郭興明（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003）

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半孤島綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測及治理技術(shù)研究

郭興明
（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003）

摘要在對(duì)半孤島綜放工作面采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)岱莊煤礦2108半孤島綜放工作面的實(shí)際情況,研究確定了工作面鄰側(cè)、后部采空區(qū)監(jiān)測技術(shù)及工作面通風(fēng)壓能監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合的采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測方案,對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火隱患及漏風(fēng)源起到了重要作用,有效提高了自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性,同時(shí)有針對(duì)性地提出了采空區(qū)自然發(fā)火的治理對(duì)策,保障了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞半孤島綜放工作面 自然發(fā)火 采空區(qū) 監(jiān)測技術(shù) 隱患 漏風(fēng)源

煤炭自燃是我國煤礦開采期間的主要災(zāi)害之一,礦井一旦發(fā)生煤炭自燃,會(huì)危及井下作業(yè)人員的身體健康和生命安全,造成煤炭資源的大量損失,對(duì)礦井的安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著礦井開采深度和強(qiáng)度的不斷加大以及高產(chǎn)高效新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,采空區(qū)遺煤量增多、漏風(fēng)量增大、漏風(fēng)規(guī)律更加復(fù)雜、自然發(fā)火期縮短,采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的危險(xiǎn)性大大增加。而半孤島綜放工作面的應(yīng)力更加集中,特別是鄰近采空區(qū)的巷道區(qū)域,更易造成工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈、巷道變形破壞嚴(yán)重,同時(shí)由于工作面鄰側(cè)采空區(qū)存在大量遺煤,而留設(shè)的煤柱在采動(dòng)影響和集中應(yīng)力影響下極易發(fā)生變形和破壞,形成裂隙,產(chǎn)生漏風(fēng)通道,故鄰側(cè)采空區(qū)存在很大的自然發(fā)火危險(xiǎn)性。

自然發(fā)火監(jiān)測技術(shù)是煤炭自燃防治中的首要環(huán)節(jié),對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火隱患,進(jìn)而采取及時(shí)有效的治理措施具有重要的參考價(jià)值。因此,對(duì)半孤島綜放工作面自然發(fā)火監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行研究,對(duì)于防止自然發(fā)火事故的發(fā)生,降低自然發(fā)火的防治成本,保障工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1　工作面概況

山東岱莊煤礦主采3＃煤層,煤層構(gòu)造較簡單,傾角為10°左右,平均厚度8.73 m,采用綜采放頂煤開采工藝。該煤層具有強(qiáng)烈的自然發(fā)火傾向性。2108工作面位于3＃煤層,是典型的半孤島工作面,鄰側(cè)為2107工作面采空區(qū),巷道與鄰側(cè)采空區(qū)的隔離煤柱為6 m,工作面走向長度904 m,傾斜長度82 m,該工作面的自然發(fā)火傾向性等級(jí)為I 類,在該工作面取樣實(shí)測得出最短自然發(fā)火期僅為36 d。

2　半孤島綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火特點(diǎn)分析

（1）采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律復(fù)雜。綜放工作面的開采高度和強(qiáng)度大,采空區(qū)的冒落高度和范圍明顯大于綜采工作面,從而造成采空區(qū)上覆巖層中的離層裂隙和采動(dòng)裂隙更多、范圍更廣,更容易溝通鄰近的煤層和相鄰的工作面空間,形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道條件。半孤島綜放工作面與鄰側(cè)采空區(qū)的隔離煤柱存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中情況,特別是在采動(dòng)集中應(yīng)力作用下,隔離煤柱極易被壓酥,產(chǎn)生大量漏風(fēng)裂隙,甚至發(fā)生破壞,從而使工作面后部采空區(qū)與鄰近采空區(qū)連通在一起,使工作面與鄰近采空區(qū)具備漏風(fēng)通道條件。在工作面通風(fēng)負(fù)壓和漏風(fēng)通道條件下,使得工作面、其后部采空區(qū)及鄰近采空區(qū)三者之間產(chǎn)生漏風(fēng),且漏風(fēng)通道復(fù)雜,漏風(fēng)強(qiáng)度多變。在復(fù)雜的漏風(fēng)條件和較大漏風(fēng)量下,采空區(qū)的大量遺煤發(fā)生自然發(fā)火的危險(xiǎn)性和自然發(fā)火不確定性大為增加。

（2）采空區(qū)自燃高溫區(qū)域動(dòng)態(tài)變化。半孤島工作面采空區(qū)的漏風(fēng)規(guī)律復(fù)雜,采空區(qū)自燃帶內(nèi)的大量遺煤在漏風(fēng)供氧條件下,會(huì)發(fā)生煤氧復(fù)合作用,并產(chǎn)生大量氧化放熱,在熱量集聚到一定程度后,就會(huì)發(fā)生煤炭自燃,并形成高溫火源點(diǎn)。由于半孤島工作面的漏風(fēng)流場會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,進(jìn)而造成高溫火源點(diǎn)位置和范圍發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,同時(shí)由于采空區(qū)自燃三帶隨工作面推進(jìn)而不斷前移,不斷地形成新的自燃高溫區(qū)域,高溫火源區(qū)域隨工作面推進(jìn)始終處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài),增大了采空區(qū)自然發(fā)火的監(jiān)測難度和發(fā)生自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。

（3）采空區(qū)周邊和兩道兩線發(fā)火率高。綜放工作面回采期間,老頂會(huì)發(fā)生周期破斷,老頂巖塊間會(huì)產(chǎn)生立體咬合關(guān)系,形成砌體梁結(jié)構(gòu),老頂?shù)乃闹芰芽p貫通后會(huì)形成O形圈,導(dǎo)致老頂周圍裂隙的發(fā)育和貫通程度大,所以采空區(qū)周邊是重要的漏風(fēng)通道,且其漏風(fēng)強(qiáng)度較大,造成采空區(qū)周邊區(qū)域自然發(fā)火率居高不下。

綜放開采工藝的進(jìn)、回風(fēng)巷道支架處的放煤率低,在采動(dòng)影響下,頂煤受壓而發(fā)生破碎、壓酥、離層等現(xiàn)象,具備良好的漏風(fēng)條件和氧化蓄熱環(huán)境;綜放工作面初采期間推進(jìn)速度較慢,回采率低,導(dǎo)致開切眼區(qū)域的遺煤量大且較松散破碎,遺煤氧化作用時(shí)間長;在距停采線一定距離時(shí),工作面不放頂煤,該區(qū)域存在大量遺煤,故綜放工作面在末采和回撤期間容易發(fā)生煤炭自燃。因此,綜放工作面的進(jìn)、回風(fēng)巷道、開切眼及停采線區(qū)域的自然發(fā)火危險(xiǎn)性大。

（4）巷道鄰側(cè)采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性高于工作面后部采空區(qū)。綜放工作面回采期間,其后部采空區(qū)遺煤處于初次氧化階段,而鄰近采空區(qū)遺煤處于二次氧化階段,鄰近采空區(qū)的遺煤往往已經(jīng)發(fā)生過氧化作用,集聚了一定熱量,煤體溫度較高,試驗(yàn)研究表明,煤體在二次氧化期間的耗氧速率和放熱強(qiáng)度均較初次氧化期間明顯增大,所以二次氧化期間的自然發(fā)火期明顯縮短,自然發(fā)火的發(fā)生率增加,故工作面巷道鄰側(cè)采空區(qū)較工作面后部采空區(qū)更容易發(fā)生自然發(fā)火。

3　半孤島工作面采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測技術(shù)

通過上述分析認(rèn)為應(yīng)加強(qiáng)對(duì)半孤島綜放工作面采空區(qū)（特別是鄰近采空區(qū)）自然發(fā)火的監(jiān)測,以提高自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和實(shí)效性。為此,根據(jù)2108工作面的實(shí)際情況,確定了工作面鄰近采空區(qū)、后部采空區(qū)的自然發(fā)火監(jiān)測方案以及工作面通風(fēng)壓能監(jiān)測方案。

3.1鄰側(cè)采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測方案

在2108工作面回風(fēng)巷向其鄰側(cè)的2107采空區(qū)施工自然發(fā)火監(jiān)測鉆孔,鉆孔沿工作面走向布置,鉆孔間距20 m,鉆孔長度6 m,鉆孔高度為距煤層底板1.5 m,監(jiān)測鉆孔的具體布置如圖1所示。

每個(gè)監(jiān)測鉆孔布置溫度傳感器和取樣束管各一路,通過鋼管將溫度傳感器和取樣束管送入預(yù)定位置,同時(shí)鋼管可起到防護(hù)作用。在取氣束管前端安設(shè)粉塵過濾器以防止采空區(qū)的煤塵將束管堵塞,鋼管的兩端頭用快速水泥進(jìn)行封堵,并對(duì)其密封效果進(jìn)行檢驗(yàn),以確保通過束管所取氣樣為2107采空區(qū)內(nèi)氣體,監(jiān)測鉆孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。隨著2108工作面推進(jìn),每天采集并記錄各防滅火監(jiān)測鉆孔的溫度數(shù)據(jù),同時(shí)采集氣樣,并通過氣相色譜分析儀對(duì)各監(jiān)測鉆孔氣樣進(jìn)行分析。

圖1　鄰側(cè)采空區(qū)監(jiān)測鉆孔布置

圖2　監(jiān)測鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2工作面后部采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測方案

在2108工作面的后部采空區(qū)預(yù)先埋設(shè)束管和溫度傳感器,共布置了7個(gè)束管取樣和溫度監(jiān)測點(diǎn),其中1＃、2＃監(jiān)測點(diǎn)布置于進(jìn)風(fēng)巷,3＃、4＃監(jiān)測點(diǎn)布置于回風(fēng)巷,在工作面20＃、40＃和60＃支架后依次布置5＃、6＃、7＃監(jiān)測點(diǎn),其中1＃、3＃監(jiān)測點(diǎn)距5＃、6＃、7＃監(jiān)測點(diǎn)15 m,距2＃、4＃監(jiān)測點(diǎn)30 m,每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都安設(shè)溫度傳感器和束管裝置,溫度傳感器采用鉑電阻溫度傳感器。束管取樣和溫度監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖3所示。

各監(jiān)測點(diǎn)的溫度傳感器和取樣束管均放入鋼管中加以保護(hù),同樣在取氣束管前端安設(shè)粉塵過濾器。每天對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行記錄,并通過氣相色譜分析儀對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)所取氣樣進(jìn)行分析,根據(jù)束管監(jiān)測結(jié)果,確定2108工作面自燃三帶的分布規(guī)律,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)工作面回風(fēng)隅角、支架后部采空區(qū)和回風(fēng)流的氣體監(jiān)測。

圖3　束管取樣和溫度監(jiān)測點(diǎn)布置

3.3工作面通風(fēng)壓能監(jiān)測方案

2108工作面通風(fēng)壓能監(jiān)測的測點(diǎn)布置如圖4所示,在2108進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)流入口、巷道中部和進(jìn)風(fēng)隅角各布置一個(gè)測點(diǎn),在距進(jìn)風(fēng)隅角30 m、60 m處的工作面區(qū)域均布置一個(gè)測點(diǎn),在2108回風(fēng)巷的回風(fēng)隅角、風(fēng)流出口、距回風(fēng)隅角每隔50 m的位置均布置測點(diǎn),每天采用精密氣壓計(jì)對(duì)工作面區(qū)域各測點(diǎn)的氣體壓力進(jìn)行測點(diǎn),并對(duì)進(jìn)、回風(fēng)巷和工作面的風(fēng)速、風(fēng)量等風(fēng)流基本參數(shù)進(jìn)行測定;同時(shí)通過2107采空區(qū)監(jiān)測鉆孔,每天對(duì)各鉆孔連通的2107采空區(qū)氣壓進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,對(duì)2108工作面采空區(qū)和鄰側(cè)采空區(qū)的漏風(fēng)狀況進(jìn)行分析,并對(duì)漏風(fēng)量進(jìn)行估計(jì)。

圖4　工作面通風(fēng)壓能測點(diǎn)布置

4　半孤島工作面采空區(qū)自然發(fā)火治理對(duì)策

（1）對(duì)2108工作面鄰側(cè)及后部采空區(qū)進(jìn)行預(yù)防性灌漿,采用以粉煤灰為主的注漿材料,水灰比為2.5∶1,同時(shí)配以5%～10%的阻化劑。在2107采空區(qū)的監(jiān)測鉆孔間施工注漿鉆孔,在工作面中部、進(jìn)回風(fēng)巷道布置3路注漿管路,工作面的注漿口距工作面約35 m,且隨工作面推進(jìn)而前移,每天在檢修班持續(xù)注漿3 h以上。

（2）若2108工作面鄰側(cè)的2107采空區(qū)的CO濃度異常升高或出現(xiàn)C2H2氣體,同時(shí)溫度也在持續(xù)升高,說明2107采空區(qū)已經(jīng)存在自然發(fā)火跡象,采用DT－700型制氮機(jī)通過預(yù)防性注漿鉆孔向2107采空區(qū)間斷性注入氮?dú)?注氮壓力設(shè)定為1.0 MPa,氮?dú)饧兌缺仨氝_(dá)到97%以上,根據(jù)采空區(qū)的監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整注氮頻率和注氮量,直至采空區(qū)的氣體濃度和溫度恢復(fù)正常,同時(shí)要采取措施防止注氮管口堵塞。若工作面后部采空區(qū)的CO、C2H2氣體濃度及溫度出現(xiàn)異常,則通過注漿管路向工作面后部采空區(qū)注入氮?dú)狻?/p>

（3）若工作面與其鄰側(cè)、后部采空區(qū)存在漏風(fēng),應(yīng)首先對(duì)工作面的風(fēng)量和風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)節(jié),采用沙袋充填進(jìn)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)巷道,減少工作面與采空區(qū)間的漏風(fēng)量。同時(shí)在2108回風(fēng)巷向2107采空區(qū)一側(cè)噴涂艾格勞尼快速堵漏風(fēng)泡沫材料,該材料由樹脂和發(fā)泡劑等兩種成分組成,兩種材料按20∶15的比例混合。該材料可快速生成泡沫,具有良好的膨脹能力,使用量少、抗靜電,使用簡單且經(jīng)濟(jì)。

5　結(jié)論

（1）半孤島綜放工作面的采空區(qū)存在很高的自然發(fā)火危險(xiǎn)性,具有采空區(qū)漏風(fēng)通道多、強(qiáng)度大、漏風(fēng)規(guī)律復(fù)雜,自燃高溫區(qū)域隨漏風(fēng)及工作面推進(jìn)會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,采空區(qū)的周邊、兩道兩線是自然發(fā)火的高危區(qū)域,工作面鄰近采空區(qū)自然發(fā)火率要高于后部采空區(qū)的特點(diǎn)。工作面的鄰側(cè)采空區(qū)和后部采空區(qū)應(yīng)作為自然發(fā)火監(jiān)測預(yù)報(bào)的重點(diǎn)區(qū)域。

（2）為確保能及時(shí)發(fā)現(xiàn)工作面后部及鄰側(cè)采空區(qū)的自然發(fā)火隱患和漏風(fēng)源,在2108工作面采用了工作面后部、鄰側(cè)采空區(qū)監(jiān)測和工作面通風(fēng)壓能監(jiān)測相結(jié)合的自然發(fā)火監(jiān)測技術(shù),有效提高了工作面自然發(fā)火隱患及漏風(fēng)監(jiān)測的效率和準(zhǔn)確性。

（3）根據(jù)半孤島綜放工作面的特殊實(shí)際,結(jié)合自然發(fā)火監(jiān)測結(jié)果,提出了包括采空區(qū)預(yù)防性灌漿、采空區(qū)注氮、噴涂堵漏風(fēng)材料和調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)等治理對(duì)策,有效降低了采空區(qū)自然發(fā)火的發(fā)生率和危險(xiǎn)性,確保可及時(shí)有效地處理自然發(fā)火隱患。

參考文獻(xiàn):

［1］王省身,張國樞.礦井火災(zāi)防治［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1990

［2］劉海源,李長貴,王平.復(fù)合煤層分層開采自然發(fā)火防治技術(shù)的探討與實(shí)踐［J］.中國煤炭,2012（4）

［3］王洪粱.孤島采空區(qū)防滅火技術(shù)的研究［D］.青島:山東科技大學(xué),2008

［4］王鋒,原德勝,郭魏虎.高瓦斯易燃綜放面回撤期瓦斯治理和防滅火技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù),2014（3）

［5］陳本華,張士斌,鄭有雷等.孤島綜放面覆巖空間結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與礦壓顯現(xiàn)特征探討［J］.中國煤炭, 2010（4）

［6］呂子清,劉連直,馬叢山等.孤島工作面綜放開采自然發(fā)火的防治技術(shù)［J］.煤礦安全,1999（3）

［7］陳士軍,劉憲明.孤島工作面綜放開采過程中自然發(fā)火狀況分析［J］.山東煤炭科技,2010（2）

［8］文虎,姜華,翟小偉.煤二次氧化氣體特征實(shí)驗(yàn)研究［J］.煤礦安全,2013（9）

（責(zé)任編輯張艷華）

Study of the monitoring and control technology of coal spontaneous combustion in the goaf of half isolated island fully mechanized caving face

Guo Xingming
（College of Coal Engineering,Datong University of Shanxi,Datong,Shanxi 037003,China）

AbstractBased on the analysis of the features of coal spontaneous combustion in the goaf of half isolated island fully mechanized caving face,according to the actual situations of 2108 half isolated island fully mechanized caving face,the monitoring plan of coal spontaneous combustion in the goaf,which combined the gas monitoring in the neighbor and back goaf of working face and air pressure monitoring of working face,was determined.The monitoring plan had an important effect on the finding the hidden danger of coal spontaneous combustion and air leakage source in time and effectively increased the accuracy and timeliness of prediction and forecast of coal spontaneous combustion,and presented the targeted treatment countermeasures of coal spontaneous combustion in goaf and ensured safety production of working face.

Key wordshalf isolated island fully mechanized caving face,spontaneous combustion,goaf, monitoring technology,hidden danger,air leakage source

作者簡介:郭興明（1965－）,男,山西省懷仁人,碩士研究生,主要從事教學(xué)和教學(xué)管理工作,研究方向?yàn)槊旱V井下掘進(jìn)支護(hù)。

中圖分類號(hào)TD75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A