高抽巷影響下的采空區煤自燃綜合防治技術

邢立杰 劉 芬

（陜西郭家河煤業有限責任公司，陜西 寶雞 721500）

1 郭家河礦煤樣自燃特性測試

1.1 試驗裝置及條件

（1）試驗裝置

在一個半徑為5cm，長22cm的鋼管內，裝入1kg煤樣，在上下兩端分別保留有2cm左右的富余空間，之后置于箱內按照設定程序逐漸加熱，采集不同煤溫時產生的氣體。試驗裝置如圖1所示。

（2）試驗條件

現場采集郭家河煤礦1308工作面煤樣，并篩分 成 五 種 粒 度：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm，稱取每種粒度各200g組成混合煤樣，進行程序升溫試驗。試驗條件如表1所示。

1.2 試驗結果與分析

（1）CO、CH4產生率

在分析CO、CH4等氣體的產生率時，可以認為CO是煤氧化產物，CH4等氣體是煤熱解產物，其中大部分微量氣體來源于高溫脫附作用。郭家河煤樣CO、CH4氣體產生率如圖2所示。

圖1 程序加熱升溫試驗流程圖

表1 程序升溫箱煤樣加熱升溫試驗條件

圖2 CO、CH4生成速率

（2）C2H6和C2H4氣體濃度變化

在升溫初期，常溫狀態下，郭家河煤礦1308工作面煤樣就存在乙烷氣體，乙烯氣體產生的溫度在臨界溫度后，約為140℃左右。因此，可以把乙烷和乙烯氣體作為煤自燃的標志性氣體。井下一旦發現乙烯氣體，說明煤體溫度基本處于干裂溫度附近。圖3表明， C2H6并不適合作為1308工作面的煤自燃指標性氣體，因為C2H6氣體有相當一部分是煤樣脫附逐漸釋放的，并且后期也主要是在高溫期產生，該指標不具備預警能力。

圖3 煤樣C2H6、C2H4濃度與溫度關系曲線

（3）試驗結論

通過分析煤氧化過程的耗氧速率、CO、CO2、C2H4、C2H6氣體的氧化生成規律，確定了工作面采空區遺煤的C2H4脫附溫度在90℃～130℃，臨界溫度70℃～80℃，干裂溫度110℃～120℃，確定CO與C2H4可以作為工作面的煤自燃預警指標氣體。建立了工作面煤自燃預警指標體系，如表2所示。

表2 1308工作面煤自燃指標體系

2 郭家河礦1308工作面煤自燃致因分析

2.1 工作面概況及煤自燃征兆

（1）1308工作面概況

1308 工作面可采走向長度2280m，傾斜長度290m。工作面進、回風巷道在1308工作面停采線前沿煤層頂板布置，過了停采線后沿煤層底板布置，兩條順槽相互平行，采用錨網索梁聯合支護形式，矩形斷面，巷道布置簡單。截至7月28日皮帶順槽回采381m，回風順槽回采359m。工作面需要風量1698m3/min，實際風量2011m3/min。正常生產期間，上隅角CO平均濃度10ppm，回風流CO平均濃度8ppm。高抽巷抽放CO濃度平均為50ppm，上隅角抽放CO濃度平均22ppm。工作面總共安裝支架168架，后部溜尾安裝在156架，工作面回采時152～168架不放煤，并在架前掛網護頂。

（2）煤自燃征兆

通過郭家河煤礦1308工作面自燃標志性氣體測試試驗進行數據分析，可以確定1308采空區工作面內的煤自燃征兆凸顯過程：初期工作面CO濃度超過正常波動最大峰值，逐步上升；在CO濃度出現第一次突變（大約440ppm）時，采空區內出現C2H4氣體；CO出現第二次濃度突變（800～1000ppm）時，工作面氣體中C2H4氣體濃度超過2ppm。

2.2 遺煤自燃原因分析

（1）1308工作面內的遺煤厚度4～16m，達到最小浮煤厚度?，F場遺煤進行氧化復合反應產生熱量時，熱量能夠積聚導致煤體升溫引發自燃。

（2）回風順槽1900m處因超前壓力影響，煤體形成裂隙，與鉆孔產生漏風，提供了煤自燃所需的充足供氧的需求。

（3）現場高抽巷布置在采空區裂隙帶瓦斯富集區內，導致采空區漏風加重。

1308 工作面總共安裝支架168架，后部溜尾安裝在156架，工作面回采時152架至168架不放煤，目前高抽巷位置在157架上方，正好在不放煤區域內且高抽巷層位較高。

在回采過程中，由于高抽巷不在垮落帶，導致其不能隨著工作面向前推進及時垮落，致使高抽巷延伸至采空區深部。抽放時一直不斷給采空區深部供氧，擴大采空區氧化帶，造成采空區深部區域遺煤氧化，產生CO、C2H4等氣體從高抽巷抽出，甚至氧化升溫帶和自燃帶向采空區深部進一步移動，如圖4所示，進一步擴大采空區三帶覆蓋的遺煤面積（散熱帶O2濃度≥18.5%；自燃帶O2濃度10%～18.5%；窒息帶O2濃度≤10%）。

圖4 高抽巷影響下的采空區三帶偏移量示意圖

充足的氧氣給采空區浮煤提供了氧化動力基礎，高抽巷負壓產生的漏風風壓促使遺煤與氧氣接觸區域進一步擴大，遺煤氧化現象加劇，最終導致采空區遺煤自燃的發生。

3 采空區煤自燃協同防控技術及應用

3.1 多方法協同治理技術

（1）堵漏技術（工作面兩端頭封堵）。采空區的堵漏技術主要是采用打墻封堵、水泥噴漿、泡沫噴涂等，也有采用膠體進行深部隔離。本質上都是為了緩解漏風程度進行氧氣隔絕，從而有效地降低煤自燃火災發生的概率。

（2）降溫技術（灌漿、三相泡沫等）。通過一定的裝置將防滅火泥漿運輸到煤自燃點，對可能自燃的危險區域采取注水措施，使水填充煤粒空隙，增加煤體含水量，從而達到抑制煤自燃趨勢；或者是對采空區可能存在危險的區域內注入惰性氣體如N2和CO2等，控制采空區內的氧氣濃度；或者加添阻化劑，包裹煤體排斥氧氣，阻斷煤氧復合反應序列，減緩其蓄熱的效率，控制煤溫在較低水平。

（3）高抽巷降壓控氧（爆破切斷高抽巷、高抽巷打孔泄壓）優化高抽巷下方深孔預裂爆破工藝。通過打孔泄壓的方式，控制高抽巷內的風流壓力或風流速度，減小漏風強度，降低負壓，減少對采空區深部的供氧，從而達到抑制采空區煤自燃的作用。

3.2 現場應用

（1）1308工作面上口超前棚向外100m（1308高抽巷1910m位置）左右向高抽巷再施工一個取樣觀測孔取樣分析。

（2）7月28日向采空區注氮氣和黃泥漿加三相泡沫。

（3）在回風順槽頂板，工作面切眼向外15m，方位角180°，傾角14°位置向采空區裂隙帶打鉆孔，并全程下2趟1寸鋼管，鋼管上打3mm孔。下完鋼管后，進行封孔，向采空區裂隙帶注水。

（4）在152架至168架后打5～6m鉆孔并全程下4分套管，向煤體內注凝膠（水玻璃和MCA促凝劑混合成膠），封堵裂隙，形成隔離帶。

（5）提高工作面上、下口的打墻封堵質量，最大限度地減少采空區漏風，縮小采空區氧化帶范圍。

（6）精準施治高抽巷長懸臂難題：① 上抬溜尾段，跟頂回采；② 向高抽巷采空區打鉆（采空區以里60m），注泡沫凝膠、高水充填材料，封堵底板及下方裂隙。

（7）加強上下兩道堵漏。頂板用雙排煤矸石袋封嚴堵死，并噴涂艾格勞尼，吊掛風帳.

（8）從工作面向外30m在回風順槽煤壁每隔5m施工一組高位鉆孔，優化高抽巷下方深孔預裂爆破工藝。

1308 工作面采空區的關鍵問題是回采過程中高抽巷不能及時垮落的問題，通過：優化高抽巷下方深孔預裂爆破工藝；施工短孔，貫通采空區側高抽巷，降低負壓；施工扇形孔，形成隔離帶。每天確保施工一個扇形孔和高抽巷貫通孔，并優先施工高抽巷下方爆破孔、高抽巷降壓孔，扼制高抽巷深部對采空區供氧的情況。

圖5 郭家河1308工作面協同防控布置圖

圖6 1308高抽巷內CO氣體變化曲線圖

3.3 工作面煤自燃災害防治效果

根據試驗測試結果，選定CO氣體濃度的變化趨勢作為1308工作面采空區煤體升溫氧化的指標，進行采空區內的遺煤自然發火過程預警預報。

隨著1308工作面推進，氧氣濃度在風流方向上呈下降趨勢。高抽巷CO濃度在7月28日之前呈正常數值60～100ppm，29日突然升至110ppm，此后上升至266ppm，初步懷疑可能是高抽巷密閉墻向里至850m段高抽巷內出現煤氧化高溫點。為防止采空區遺煤自燃，采取了工作面兩端頭封堵，灌漿、三相泡沫等，爆破切斷高抽巷、高抽巷打孔泄壓等多項措施協同治理，此后采空區的CO濃度開始下降，直至CO濃度波動水平處在正常范圍之內，驗證了高抽巷影響下的采空區遺煤自燃預防，在多方法協同防控下的可行性。

4 結論

（1）試驗測定了郭家河礦煤樣的臨界溫度為70℃～80℃，干裂溫度為110℃～120℃，確定CO濃度變化趨勢為該工作面煤自燃預警的主要指標。

（2）理論分析了采空區遺煤自燃的原因：采空區遺煤厚度達到最小浮煤厚度；高抽巷不在垮落帶，造成高抽巷不能隨工作面向前推進及時垮落，且回風順槽因超前壓力影響，煤體形成裂隙與鉆孔產生漏風風流，導致采空區深部漏風嚴重。

（3）構建了以“端頭封堵控氧、填充降溫隔氧、高抽巷降壓控氧”為主的多方法協同治理技術方案，經現場實踐，驗證了該方法的可行性，為類似情況的礦井煤自燃危害防治提供了寶貴的實踐經驗。