高瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量73.79 m3/min，相對瓦斯涌出量26.04 m3/min，礦井瓦斯抽采率約80%，礦井建有JSG-7束管監測系統、KJ90NB安全監控系統、地面黃泥灌漿系統、地面靜壓水消防系統、地面固定瓦斯抽采系統和井下移動瓦斯抽采系統等。

15116綜采工作面，走向長壁生產工作面，東部為未開采區，與西部采空區間隔8 m煤柱，布置有膠帶運輸順槽(以下簡稱“膠順”)、軌道運輸順槽(以下簡稱“軌順”)、走向高位瓦斯抽采巷3條巷道，如圖1所示；煤層厚度5.14 m，采用一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，后退式回采，走向可采長度1 600 m，傾斜長度200 m，剩余走向可采長度708 m；“U”型通風，膠順進風，軌順回風，上行通風，配風量1 877 m3/min，工作面絕對瓦斯涌出量48.11 m3/min，風排瓦斯涌出量5.45 m3/min，鄰近層瓦斯涌出量占比80%。自初采開始，為降低因工作面發育有數條走向斷層對生產組織的影響，通過對前方頂板和上部煤體預注“波雷因”圍巖加固材料進行加固。但“波雷因”反應生熱可達126 ℃，因而隨之展開火災防治工作，按照生產計劃準備停采收作。

圖1 地面鉆孔布置平面圖

2 工作面煤自燃與封閉

2.1 自燃過程

2017年2月，15116工作面進入末采后，中后部發育有FD14-3和FY16-19分別走向正斷層(∠45°～70°，H=4.0 m)及逆斷層(∠30°～70°，H=4.5 m)，如圖2所示。斷層影響范圍內片幫漏頂嚴重，

圖2 斷層沿工作面走向分布圖

月推進度僅有數米，斷層帶丟全厚頂煤，工作面出現CO異常升高等自然發火征兆。針對井下實際情況，工作面于3月份停止推進，期間采取了堵漏風、鉆孔注水和注高分子材料、地面灌注黃泥漿等一系列防滅火措施，但未能徹底消除發火隱患。4月10日，回風隅角CO迅速升至24 ppm以上，斷層帶附近出現煙霧，隨之，83#和84#支架尾梁間出現明火，直接滅火無果后井下全面撤人，決定封閉危險區。

2.2 自燃原因分析

煤自燃是多種因素共同作用下煤自身氧化的結果，其自燃須具備下列條件：煤具有自燃傾向性且呈破碎狀態堆積；適量的通風供氧；較好的蓄熱條件，以上3個條件共同作用時間大于本煤層的自然發火期則出現自燃。具體表現在采空區合適的漏風速率與氧濃度的供給量，漏風速率的大小直接影響煤炭的供氧與蓄熱條件，而氧濃度大小決定煤層的氧化自燃能力[7]。由此，要達到煤炭防火目的，必須以該3個影響因素為切入點著手。

斷層影響：15116工作面受斷層影響，長期沿走向丟頂煤，支架上方松散煤體和采空區浮煤厚度遠大于采空區浮煤自燃極限值，構成自燃的可燃因素要件，且松散煤體位于采空區冒落巖石上側，極易形成“爐熚”效應，導致浮煤氧化自燃。

微風環境：支架上方松散煤體的原生裂隙和采動裂隙形成微風環境，且推進度低于發生自燃的極限推進度，綜合看，滿足自燃所需的漏風供氧、環境蓄熱、穩定周期條件。

加固材料反應：對前方上部煤體預注有機加固材料，反應生熱可直接將其帶入煤氧加速復合作用的干裂階段，顯著縮短遺煤自燃進程，且加固材料一定程度上將煤體分隔和包裹，不利于散熱，打鉆壓注防滅火材料類的常規措施難以廣泛介入。

2.3 封閉分析

煤體進入自燃期后呈加速狀態，工作面封閉期間事故高發，在保證封閉作業人員安全的基礎上，快速和有效地將發火工作面隔絕開來，防止險情升級和擴大，是封閉的主要任務。

作業風險：封閉該危險區的作業風險程度高，容易發生瓦斯爆炸等次生災害，人工井下構筑密閉的傳統做法耗時長，作業人員的生命安全難以保障。鑒于地面定位鉆孔技術成熟，地面封堵可最大程度上保障作業人員安全，防止危險升級和擴大。鉆孔和封堵的設計、施工、評估可按照有關工程技術和安全原則，并結合實際條件進行。

綜合施策：地面封堵兩順槽可首先形成抗沖擊的防爆墻，控制危險區能量快速轉移，但難以滿足隔絕和治理所需的密閉要求，需要利用現場條件，通過人員井下水封巷道、構筑防火墻、均壓等，密閉危險區域。

瓦斯抽采調控：封閉作業全程需要對工作面的瓦斯抽采系統進行動態調控，防止瓦斯積聚和控制漏風量。

2.4 封閉思路

考慮到礦井實際情況和確保封閉作業安全，依據自燃原因分析以及封閉作業分析，封閉15116的思路確定為“地面封堵+井下密閉”。

3 工作面應急封閉防滅火

3.1 地面封堵

在對工作面降風和控制抽采量的基礎上，由地面向兩順槽同時施工定位鉆孔和灌注混凝土進行封堵。該措施能夠形成抗沖擊的防爆墻，從而實現縮封，控制可能發生的瓦斯爆炸等次生災害及其對其他區域的沖擊，進而為探查和密封等下井作業創造條件。

封堵位置：根據兩順槽巷道剖面圖，綜合地面勘察結果及鉆孔設計要求，選取巷道低洼段或平緩段作為灌漿點，既軌順側距離工作面592.5 m處和膠順側距工作面551.1 m處；經井上下對照測量，確定井下精準封堵位置。

封堵設備：選用美國雪姆公司T685WS和T130XD車載鉆機各1臺，主要采用空氣泡沫作循環介質，潛孔錘沖擊鉆進工藝，兩鉆孔一開孔段孔徑φ311.15 mm，松散地層下φ273 mm×8 mm護壁鋼管；二開孔段孔徑φ215.9 mm，直接貫通順槽，裸眼；鉆孔地面坐標在巷寬中點，要求孔底位移不大于2 m，軌順鉆孔先行貫通，鉆孔貫通后使用木塞封堵；膠順完孔孔深324.1 m，軌順孔深311.5 m，兩鉆孔均為進風，風量約10 m3/min。鉆機留場備用。

封堵材料：考慮到啟封時便于清理，并具有一定強度，選用C15混凝土。混凝土塌落度200 mm；粗骨料0～20 mm碎石，級配良好；天然河砂選細度模數2.3～3.0的中砂；外摻粉煤灰以減少收縮量；混凝土加入早強劑和速凝劑控制流動范圍，初凝時間4～5 h，提前試配，級料配比參數見表1、表2。

表1 C15混凝土材料配比

表2 水泥粉煤灰漿液配比

根據封堵巷道斷面和流散長度計算混凝土灌注量

V=KSL=2×20×15=600 m3

式中：K—備用系數，取2；V—單側灌注混凝土需要量，m3；S—巷道斷面積，m2；L—預估混凝土流散長度，m。

兩側灌注點混凝土需要量為1 200 m3，間隔泵注，分層硬化，一次灌注量40%，二次30%，三次灌注至巷道頂板，四次用水泥粉煤灰漿液充填，圖3為分層充填示意圖。

圖3 分層充填示意圖

灌注作業：4月25～29日進行灌注作業，灌注前利用窺孔儀探測鉆孔及巷道情況，期間通過監視混凝土的堆積情況，估算下一階段的注漿量，從而能夠時時調整外加劑配方；保持兩側灌注進度均衡，進風側先行封閉，封閉后期采取防止鉆孔反風措施。膠順實際灌注680 m3，軌順灌注522 m3，估算膠順流散長度平均37.78 m，軌順30.47 m。窺孔儀實測注漿各階段過程中，觀測混凝土堆積情況，如遇堵孔，用鉆機通孔；墻體接頂并將鉆孔填充。此外，根據安全監控參數推算，工作面風量降至687.7 m3/min。

CO濃度：15116軌順CO濃度從封堵前的500 ppm(滿量程)迅速降到80 ppm以下，CO氣體變化規律如圖4所示。

圖4 15116軌順CO濃度變化曲線

3.2 井下密閉

觀測偵查：地面封堵后連續觀測72 h，由礦山救護隊下井全面偵查，查看封堵、通風、氣體、溫度及頂板等情況，恢復安全監控等系統。

灌水和構筑密封：利用軌順外段低洼點灌水密封，并在兩順槽外口構筑密閉，切斷通往危險區金屬材質的管道、軌道等，留設補水管路、束管等設施；在兩順槽閉墻外進行均壓，實現對15116工作面的徹底隔絕。

密封效果：井下密封工作完成后，15116兩順槽閉墻CO濃度降至0 ppm，軌順CH4濃度由1.72%降至0.1%，膠順CH4濃度由0.34%降至0.1%以下，其他參數恢復正常并持續穩定。5月6日工作面封閉完成，應急恢復。

4 結論

(1)針對某礦15116工作面實際情況及井下應急封閉要求，以“地面封堵+井下密閉”為設計思想，通過綜合運用數種封閉技術，分步實施，快速有效地完成了該工作面的應急封閉工作。實踐證明效果良好，不僅保障了該工作面的順利封閉，也為其他類似工作面應急封閉防滅火工作提供了參考依據。

(2)煤層防滅火工作的主導思想是“降溫控氧”，對于已形成的隱患區域，必須采取以降溫控氧為主的防滅火技術手段，切斷影響煤自燃3個主要因素中的任何一個，都可以達到延長煤自燃周期的作用。今后要對15116工作面進行防滅火監測和分析，保證密閉效果，為進一步治理和礦井安全生產創造條件。