沁裕煤礦綜采工作面采空區(qū)煤自燃防治技術(shù)研究

郭 曉 飛

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212）

0 引 言

在回采技術(shù)不斷進(jìn)步的條件下，工作面的采高也隨之不斷增高、產(chǎn)量不斷加大、日推進(jìn)速度也在不斷加快[1]，與此同時(shí)，采空區(qū)的遺煤量也在不斷增加，漏風(fēng)分布復(fù)雜、對(duì)周?chē)簬r的采動(dòng)影響增強(qiáng)、煤巖體宏觀(guān)裂隙更為發(fā)育、冒落空間大等問(wèn)題也愈加嚴(yán)重，在這些因素的共同影響下，采空區(qū)內(nèi)的遺煤自燃幾率急劇增加，從而導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)頻繁發(fā)火[2-3]，若不對(duì)其進(jìn)行及時(shí)有效的治理，勢(shì)必會(huì)引起重大的煤礦安全生產(chǎn)事故的發(fā)生，造成難以挽回的財(cái)產(chǎn)損失[4]。

沁裕煤礦綜采工作面埋深達(dá)到了570m，該綜采工作面采高較高，采空區(qū)內(nèi)遺煤量較多，存在著較高的發(fā)火幾率，探究誘發(fā)該工作面采空區(qū)內(nèi)的發(fā)火原因并針對(duì)性的提出治理措施已成為當(dāng)前該礦急需解決的首要任務(wù)。

1 工程概況

沁裕煤礦綜采工作面為走向長(zhǎng)臂布置，所采煤層為15 號(hào)煤，采高為4.3m，工作面平面積達(dá)到了262000m2，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷為其回采巷道，其中進(jìn)風(fēng)巷走向長(zhǎng)度為920m，回風(fēng)巷走向長(zhǎng)度為950m，這兩條巷道在掘進(jìn)期間均采用錨網(wǎng)索噴聯(lián)合支護(hù)的方式對(duì)其進(jìn)行支護(hù)。且工作面在推進(jìn)期間采用架間灑漿，上、下隅角碼垛隔離，過(guò)斷層期間打鉆孔注入防火材料等綜合防火措施，雖然具有一定的治理效果，但采空區(qū)內(nèi)仍會(huì)時(shí)有發(fā)生遺煤自燃的現(xiàn)象，給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的威脅，故急需探明該工作面采空區(qū)內(nèi)煤層自燃發(fā)火的原因，并針對(duì)性的對(duì)治理措施進(jìn)行合理優(yōu)化，表1 為該工作面頂?shù)装鍑鷰r賦存情況及力學(xué)參數(shù)表。

表1 巷道頂?shù)装鍑鷰r力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表1 可知，所采15 號(hào)煤層強(qiáng)度偏低，抗壓強(qiáng)度僅為14.8MPa，直接頂和直接底均為泥巖，層厚分別為4.5m 和2.5m，抗壓強(qiáng)度約為18MPa，在強(qiáng)烈的采動(dòng)影響下，直接頂和直接底易發(fā)生破碎，裂隙進(jìn)一步發(fā)育。

2 工作面煤層特征研究

2.1 15 號(hào)煤自燃傾向

根據(jù)礦方所提供的煤層自燃發(fā)火傾向的鑒定報(bào)告可知，沁裕煤礦所采15 號(hào)煤層自燃傾向?yàn)棰蝾?lèi)，屬于易自燃傾向性煤層，發(fā)火期時(shí)間較長(zhǎng)，為2～6 個(gè)月。

2.2 煤塵爆炸性試驗(yàn)

由礦方所提供的沁裕煤礦15 號(hào)煤層煤塵爆炸性鑒定結(jié)論可知，15 號(hào)煤火焰長(zhǎng)度超過(guò)了400mm，抑制煤塵爆炸的最低巖粉量達(dá)到了80%，15 號(hào)煤煤塵具有爆炸性，具體情況可見(jiàn)表2。

表2 15 號(hào)煤層爆炸性檢測(cè)結(jié)果

2.3 15 號(hào)煤自燃發(fā)火標(biāo)志氣體

沁裕煤礦15 號(hào)煤低溫氧化測(cè)試結(jié)果顯示，100℃～120℃是該煤層氧化速度加快的拐點(diǎn)，其自燃標(biāo)志性氣體為CO，臨界值處于48～54ppm 之間，輔助指標(biāo)標(biāo)志氣體為C2H4、C2H6以及C3H8，所對(duì)應(yīng)的臨界值分別為4～4ppm、2～3ppm 和1～3ppm。

3 工作面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

為了更好的觀(guān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)各氣體濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化趨勢(shì)，在回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷各分別設(shè)置三個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)觀(guān)測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔50m，當(dāng)氧氣濃度降低至5%以下時(shí)即可停止觀(guān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)示意圖如圖1 所示。

布置測(cè)點(diǎn)時(shí)在回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷沿底板靠近煤壁側(cè)鋪設(shè)單芯束管，且單芯束管應(yīng)與煤壁鋪設(shè)的錨網(wǎng)相綁定，距離巷道底板高度為1.5m，由各個(gè)測(cè)點(diǎn)負(fù)責(zé)蹲點(diǎn)的人員使用氣囊來(lái)對(duì)采空區(qū)的氣樣進(jìn)行獲取，將獲取后的氣樣送至實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行測(cè)定分析。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)示意圖

將監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)，其中圖2 為5 號(hào)測(cè)點(diǎn)各氣體濃度值隨工作面距離的變化曲線(xiàn)。

圖2 5 號(hào)測(cè)點(diǎn)各氣體濃度值隨與工作面距離的變化曲線(xiàn)

結(jié)合各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)所得到的溫度、氣體濃度可知，2號(hào)、3 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)在40m 以外均監(jiān)測(cè)得到了C2H6，而該區(qū)域的溫度穩(wěn)定在30℃，處于正常值。當(dāng)各測(cè)點(diǎn)位于工作面后方70m～85m 范圍內(nèi)時(shí)甲烷含量出現(xiàn)了大幅降低，表明位于此區(qū)域范圍內(nèi)的浮煤處于氧化程度急劇加深蔓延階段，礦方應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)視處于該范圍內(nèi)的采空區(qū)溫度以及各氣體含量，必要時(shí)須采取防滅火技術(shù)措施。

4 工作面采空區(qū)發(fā)火原因

綜合上述分析，可將工作面采空區(qū)的發(fā)火原因歸結(jié)為如下幾點(diǎn)：

1）該工作面埋深相對(duì)較深，達(dá)到了570m，在進(jìn)行回采時(shí)礦壓強(qiáng)度較大，而15 號(hào)煤以及直接頂、直接底圍巖強(qiáng)度偏低，在強(qiáng)烈的采動(dòng)影響下煤巖體易形成大量裂隙從而產(chǎn)生漏風(fēng)通道，該工作面處于良好的氧化升溫環(huán)境，同時(shí)由于工作面尺寸較大、推進(jìn)速度較快，采空區(qū)內(nèi)遺煤較多，自燃發(fā)火的可能性較大。

2）在進(jìn)行回采時(shí)，由于進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷巷道煤柱裂隙發(fā)育，與相鄰采空區(qū)之間存在一定壓差，同時(shí)工作面附近存在一定數(shù)量的老空區(qū)，當(dāng)工作面推進(jìn)至老空區(qū)附近時(shí)，所處的應(yīng)力環(huán)境較為復(fù)雜，致使煤柱進(jìn)一步壓裂、破碎，巷道與相鄰采空區(qū)間的壓差進(jìn)一步增大，漏風(fēng)強(qiáng)度增大。

3）工作面后方70m～85m 范圍內(nèi)的浮煤處于氧化程度急劇加深蔓延階段，礦方對(duì)此監(jiān)測(cè)、重視程度不夠。

5 治理措施

根據(jù)工作面采空區(qū)自燃發(fā)火的原因，制定出如下防滅火措施對(duì)其進(jìn)行治理：

1）采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面后方70m～85m范圍內(nèi)的溫度以及各類(lèi)氣體進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其中所監(jiān)測(cè)的氣體主要包括N2、CO、O2、CH4、C2H4、C2H6。

2）進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷每隔200m 向上幫打鉆一個(gè)觀(guān)察孔，通過(guò)觀(guān)察孔可及時(shí)對(duì)采空區(qū)氣體情況進(jìn)行掌握，每隔20m 則向下幫打鉆一個(gè)補(bǔ)漿孔，必要時(shí)可通過(guò)該孔向采空區(qū)灌注黃泥漿防火。

3）對(duì)存在漏風(fēng)的區(qū)域進(jìn)行全程注漿處理，優(yōu)化外圍通風(fēng)系統(tǒng)，并對(duì)工作面的風(fēng)量進(jìn)行重新調(diào)配，保證采空區(qū)與本工作面通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。

4）在工作面進(jìn)行埋管注氮，注氮管路應(yīng)深入采空區(qū)不少于10m，若監(jiān)測(cè)得到的CO 濃度超過(guò)閾值，應(yīng)及時(shí)加大注氮量和注氮強(qiáng)度。在注氮過(guò)程中應(yīng)保證現(xiàn)場(chǎng)的氧氣濃度在20%左右，若低于該值，應(yīng)中斷注氮操作并組織工作人員及時(shí)撤離現(xiàn)場(chǎng)。

6 治理效果評(píng)定

工作面綜合防滅火技術(shù)實(shí)施以后通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)各氣體濃度進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示該工作面O2濃度基本處于20%左右，CO 濃度處于0～10ppm 之間波動(dòng)，遠(yuǎn)小于臨界值，表明采空區(qū)內(nèi)的遺煤已基本不再燃燒，綜合防滅火技術(shù)對(duì)采空區(qū)內(nèi)煤層自燃發(fā)火的情況治理效果顯著。

7 結(jié) 論

1）沁裕煤礦綜采工作面附近煤巖體在采動(dòng)影響下易形成大量裂隙從而產(chǎn)生漏風(fēng)通道，當(dāng)工作面推進(jìn)至老空區(qū)附近時(shí)，回采巷道與相鄰采空區(qū)間的壓差進(jìn)一步增大，漏風(fēng)強(qiáng)度增大，而采空區(qū)處于良好的氧化升溫環(huán)境，再加上采空區(qū)內(nèi)遺煤較多，從而導(dǎo)致煤層自燃發(fā)火的可能性較大。

2）根據(jù)采空區(qū)的發(fā)火原因，針對(duì)性的提出了相應(yīng)的防滅火措施，工程監(jiān)測(cè)結(jié)果表明該治理措施對(duì)煤層自燃發(fā)火的情況治理效果顯著，滿(mǎn)足礦井的正常安全生產(chǎn)。