近距離易自燃煤層復(fù)合采空區(qū)瓦斯與火綜合治理技術(shù)

景珂寧

1 概述

瓦斯和煤自然發(fā)火是制約煤礦安全生產(chǎn)的兩個重大災(zāi)害，當(dāng)二者共存時，增大了治理技術(shù)難度[1]。對于近距離煤層開采形成的復(fù)合采空區(qū)，進行瓦斯治理和煤炭自燃防治會產(chǎn)生相互影響[2]。抽放瓦斯過量會導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)增大，易引發(fā)自燃事故；采取封堵控制漏風(fēng)、注氮及注漿等防滅火措施，又影響瓦斯抽放效果。

煤峪口礦11-12#合并層81022 工作面煤厚7.6 m～8.4 m，埋深325 m～352 m。位于其下方的14-2#層81004工作面煤厚0.8 m～2.97 m。兩煤層均采用綜放一次采全高采煤方法，層間距離最小處只有0.8m。當(dāng)開采下層14-2#煤時，兩層煤的采空區(qū)受采動影響串通形成復(fù)合采空區(qū)。上層采空區(qū)內(nèi)的瓦斯對下開采層的工作面造成影響。下層煤瓦斯抽放過程中，大量新鮮空氣通過地表裂隙漏入上層采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)的遺煤發(fā)生二次氧化，極易引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃[3]。掌握近距離煤層復(fù)合采空區(qū)瓦斯與煤自然發(fā)火相互影響過程，提出協(xié)同防控技術(shù)，可有效解決兩種災(zāi)害對礦井安全生產(chǎn)的影響，提高礦井整體安全技術(shù)水平。

2 煤層瓦斯參數(shù)及自然發(fā)火規(guī)律

2.1 煤層瓦斯參數(shù)

通過實驗室試驗測得11-12#合并層原始瓦斯含量為2.94 m3/t～3.19 m3/t，堅固性系數(shù)為1.54，瓦斯放散初速度為22 mmHg～23.1 mmHg；14-2#層原始瓦斯含量為2.08 m3/t，～2.31m3/t，堅固性系數(shù)為1.06，瓦斯放散初速度為17.5 mmHg～18.1 mmHg。利用多項式擬合的方法測得，瓦斯來源本煤層（煤壁）占36.14%，采空區(qū)占63.86%；表明工作面的主要瓦斯涌出來自于采空區(qū)。

2.2 煤自燃特性及自然發(fā)火規(guī)律

通過程序升溫實驗，測得11-12#煤的臨界溫度范圍為70～85℃，干裂溫度為100～115℃；14-2#的臨界溫度范圍為70～90℃，干裂溫度為110～125℃。11-12#合并層煤樣C2H6氣體在60℃左右少量出現(xiàn)，14-2#層煤樣C2H6氣體在70℃左右少量出現(xiàn)；11-12#合并層和14-2#層煤樣C2H4氣體都在90℃左右出現(xiàn)。煤樣在二次氧化過程中產(chǎn)生的CO 大于一次氧化，二次氧化煤氧復(fù)合作用更加劇烈。二次氧化時，11-12#合并層煤樣的臨界溫度范圍為60～80℃，干裂溫度范圍為100～110℃。二次氧化在47～52℃產(chǎn)生C2H6氣體，在87～92℃時產(chǎn)生C2H4氣體。

在自然發(fā)火實驗條件下，11-12#合并層煤的實驗自然發(fā)火期為65 天，臨界溫度為59.5℃，干裂溫度為103.6℃，C2H6在升溫初始階段就出現(xiàn)大量氣體，C2H4在72.4℃后開始出現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)遺煤厚度如果不超過0.615 m，則堆煤無法蓄熱，溫度不會超過臨界值而發(fā)生自燃。

3 近距離煤層復(fù)合采空區(qū)圍巖裂隙演化規(guī)律

3.1 近距離煤層重復(fù)采動覆巖垮落規(guī)律

研究觀測表明，從11-12#合并層工作面開切眼開釆至第31 m 時直接頂初次垮落，垮落高度為1 m。直接頂初次垮落后，當(dāng)工作面開采至64 m 時發(fā)生老頂初次垮落，垮落高度約35 m;采至87 m 時發(fā)生老頂?shù)谝淮沃芷趤韷?，?13 m 時發(fā)生老頂?shù)诙沃芷趤韷海?41 m 時發(fā)生老頂?shù)谌沃芷趤韷?，平均周期來壓步距?5.67 m。11-12#合并層回采覆巖垮落情況見圖1。

圖1 11-12#合并層回采覆巖垮落

當(dāng)14-2#煤層開采時，上層已開采完畢，同時其頂板及上覆巖層都已垮落并重新壓實，由于受11-12#合并層開采的影響，14-2#煤層頂板受到一定程度的破壞，產(chǎn)生了裂隙或裂縫，接頂強度不高。因此在開采過程中，直接頂隨釆隨落，無明顯的老頂初次來壓或周期來壓。14-2#煤層回采后覆巖垮落情況見圖2。11-12#煤層采場覆巖冒落帶高度為31.98 m～40 m，為采高的3.9～5 倍；14-2#煤層開采后，復(fù)合采空區(qū)冒落帶高度為49.2 m～53 m，為采高的4.4～4.8倍。

圖2 14-2#煤層回采后覆巖垮落

3.2 近距離煤層重復(fù)采動底板應(yīng)力分布規(guī)律

分析圖3、圖4 可知，隨著11-12#合并層開采的進行，采空區(qū)處的應(yīng)力降低，而應(yīng)力最大值出現(xiàn)在工作面前方約50 mm～100 mm 處，且煤體內(nèi)的應(yīng)力最大值也在不斷升高。14-2#煤層的開采過程中，僅開采范圍內(nèi)的頂板應(yīng)力有較大波動。

圖3 14-2#煤層開釆應(yīng)力分布

圖4 11-2#合并層開釆應(yīng)力分布

3.3 近距離煤層瓦斯運移規(guī)律

14-2#煤層工作面瓦斯來源于兩部分，一是本煤層釋放瓦斯；二是復(fù)合采空區(qū)的瓦斯。此外，由于采場覆巖斷裂帶的存在，瓦斯會在破斷裂隙發(fā)育區(qū)繼續(xù)上升，漂浮到斷裂帶頂部的離層發(fā)育區(qū)[4]。并大量聚集在復(fù)合采空區(qū)采動裂隙圓矩梯臺帶（如圖5 所示）。因此，將瓦斯抽采管道布置在其中，瓦斯抽采率高。

圖5 近距離煤層群復(fù)合采空區(qū)瓦斯流動示意圖

4 采空區(qū)瓦斯與火協(xié)同防治方案

4.1 加強氣體監(jiān)測

為了實時掌握81004 工作面相關(guān)參數(shù)的動態(tài)情況，在回風(fēng)巷、上隅角、工作面、尾巷安裝CO、CH4傳感器。在采煤機安裝機載式CH4斷電儀或CH4檢測報警儀。在回風(fēng)巷、上隅角、工作面CH4傳感器報警濃度為≥0.8%，斷電濃度為≥0.8%。在抽采管路上安裝CO、CH4濃度傳感器，流量傳感器及負(fù)壓傳感器。CO傳感器報警濃度為24 ppm。在上隅角埋設(shè)束管一趟，每天人工取氣樣進行分析采空區(qū)O2、CO、N2、CH4、C2H2、C2H4等氣體成分。

4.2 回風(fēng)巷超前鉆孔抽放瓦斯治理技術(shù)

在81004 工作面回風(fēng)巷中布置超前瓦斯抽放鉆場，向上覆采空區(qū)打穿層鉆孔。然后使用井下移動式瓦斯抽采泵對81022工作面采空區(qū)進行抽放，如圖6所示。依據(jù)上述分析，設(shè)計在81004工作面回風(fēng)巷布置9組鉆場，每組分別施工12 個鉆孔。第一組距離切眼70 m，每組間距100 m，孔間距≥1 m，孔徑108 mm。81004 工作面配700 m3/min 風(fēng)量，每分鐘瓦斯抽放量60 m3～70 m3。使用該方法提前預(yù)抽上覆采空區(qū)瓦斯，對于降低本工作面瓦斯?jié)舛刃Ч@著。

圖6 回風(fēng)巷超前鉆孔抽放瓦斯示意圖

4.3 復(fù)合采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)

利用煤峪口礦現(xiàn)有的注氮系統(tǒng)，設(shè)計選用鄰近工作面注氮的方法防治復(fù)合采空區(qū)遺煤自燃，見圖7。從相鄰工作面回風(fēng)巷向81004工作面進風(fēng)巷布置一趟穿過保護煤柱的注氮管路，直徑108 mm。管口落點位于81004工作面切眼回采方向50 m處，高度處于11-12#合并層地板遺煤位置。待81004 工作面回采至75m時，開始向復(fù)合采空區(qū)內(nèi)的遺煤區(qū)域注氮，之后工作面每推進80 m施工一個注氮鉆孔。經(jīng)計算采用開放式、連續(xù)向該工作面注入600 m3/h～700 m3/h的氮氣。

圖7 81004工作面采空區(qū)注氮

4.4 實施效果

通過對81004工作面瓦斯抽采鉆孔現(xiàn)場實測。管路中瓦斯的平均濃度為3%左右，瓦斯純量平均2 m3/min左右，占瓦斯涌出總量60%左右。

抽采管路中的CO濃度如圖8所示。81004工作面上隅角CO 濃度如圖9 所示。分析可知抽采管路中的CO濃度在20 ppm以內(nèi)，上隅角的CO濃度基本被控制在10 ppm以內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

圖8 瓦斯抽采管路中CO濃度

圖9 81004工作面上隅角CO濃度

圖10 81004工作面、上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?/p>

分析圖10 可知，該工作面的上隅角、回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛榷紱]有超過0.7%，治理效果明顯。

4.5 灌漿防滅火技術(shù)方案

如果采空區(qū)注氮方法不能完全控制采空區(qū)遺煤自燃時，可以采用黃泥灌漿防滅火技術(shù)方案。利用14-2#層410 軌道巷灌漿孔對81004 系統(tǒng)巷實施灌漿，見圖11。灌漿材料的要求：顆粒要小于2 mm，而且細小顆粒(粘土：≤0.005 mm 者應(yīng)占60%～70%)要占大部分。比重：2.4 t/m3～2.8 t/m3；塑性指數(shù)為9～11；膠體混合物（按MgO 含量計）為25%～30%；含砂量為25%～30%，（顆粒為0.5 mm～0.25 mm以下）。

圖11 灌漿技術(shù)方案示意圖

5 結(jié)論

1）通過現(xiàn)場實測得到了試驗工作面瓦斯涌出來源本煤層（煤壁）占36.14%，采空區(qū)占63.86%；同時瓦斯絕對涌出量隨著工作面配風(fēng)量、產(chǎn)量及推進速度的增大而增大。

2）研究得出了11-12#煤層采場覆巖冒落帶高度為31.98 m～40 m，為采高的3.9～5倍；14-2#煤層開采后，復(fù)合采空區(qū)冒落帶高度為49.2 m～53 m，復(fù)合采空區(qū)冒落帶高度是工作面總采高的4.4～4.8倍。81004工作面瓦斯來源為本煤層釋放瓦斯和復(fù)合采空區(qū)的瓦斯。

3）通過建立合理的配風(fēng)量與推進速度、下層巷道超前抽放及開區(qū)注氮的瓦斯與煤自燃協(xié)同防控技術(shù)體系，有效防治了近距離易自燃煤層群復(fù)合采空區(qū)瓦斯超限與煤自燃的技術(shù)難題。