防沖卸壓爆破與密閉墻氣體異常耦合分析研究

劉大虎 秦 鵬 孔 雷

（山東省天安礦業集團業有限公司，山東 曲阜 273100）

1 概述

星村煤礦3 煤層為易自燃煤層，實驗最短自然發火期為24d。以往工作面回采及回撤過程中時常會出現自然發火隱患，防火密閉墻內由于服務年限較長會出現高氧氣、高一氧化碳情況。中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室對三采區3煤巖層進行了沖擊傾向性鑒定，結論為強沖擊傾向性煤層。星村煤礦掘進煤巷及回采綜放工作面均發生過沖擊地壓事故。沖擊地壓重大風險與自然發火重大風險并存。

礦井按照《煤礦安全規程》要求對所有永久性密閉墻每周進行一次人工束管抽樣分析，分析結果均未發現異常。2019 年9 月25 日束管采樣分析3303 軌道順槽密閉墻內氣體時出現高濃度一氧化碳（1156ppm）、乙烯（27.10ppm）、乙烷（2347ppm）情況。

2 防沖卸壓爆破與密閉墻氣體異常耦合分析研究

2.1 3303 軌道順槽密閉墻簡介

（1）3303 軌道順槽（集中輔助進風巷至運煤巷）沿3 煤頂板布置，采用錨網索+鋼帶聯合支護。3 煤上距2 煤22.2 ～38.8m，平均26.0m。2 煤平均厚度0.5m，沉積不穩定。工作面回采結束后根據《煤礦安全規程》要求及煤礦安全生產標準化要求在45d 內完成了最外側兩順槽密閉（與集中輔助進風巷交叉地點去往兩順槽不大于6m 地點）。密閉采用磚墻施工，掏槽臥底300mm，密閉墻厚度500mm，密閉施工完成后對墻體進行噴涂新型材料堵漏處理。

（2）鑒于星村煤礦存在沖擊地壓及自然發火重大風險，為了有效消除采空區自然發火重大風險及沖擊地壓重大風險，礦井對采空區空巷采取充填的方式進行處理。充填材料主要為超高水材料、粉煤灰等。據統計3303 軌道順槽密閉內空巷累計充填超高水材料23.65t、粉煤灰1180m3，充填空間估算535m3，基本上3303 兩順槽空巷已經充滿。

（3）前期每周一次3303 順槽密閉墻采樣分析數據正常，一氧化碳濃度維持在10ppm 以下，氧氣維持在2%以下，未出現乙烯氣體。

2.2 3303 軌道順槽密閉墻處煤體卸壓爆破

由于集中輔助進風巷布置在煤巷中，留有一定頂煤，根據礦井卸壓需要，集中輔助進風巷頂板需要實施深孔爆破卸壓。如圖1 所示。

圖1 爆破卸壓裝藥結構示意圖

（1）鉆孔間距為10m（不得超過10m），每組2 個鉆孔，鉆孔直徑90mm，鉆孔垂直于巷幫，分別在頂板兩側肩窩處開孔，與水平方向夾角60°(±5°)，深度不小于30m。

（2）每孔裝藥量：每孔裝90 卷煤礦許用二級水膠炸藥，共27kg，裝藥長度12m。炸藥規格：使用煤礦許用二級水膠炸藥，Φ27mm×400mm×300g。

（3）藥卷包裹：每3 卷炸藥綁扎成一捆（使用腳線或膠帶），將成捆炸藥放入PE 管中，裝藥時PE 管兩端要用水泥藥卷或炮泥封堵嚴，封堵長度不小于400mm。

2.3 耦合分析

根據9 月25 日3303 軌道順槽密閉墻內束管分析報表：密閉墻內出現高濃度一氧化碳（1156ppm）、乙烯（27.10ppm）、乙烷（2347ppm），但二氧化碳 （0.04%）、氧氣(1.06%)數值極小，判斷在氧氣低于3%下不可能發生煤層自燃隱患。集中輔助進風巷正在實施頂板深孔卸壓爆破，且出現抽炮、鄰近空眼出現氣體的現象，沖擊地壓卸壓爆破與密閉墻內氣體異常形成耦合因素造成上述結果。

（1）集中輔助進風巷在3303 軌順順槽中間位置施工一頂板深孔卸壓孔，水平方向距開門點26.4m，垂直方向炸藥距巷道頂板最小距離14.12m。此處巷道支護錨索長度6m（端頭錨固），距支護空隙8m 多，且單孔裝藥量達27kg。此自由面距爆破孔段較弱，容易破壞。爆破導致裂隙造成漏風通道，抽炮殘留氣體隨漏風通道進入密閉墻內。如圖2 所示。

圖2 深孔卸壓孔與巷道距離示意圖

（2）3303 軌道順槽施工時間較長，密閉墻服務年限超過3 年，密閉內空巷周圍頂板下沉產生裂隙，密閉內充填的超高水材料承壓低，后期充填粉煤灰含大量水。且此段巷道基本為水平巷道，水分浸泡頂板和水的流失都造成密閉內局部地點存在孔隙，為爆破產生的氣體、抽炮產生的氣體涌出提供了通道。

（3）9 月25 日束管采樣時檢測人員未發現3303 軌道順槽密閉墻出現煙霧且無明顯漏風等自然發火跡象，同時發現密閉墻內空氣壓差顯示外側高，數據顯示氣體與密閉內自然發火指標氣體不同，氧氣濃度小于2%，二氧化碳濃度0.04%。

3 治理過程及效果

3.1 治理過程

由于判定上述密閉墻內氣體異常情況在氧氣低于3%下不可能發生煤層自燃隱患。集中輔助進風巷的頂板深孔卸壓為爆破產生的氣體、抽炮產生的氣體涌出提供了裂隙通道，沖擊地壓卸壓爆破與密閉墻內自然發火隱患形成耦合因素造成上述結果。

（1）對3303 軌道順槽密閉墻間歇性注充填材料（超高水材料、粉煤灰、其他充填材料等），對密閉墻體進一步噴涂堵漏處理。

（2）密閉墻周圍施工的深孔卸壓爆破孔已經完成，每班安排專人加強密閉墻周邊抽炮區域、異常區域的采樣分析。

（3）安排專人每天三班對密閉墻進行抽樣分析直至氣體采樣結果正常。

3.2 治理效果

9 月25 日至10 月4 日軌道順槽密閉墻內束管分析報表如表1 所示。

表1 束管分析報表

4 結語

防沖卸壓爆破應盡可能地減少對采空區防治自然發火的影響。

（1）沖擊地壓礦井應從整體采區及工作面設計上將綜放工作面停采線外巷道、集中巷等主要風巷布置在巖層中，避免布置在煤層中因卸壓造成的自然發火干擾因素。

（2）永久性密閉墻布置在煤巷中的應采取以下措施防止卸壓與密閉內自然發火耦合。

① 永久性密閉墻附近不應有爆破活動，卸壓造成的空洞應及時采取措施進行封堵，否則應考慮爆破對周邊巷道的破壞以及可能產生新的裂隙造成漏風，采取措施防止采空區發火、瓦斯爆炸、沖毀密閉墻。

② 永久性密閉墻內空巷充填后仍存在一些空隙，密閉墻外巷道失修，采用錨網支護修復后需采取噴漿封閉圍巖，防止漏風。

③ 永久性密閉墻附近施工卸壓大孔等活動，應避開巷道壓力和支護影響區域，防止大孔與巷道裂隙溝通產生漏風。

④ 與采空區連通的密閉墻布置在煤層中時充填空巷長度不低于20m，且應充實頂板破碎區。

（3）深部礦產資源的開采面臨著沖擊地壓、自然發火、高溫等難題。沖擊地壓防治與管控大部分通過煤體卸壓的手段來實施，但卸壓爆破作業殘留的氣體極易與煤體自然發火的指標性氣體混淆。沖擊地壓礦井密閉墻內忽然出現高濃度一氧化碳及乙烯等自然發火指標性氣體時應進行認真分析，優先考慮卸壓爆破的影響。