淺埋近距離煤層相鄰對向開采工作面煤自燃防治技術與應用

翟小偉，尚 博，鄭增榮，劉建平，張金貴，楊占國

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.西安科技大學 榆林研究院，陜西 榆林719000；3.神木市能源局，陜西 神木719300；4.陜西神木神府經濟開發(fā)區(qū)海灣煤礦有限公司 三號井，陜西 神木719300）

煤自燃火災是制約煤礦安全生產的主要災害之一，而淺埋近距離煤層群開采，會面臨更為嚴重的漏風發(fā)火問題[1]。我國西部地區(qū)的神府煤田多為淺埋近距離煤層群[2]。其中，海灣煤礦三號井2-2主采煤層隸屬神府煤田，是典型淺埋近距離煤層群開采。該類煤層開采過程中，采空區(qū)頂板垮落會與上覆采空區(qū)貫通形成一體化復合采空區(qū)，較大的垮落跨度使巖層破壞形成裂隙，造成地表漏風和層間漏風[3－4]。在地表漏風和層間漏風的雙重影響下，上覆采空區(qū)破碎煤體會經歷二次或多次氧化，經歷多頻次氧化后的破碎煤體，具有更高的自燃性，落入本煤層采空區(qū)后會加劇本煤層采空區(qū)自然發(fā)火[5－6]。

在礦井通風方式中，風流經過用風地點后再次進入其他用風地點的通風方式稱為串聯通風[7]。由于串聯通風有通風阻力大、惡化用風地點環(huán)境、擴大瓦斯煤塵災害范圍等缺點，生產過程中一般避免采用此通風方式[8]。《煤礦安全規(guī)程》[9]規(guī)定：“采、掘工作面應當實行獨立通風，嚴禁2個采煤工作面之間串聯通風”。海灣煤礦三號井2206工作面與王才伙盤煤礦2201工作面隔保安煤柱對向開采，其上覆采空區(qū)內存在大量未塌實的廢棄巷道可能成為兩“U”型通風工作面間的串聯通風風路。兩工作面串聯通風一旦形成，將增大上覆采空區(qū)的漏風強度及范圍（將此類串聯通風導致的漏風現象稱為“串聯漏風”），漏風范圍雜、多變、難以掌握，煤自燃危險區(qū)域難以判定，增加了自然發(fā)火防治難度。為保障海灣煤礦三號井2206工作面的安全生產，針對性提出“超前－立體化”煤自燃綜合防治技術，有效解決了2206工作面至上覆采空區(qū)的立體化復雜漏風自燃問題。

1 礦井概況

1.1 工作面概況

海灣煤礦三號井2206工作面位于2－2煤層，煤層埋深110～118 m，平均厚7.31 m，工作面設計采高6.8 m，與2－2上煤層間距平均5.0 m。2206工作面東部隔26 m保安煤柱與王才伙盤2201工作面相鄰對向開采，煤柱中存在1條寬5 m、高3.2 m的空巷。上覆2－2上煤層采空區(qū)，南北兩端為房柱式采空區(qū)，中間為綜采采空區(qū)及部分廢棄巷道。2206工作面切眼南部262 m至171 m段和北部1 077～1 138 m段上部為2－2上煤層未垮落塌實的房柱式采空區(qū)及廢棄巷道。

1.2 自然發(fā)火概況

海灣煤礦三號井2－2上及2－2煤層均屬Ⅰ類易自燃煤層。2018年11月19日，在2206工作面上隅角處密閉墻內實測發(fā)現CO體積分數超過1 000×10－6，上隅角實測CO體積分數為295×10－6，工作面至小切眼處整段回風巷CO體積分數約為78×10－6。此后CO體積分數呈現持續(xù)上升趨勢。經探測分析，高溫火區(qū)位于2206工作面切眼東南部2－2上煤層采空區(qū)附近的層間垮落帶內。2019年3月5日至6月1日期間，實施地面鉆孔注漿覆蓋、注氮惰化、噴漿堵漏等措施，待火區(qū)周邊區(qū)域煤自燃監(jiān)測信息參數穩(wěn)定無明顯異常，于2019年10月23日重新開始生產。

2 自然發(fā)火危險性

2.1 漏風通道及范圍分析

1）地表漏風。2－2煤層具有埋藏淺、層距小、煤層厚等特點，導致2206工作面開采過程中采空區(qū)頂板垮落跨度較大，與上覆采空區(qū)貫通形成一體化復合采空區(qū)的同時會形成貫穿至地表的漏風裂隙。隨著2206工作面的不斷推進，其對應地表區(qū)域跟隨產生此類漏風裂隙，造成了地表大氣向煤層采空區(qū)的持續(xù)漏風。2206工作面對應地表裂隙圖如圖1。

圖1 2206工作面對應地表裂隙圖Fig.1 Surface fissuremap corresponding to 2206 working face

2）層間漏風。2206工作面曾于2018年11月19日出現CO嚴重超限現象，上隅角實測CO體積分數為295×10－6，并且持續(xù)升高。王才伙盤2201工作面于2018年12月開始也出現CO體積分數上升趨勢。后經分析認為，該現象系2206工作面切眼東南部2－2上煤層采空區(qū)附近層間垮落帶內煤體自然發(fā)火所致，煤自燃產生的大量CO經過2－2上采空區(qū)漏風通道進入2201工作面，造成該工作面CO出現上升趨勢?；饏^(qū)治理熄滅后，2201工作面CO體積分數恢復正常，證實兩工作面間通過上覆采空區(qū)漏風通道發(fā)生“串聯漏風”現象。2206工作面上覆采空區(qū)漏風示意圖如圖2。

圖2 2206工作面上覆采空區(qū)漏風示意圖Fig.2 Diagram of air leakage in the upper goaf of 2206 working face

3）相鄰工作面間漏風。2206工作面采用雙巷掘進，聯巷數量較多。在2206工作面回風巷道與2201工作面運輸巷道相鄰的保安煤柱中，存在部分空巷及大量密閉聯巷，受掏槽影響造成煤柱承受更大礦壓，導致煤柱壓裂產生漏風裂隙。通過煤柱裂隙、密閉聯巷和空巷，會構成兩工作面間的“串聯漏風”通道。

2.2 自然發(fā)火危險區(qū)域及危險性

1）上覆采空區(qū)受多通道漏風影響導致自燃危險性較大。2206工作面上覆采空區(qū)由2-2上煤房柱式采空區(qū)、綜采工作面采空區(qū)及塌陷廢棄巷道構成。上覆采空區(qū)內遺留大量破碎氧化煤柱及松散浮煤受地表漏風和層間漏風等多通道、長時間、大范圍的漏風影響，導致其漏風發(fā)火問題呈現范圍廣、監(jiān)測難、治理難的特點，增加了自然發(fā)火防治難度。

2）上覆采空區(qū)多頻次氧化遺煤會加劇本煤層采空區(qū)自燃。2206工作面上覆采空區(qū)遺煤經歷多通道漏風影響發(fā)生二次甚至多次氧化，具有更高的自燃性，隨工作面頂板垮落后混入本煤層采空區(qū)內，會加劇本煤層采空區(qū)浮煤的氧化自燃。

3）密閉聯巷中遺煤有良好的蓄熱自燃條件。2206工作面與2201工作面相鄰保安煤柱中，部分空巷及密閉聯巷內有大量遺煤，通過煤柱裂隙及閉墻漏風具有良好的供氧蓄熱環(huán)境，極易發(fā)生自燃。

3 煤自燃“超前-立體化”綜合防治技術

3.1 超前監(jiān)測

將O2及CO分別作為預測漏風動態(tài)和氧化動態(tài)的標志氣體[10-11]。利用監(jiān)測監(jiān)控系統、束管監(jiān)測系統及人工巡檢（色譜分析）等監(jiān)測方式，實時掌握上下煤層采空區(qū)氣體立體化分布變化規(guī)律，有效預測漏風氧化動態(tài)，實現煤自燃超前預測預報。

1）本煤層工作面氣體監(jiān)測。在2206工作面架間、回風隅角、回風超前支護段、密閉墻等區(qū)域設置氣體監(jiān)測點，在工作面回風側采空區(qū)進行預埋束管監(jiān)測，利用氣體變化狀況綜合判定采空區(qū)漏風氧化自燃程度，掌握采空區(qū)內氧氣體積分數分布規(guī)律，對采空區(qū)“窒息帶”[12-13]范圍進行分析。2206工作面氣體監(jiān)測點布置圖如圖3。

圖3 2206工作面氣體監(jiān)測點布置圖Fig.3 Gasmonitoring point layout draw ing at 2206 working face

2）2-2上煤層采空區(qū)氣體監(jiān)測。在2206工作面回風巷道向2-2上煤層采空區(qū)施工人工監(jiān)測鉆孔，采用人工取氣色譜分析的方式，每日對上覆采空區(qū)氣體進行檢測。通過對上覆采空區(qū)氣體狀態(tài)的分析，對漏風范圍進行劃分，對浮煤氧化動態(tài)進行超前預測，以便及時發(fā)現自燃地點進行針對性治理措施。上覆采空區(qū)氣體監(jiān)測鉆孔布置圖如圖4。

圖4 上覆采空區(qū)氣體監(jiān)測鉆孔布置圖Fig.4 Layout of gasmonitoring boreholes in the upper goaf

3.2 多層面立體化治理

在對本煤層工作面、上覆采空區(qū)、地表等多層面漏風通道及自燃危險區(qū)域分析掌握的基礎上，對立體化分布的漏風通道進行封堵，對自燃危險區(qū)域進行惰化。通過建立上下聯動的立體化煤自燃防治體系，實現對煤層自然發(fā)火的有效控制。

1）漏風封堵。①對地表漏風通道進行封堵：在2206工作面對應地表進行每日巡查，對地表漏風裂隙進行跟隨回填；②對層間漏風通道進行封堵：利用地面鉆孔注漿，對2206工作面回風巷道1 077～1 138 m北段上覆采空區(qū)進行注漿封堵，形成北部隔離帶，對回風巷道171～262 m南段上覆采空區(qū)進行注漿封堵，形成南部隔離帶，阻斷上覆采空區(qū)漏風通道，防止兩工作面通過上覆采空區(qū)發(fā)生“串聯漏風”；③對工作面漏風通道進行封堵：2206工作面端頭支架前后設置擋風簾和沙袋擋風墻，減小采空區(qū)漏風。在密閉墻表面及周邊巷道進行噴漿處理，封堵煤柱裂隙、密閉墻裂隙等漏風通道，避免兩工作面間發(fā)生“串聯漏風”。

2）注氮惰化。注氮防滅火是煤自燃防治常用手段，主要利用降溫惰化原理，破壞煤自燃所需的良好蓄熱供氧環(huán)境，從而達到抑制煤自燃的目的[14-15]。在2206工作面運輸巷道預埋管徑為φ76 mm的注氮管路，每隔50m設置1個氮氣釋放口，每天注氮8 h，注氮濃度為97%。通過惰化2206工作面采空區(qū)形成窒息帶，將遺煤提前甩入窒息帶內，實現對采空區(qū)自然發(fā)火的抑制。

3）噴灑阻化劑。阻化劑溶液接觸煤體后可阻斷氧氣與羧基的反應，從而達到抑制煤自燃的目的[16]。2206工作面回采期間，每天在檢修班和生產班對工作面底板、架間、采空區(qū)等區(qū)域各噴灑1次阻化劑，每天消耗MgCl2阻化劑0.2 t/d，體積約2 m3。阻化劑作用于浮煤后可延長自然發(fā)火期，控制了采空區(qū)自燃。

4）控制遺煤。2206工作面具有煤層厚、采高大、丟煤多等特點。一方面，采用綜采一次采全高采煤方法，減少了采空區(qū)丟煤量；另一方面，在工作面靠近密閉聯巷附近，安排人工清理浮煤，避免了破碎媒體大量堆積，從源頭上降低煤自然發(fā)火的可能性。

4 治理效果

海灣煤礦三號井2206工作面曾于2018年5月開始，在切眼東南部2-2上煤層采空區(qū)附近的層間垮落帶內發(fā)生煤自燃火災并造成大量損失?；饏^(qū)治理結束后，針對2206工作面的特殊漏風發(fā)火情況，提出并實施了煤自燃“超前-立體化”綜合防治技術，后于2019年10月23日重新開始生產。將2206工作面2019年10月23日—11月30日期間監(jiān)測數據進行繪圖分析，結合2206工作面生產日志，總結分析其治理效果。

4.1 本煤層工作面監(jiān)測數據

2206工作面氣體變化曲線圖如圖5。

圖5 2206工作面氣體變化曲線圖Fig.5 2206 working face gas change curves

1）2206工作面上隅角、回風流氣體中，O2體積分數維持在20.5%，幾乎無CO氣體出現，說明此期間工作面采空區(qū)未出現自然發(fā)火征兆，漏風發(fā)火情況得到有效控制。

2）2206工作面采空區(qū)監(jiān)測點O2體積分數規(guī)律性較強，呈現周期性升降趨勢。測點每深入采空區(qū)50 m后，O2體積分數將會降至10%以下，說明每隔50 m預留注氮口注氮惰化，可將距離工作面50 m后的采空區(qū)惰化為窒息帶。說明在最短自然發(fā)火期內已將遺煤甩入窒息帶，抑制了采空區(qū)浮煤氧化自燃。

4.2 上覆采空區(qū)監(jiān)測數據

上覆采空區(qū)氣體變化曲線圖如圖6。

圖6 上覆采空區(qū)氣體變化曲線圖Fig.6 Gas change curves in the upper goaf

1）10月30日，距工作面26 m的2#監(jiān)測孔O2體積分數開始出現連續(xù)上升趨勢，體積分數最高達16.7%，后方監(jiān)測孔O2體積分數未出現上升趨勢。認為上覆采空區(qū)距離工作面26 m范圍內會最先受到漏風影響。11月2日起，在2206工作面端頭支架前后設置擋風簾和沙袋擋風墻后，2#監(jiān)測孔氧氣體積分數出現明顯下降趨勢，說明擋風設施效果顯著，有效減少了上覆采空區(qū)漏風。

2）11月1日，在工作面對應地表發(fā)現裂隙，此后4#監(jiān)測孔和5#監(jiān)測孔O2體積分數出現連續(xù)上升趨勢。11月6日開始，逐漸對地表裂隙進行回填，兩監(jiān)測孔氧氣體積分數出現明顯下降趨勢。說明地表裂隙回填有效減少了地表大氣向上覆采空區(qū)漏風。

3）3#及9#監(jiān)測孔O2體積分數在此期間一直維持穩(wěn)定，均未超過7%，證明上覆采空區(qū)未再次出現大面積漏風現象。說明上覆采空區(qū)注漿隔離帶的阻隔，阻止了2206工作面與2210工作面通過上覆采空區(qū)“串聯漏風”的形成，有效控制了上覆采空區(qū)大面積自燃發(fā)火。

4）2#、4#、5#、9#監(jiān)測孔偶爾出現少量CO氣體，但體積分數均在6×10-6以下，3#監(jiān)測孔在10月25日—30日間出現CO體積分數上升趨勢，最高達31×10-6，后于11月2日降低至5×10-6。綜合分析認為，上覆采空區(qū)內CO體積分數普遍較低，說明上覆采空區(qū)并未發(fā)生大面積氧化自燃，立體化防治措施效果顯著。

5 結 語

1）淺埋近距離煤層群兩“U”型通風工作面相鄰對向開采時，在地表、層間及工作面相鄰煤柱等區(qū)域受礦壓影響易產生漏風裂隙。通過此類裂隙會產生地表漏風和工作面間“串聯漏風”等漏風形式，繼而造成上覆采空區(qū)、本煤層采空區(qū)、相鄰煤柱等區(qū)域內的煤自燃呈現強度大、范圍廣、難治理等特點。

2）將上覆采空區(qū)超前鉆孔監(jiān)測與本煤層工作面布點監(jiān)測相結合，實現了對上下層采空區(qū)漏風發(fā)火動態(tài)的超前預測。從本煤層工作面、上覆采空區(qū)及地表構成的立體化層面出發(fā)，針對各層面漏風通道及自燃危險區(qū)域進行專項處理，有效控制了相鄰對向開采工作面及層間的“串聯漏風”發(fā)火問題。

3）“超前-立體化”煤自燃防治技術，做到了對煤自燃漏風供氧階段的超前預測和全面控制，切斷了煤氧接觸條件，從源頭控制了煤自燃隱患，對于淺埋近距離煤層群開采過程中，復雜“串聯漏風”工作面煤自燃防治技術的發(fā)展具有指導意義。