高瓦斯礦井自然發(fā)火防治與瓦斯治理技術(shù)研究

黃曉鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督查大隊(duì)，山西 大同037003）

1 工程概況

煤峪口礦位于山西省大同市境內(nèi)，井田東部以煤層露頭為界，北接忻州窯井田，南臨永定莊煤業(yè)井田，礦井為高瓦斯礦井，煤層屬自燃煤層，自燃等級(jí)為Ⅰ類，煤層最短自然發(fā)火周期為30 d，目前，礦井主采14號(hào)煤層，1煤層上覆11、12號(hào)合并煤層，現(xiàn)已回采結(jié)束，采空區(qū)已完全封閉，14號(hào)煤層410盤區(qū)位于礦井東部，與上覆采空區(qū)垂直間距為1.5～14.8 m，為近距離開采煤層。

2 瓦斯來源及內(nèi)因火災(zāi)形成原因

2.1 瓦斯來源

14號(hào)煤層410盤區(qū)開采初期，對(duì)上覆11、12號(hào)合并煤層采空區(qū)氣體取樣化驗(yàn)，確定瓦斯?jié)舛仍?.64%～43.58%之間，由于上覆采空區(qū)與410盤區(qū)間距較近，在采動(dòng)影響下，采空區(qū)極易發(fā)生塌陷，屆時(shí)，11、12號(hào)合并煤層采空區(qū)游離的瓦斯會(huì)隨巖層裂隙大量滲透至410盤區(qū)，造成工作面瓦斯氣體超限的問題。

2.2 內(nèi)因火災(zāi)形成原因

14號(hào)煤層為特厚煤層，開采方法為綜合機(jī)械化低位放頂煤一次采全高開采技術(shù)，該工藝生產(chǎn)強(qiáng)度高，放煤力度大，工作面回采期間，采空區(qū)遺煤多，漏風(fēng)量大，隨著11、12、14號(hào)煤層采空區(qū)的坍塌聯(lián)通，極易形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道對(duì)采空區(qū)進(jìn)行持續(xù)供氧，采空區(qū)遺煤在長時(shí)間氧化過程中，溫度逐漸升高，風(fēng)化程度加劇，出現(xiàn)煤層自燃的威脅性增加。

3 瓦斯與自然發(fā)火綜合防治技術(shù)

14號(hào)煤層410盤區(qū)開采期間，瓦斯來源復(fù)雜，工作面瓦斯游離濃度較高，為解決這一難題，需通過埋設(shè)管路，對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行有效抽放，該工藝能夠有效降低瓦斯?jié)舛?，消除瓦斯積聚威脅，但瓦斯抽放期間，會(huì)造成采空區(qū)漏風(fēng)量增大，加劇采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的威脅，從而誘發(fā)瓦斯爆炸事故，對(duì)工作面設(shè)備及人員造成嚴(yán)重傷害，反之，若通過遞減配風(fēng)量減少采空區(qū)漏風(fēng)量，則會(huì)在一定程度上影響瓦斯稀釋效果，因此，在410盤區(qū)開采期間，需協(xié)調(diào)、平衡好瓦斯治理與火災(zāi)防治的關(guān)系，使瓦斯與火災(zāi)隱患得到兼治。針對(duì)410盤區(qū)生產(chǎn)情況，現(xiàn)提出通過層間鉆孔抽放法配合“疊加”采空區(qū)“旁路式”注氮、巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮綜合治理技術(shù)治理瓦斯與自然發(fā)火難題[1]。

3.1 層間鉆孔抽放法配合“旁路式”注氮

根據(jù)采動(dòng)裂隙“O型”圈理論可知[2]，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，在采動(dòng)因素的影響下，采空區(qū)逐漸下沉，采空區(qū)中部的裂隙逐漸壓實(shí)，同時(shí)在煤層上覆老空區(qū)四周形成一個(gè)聯(lián)通的“O型”結(jié)構(gòu)采動(dòng)裂隙發(fā)育圈，在該區(qū)域內(nèi)，瓦斯積聚程度高，周圍煤巖體內(nèi)的游離瓦斯會(huì)源源不斷的匯集于此，形成一個(gè)儲(chǔ)存瓦斯氣體的“瓦斯庫”，因此，為提高抽采效果，可通過在本煤層頂板上方打設(shè)鉆孔至上覆老空區(qū)采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，即在14號(hào)煤層上方布置層間鉆孔至11、12號(hào)合并煤層采空區(qū)裂隙發(fā)育區(qū)，對(duì)瓦斯積聚區(qū)域的游離瓦斯進(jìn)行有效抽采。410盤區(qū)瓦斯抽放期間，采空區(qū)游離的瓦斯氣體大量減少，從而會(huì)在采空區(qū)內(nèi)形成一個(gè)“負(fù)壓區(qū)”，在采動(dòng)以及礦壓的作用下，高壓區(qū)的氣體會(huì)逐漸向低壓區(qū)涌入，形成大量的漏風(fēng)裂隙和通道，加劇采空區(qū)遺煤氧化升溫的趨勢(shì)[3]，由于11、12號(hào)合并煤層與14號(hào)煤層采空區(qū)處于聯(lián)通疊加結(jié)構(gòu)，極易造成上覆采空區(qū)遺煤的二次氧化與本煤層采空區(qū)的一次氧化疊加的，形成較大的火災(zāi)威脅。

針對(duì)這一問題，提出“旁路式”注氮技術(shù)工藝，即在通過鉆孔對(duì)上覆老空區(qū)采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放后，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮，用來置換被抽采出的瓦斯氣體，降低“負(fù)壓區(qū)”的壓力，減少漏風(fēng)通道的形成，進(jìn)而起到稀釋瓦斯?jié)舛?、降低采空區(qū)遺煤發(fā)火的目的[4-5]。

以14號(hào)層410盤區(qū)81004綜采工作面為例，根據(jù)81004綜放工作面的回采情況，在51004巷布置3組鉆場，鉆場編號(hào)為1-3號(hào)，每組鉆場布置15個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑為75 mm，鉆孔間距為1 m。其中，1號(hào)鉆場位于距81004切割巷250m位置處，2號(hào)鉆場位于距81004切割巷550 m位置處，3號(hào)鉆場位于距81004切割巷850 m位置處，自51004巷頂部向11、12號(hào)合并煤層冒落帶上方、裂隙帶下方的瓦斯積聚區(qū)域打設(shè)仰角鉆孔，留設(shè)規(guī)格為Φ108mm的套管，將瓦斯抽放管套入套管，利用瓦斯抽放管對(duì)富集區(qū)域的瓦斯進(jìn)行抽采，同時(shí)，在與81004綜采工作面相鄰的51006巷內(nèi)布置2趟規(guī)格為φ108mm的注氮管路，其中，一趟管路對(duì)81004工作面采空區(qū)進(jìn)行注氮，另一趟管路對(duì)81004工作面“疊加”采空區(qū)進(jìn)行注氮。81004工作面鉆孔抽放法配合“旁路式”注氮法示意如圖1所示。

圖1 81004工作面鉆孔抽放法配合“旁路式”注氮法示意圖

3.2 巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮

14號(hào)煤層410盤區(qū)開拓巷道掘進(jìn)期間，由于與上覆煤層采空區(qū)間距較近，巷道開掘過程中在礦壓的作用下會(huì)在頂板位置處形成大量的裂隙，造成上覆采空區(qū)游離的瓦斯向掘進(jìn)工作面擴(kuò)散，并在工作面大量積聚，針對(duì)裂隙漏風(fēng)這一問題，利用羅克休將裂縫封堵，同時(shí)，在開拓巷道掘進(jìn)完成后，將其密閉，在密閉鋪設(shè)200 m規(guī)格為φ315 mm的抽放管路，通過回風(fēng)大巷與410盤區(qū)回風(fēng)巷的抽放主管相連，利用瓦斯抽放泵站對(duì)上覆層瓦斯抽放，同時(shí)在相鄰巷道布置注氮管路，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮，用來置換被抽采出的瓦斯氣體，降低游離瓦斯?jié)舛?、防止采空區(qū)遺煤發(fā)火。巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮法示意如圖2所示。

圖2 巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮法示意圖

4 實(shí)踐效果

煤峪口礦14號(hào)煤層410盤區(qū)應(yīng)用瓦斯與自然發(fā)火綜合防治技術(shù)以來，實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，工作面零自然發(fā)火的安全目標(biāo)，年度累計(jì)抽放瓦斯量為740 190 m3，累計(jì)注氮量為7 855 050 m3，開拓巷道掘進(jìn)期間，掘進(jìn)工作面最大瓦斯?jié)舛葹?.38%，410盤區(qū)綜放工作面回采期間，上隅角瓦斯最大濃度為0.46%，回風(fēng)流中瓦斯最大濃度為0.24%，采空區(qū)遺煤未出現(xiàn)明顯升溫氧化現(xiàn)象，各類氣體濃度正常，礦井生產(chǎn)安全性得到了有效保障。

5 結(jié)語

針對(duì)煤峪口礦瓦斯與火災(zāi)治理難題，以煤層上覆采空區(qū)采動(dòng)裂隙“O型”圈理論為依據(jù)，利用層間鉆孔抽放法配合"旁路式"注氮、巷道預(yù)抽法配合采空區(qū)“旁路式”注氮技術(shù)工藝對(duì)巷道掘進(jìn)期間、煤層回采期間的瓦斯與火災(zāi)隱患進(jìn)行綜合治理，在抽放瓦斯的同時(shí)，降低了采空區(qū)漏風(fēng)量與遺煤氧化程度，從根源上解決了工作面瓦斯及內(nèi)因火災(zāi)事故，保障了礦井安全生產(chǎn)。