邓林峰

(中国中煤能源集团有限公司,北京 100020)

1 工程概况

1.1 工作面基本情况

黄岩汇煤矿位于山西沁水煤田东北部,核定生产能力90万t/a,主采石炭系上统太原组15#煤层(无烟煤),为煤与瓦斯突出、不易自燃煤层。15113工作面位于矿井一采区南部,东部为15111工作面采空区,西部为未采区,北部为大巷保护煤柱,南部为井田边界与村庄保护煤柱。工作面走向长度2 200 m,倾斜长度230 m,煤层平均厚度5.2 m,煤层倾角2°～8°,煤层原始瓦斯含量5.32 m3/t。采用走向长壁一次采全高综采工艺,完全垮落法管理顶板,布置133个宽度1.75 m的综采支架;采用U型通风方式,顶板高抽巷、顺层钻孔等瓦斯抽采方法。工作面绝对瓦斯涌出量98 m3/min,相对瓦斯涌出量30 m3/t,正常生产期间配风量2 300 m3/min。

1.2 采空区高温隐患概况

2021年4月上旬工作面推进约1 560 m时遇多个断层,导致工作面推进缓慢。4月11日至19日工作面受“4.10”新疆丰源煤矿事故影响停产。4月29日工作面推进约1 580 m时,又受铁路压煤影响停产,当天工作面高抽巷传感器首次检测出CO气体,体积分数为1×10-6～3×10-6,采取喷洒阻化剂、投放干冰、打设挡风墙、灌注凝胶剂等措施后,CO体积分数维持在5×10-6～6×10-6。5月24日工作面开始准备回撤作业。7月8日工作面进行撤架前通风系统调整,风量降为1 100 m3/min,风流反向。7月11日13时高抽巷CO体积分数突然逐步上升,至7月13日CO体积分数最大达到1×10-3。同时工作面回风隅角检测CO体积分数最大达到6.5×10-5,回风流检测CO体积分数最大达到9×10-5;工作面104#—130#支架架间取样检测CO体积分数最大达到6×10-4,架后5 m、15 m采空区CO体积分数最大均达到5×10-3。

CO异常升高后,初步推断工作面靠轨道顺槽侧采空区松散煤体存在氧化自热高温点,于是在轨道顺槽内和支架架间,利用管路、钻孔等向采空区丢煤带大量灌注液态CO2和凝胶剂,但效果不明显。高抽巷、回风隅角、回风流CO体积分数持续上升，并出现微量乙烯气体。7月15日决定对工作面进行封闭。为避免采空区瓦斯参与燃烧,加剧工作面火势,决定暂时保留高抽巷抽采。

2 高温隐患情况分析

2.1 形成原因分析

1)蓄热环境良好。工作面末采至距停采线20～25 m范围内，靠轨道顺槽侧104#—130#支架附近遇多个高差2～3 m的断层,过断层影响地质异常区沿顶回采时,断层位置大量顶煤遗留至采空区,最大厚度达4.2 m,范围达45 m,形成良好的热量积聚环境。

2)供氧条件充分。工作面U型通风、高抽巷大流量抽采为遗煤氧化提供了漏风供氧动力支持,特别是工作面通风系统调整后,新鲜风流直接从轨道顺槽进风隅角及断层带附近煤体破碎区大量漏入采空区,为遗煤氧化提供了连续充足的供氧条件。

3)氧化时间充足。工作面末采期间受断层构造、国内煤矿安全事故、铁路专线压煤等综合因素影响,导致推进受阻(仅推进不到30 m)、停产时间长(3个月内两次停产近60 d),为遗煤氧化提供了充足的蓄热时间。遗煤长期氧化自热,出现CO异常。

2.2 高温情况分析

工作面调风前高抽巷、回风流、回风隅角已持续检测到CO气体,根据煤的氧化自热特点、工作面推进速度、采空区丢煤情况、采空区漏风供氧环境、标志性气体检测结果,以及初步处理措施效果等因素的综合分析,104#—130#支架后25 m附近是采空区遗煤氧化自热发火位置且氧化自热点时间较久。结合现场打钻测温,以及15#煤层氧化自热特性参数等推断,采空区遗煤氧化自热高温点最高煤温在150℃～200℃之间。工作面封闭前检测出C2H4气体,表明氧化自热即将发展到明火阶段。

2.3 治理难点分析

黄岩汇煤矿15#煤层自然发火实验测试结果显示,煤样临界温度在80℃左右时,5%～7%的供氧浓度就可以维持煤的氧化作用,煤温依然有上升趋势;温度在150℃以上时,3%～5%的供氧浓度,不到一天时间就可能会出现明火。工作面前期采取的防灭火技术,以及主动封闭工作面的措施安全合理,但工作面架后松散煤体遗煤量大、断层影响范围广、自热过程发展期较长、局部高位氧化煤体周围煤岩体温度较高、蓄热量大,存在降氧控制难度大、窒息灭火周期长、易反复自热等难点。另外,工作面瓦斯涌出量大,封闭采空区容易造成瓦斯积聚,还存在引发次生事故的危险[1-2]。

3 高温隐患治理方案及效果

15113工作面采空区出现高温隐患后,先是考虑在具备近距离治理的条件下,从“降氧、降温、隔离”三方面着手,采取井下灌注液态CO2惰化降温、钻孔注凝胶充填隔离、降低工作面风量等手段,在工作面附近进行治理工作。工作面出现C2H4气体后,考虑到遗煤氧化自热升温速度急剧加快,又重新确定了“先封闭、再治理、后启封”的总体思路,采取以降温为主的防灭火技术手段,从地面向封闭区立体式灌注液态CO2以控制和治理高温隐患区[3-4]。

3.1 工作面封闭前

1)井下注液态CO2惰化降温。液态CO2是近年来新型高效防灭火技术,1 t液态CO2体积可膨胀至640 m3且不含氧气,灭火时可迅速挤占氧气空间、降低氧气浓度、吸收大量热量,对火区起到快速降氧、降温、抑爆作用[5-7]。采用矿用移动式液态CO2罐(容量2 t),在15113轨道顺槽距离工作面20 m位置,通过轨道顺槽隅角预留Φ108 mm管路对采空区压注液态CO2;同时在125#—128#支架间施工倾角23°、长度22 m的钻孔,通过Φ19 mm管路向工作面支架后方压注液态CO2,共计注入约20 t。采空区注液态CO2管路布置如图1所示。

图1 液态CO2灌注管路布置示意图Fig.1 Layout of liquid CO2 filling pipeline

2)长短孔注凝胶充填隔离。凝胶剂充填在松散煤体裂隙内,包裹煤体、团结水分且不易泄露流失,对煤体起到快速降温、隔离、阻化作用[8]。采用矿用移动式防灭火注浆装置,在104#—130#支架架间施工10组20个倾角、长度分别为44°、8 m和28°、18 m的长短钻孔,通过管路向架后区域压注凝胶剂,共计注入约7.5 t。同时向支架间隙、架后三角区,以及进、回风隅角处喷洒凝胶剂,共计喷洒约38 t。

3)工作面末采及回撤期间在进、回风隅角打设临时挡风墙。用黄泥对挡风墙抹面,喷涂防灭火凝胶,并在墙上覆盖风筒布确保严密不漏风。

3.2 工作面封闭时

7月15日工作面封闭,在胶带顺槽、轨道顺槽巷口往里顶底板完好区域各施工一道厚度1.5 m的永久密闭墙,里墙、外墙使用红砖、水泥砌筑,中间使用黄土充填严实。墙体与巷道做整体喷浆处理。工作面封闭区域内布置6个束管监测点,分别位于轨道顺槽密闭墙内、板闭内、进风隅角、进风隅角采空区20 m处,以及127#—128#支架间高位钻孔和胶顺顺槽密闭墙内。

3.3 工作面封闭后

1)地面注液态CO2惰化降温。利用矿井Φ159 mm主压风管路与轨道顺槽内Φ108 mm压风管路和原预留埋入采空区的Φ108 mm管路连接,连通地面罐车(容量24 t)气化器向井下采空区持续灌注液态CO2,平均灌注流量约1.5 t/h。至2021年8月10日各束管监测点CO含量全部归零,累计灌注液态CO2近700 t。

2)地面施工钻孔注液态CO2。在地面向工作面112#、120#和128#支架后约20～25 m处采空区位置施工3个孔径Φ130 mm的钻孔,终孔位置在15#煤层底板往上20 m冒落带处,利用钻孔向孔内压注液态CO2。至2021年8月10日各束管监测点CO含量全部归零,累计灌注液态CO2约90 t。

3)逐步降低高抽巷抽采混量,7月20日轨道顺槽隅角往里20 m处O2含量降至12%以下后停止高抽巷抽采。

3.4 治理效果分析

1)15113工作面封闭前采取井下注液态CO2惰化降温、钻孔注凝胶充填隔离、降低工作面风量等手段近距离治理采空区高温隐患,对遗煤快速剧烈氧化起到一定减缓抑制效果,回风隅角和回风巷CO体积分数从最高的5.2×10-5和7.3×10-5下降到2.7×10-5和4.1×10-5。但采空区内CO体积分数依然保持在1.0×10-3以上、O2体积分数保持在18%以上,相对高温隐患发展,井下移动式注液态CO2灌注量小、工序多、周期长、效果较慢,维持上述治理方法,不能高效消除遗煤氧化产生的热量,隐患风险可能会进一步扩大。

2)15113工作面封闭后从地面管路、钻孔向采空区持续大量的灌注液态CO2,立体式治理采空区高温隐患,灌注量由6 t/d提升到15 t/d以上,6个束管监测点检测封闭区内CO2持续上升,CO和O2体积分数迅速下降,采空区遗煤氧化自热异常区浮煤氧化升温得到有效遏制。8月10日封闭区域内CO体积分数全部归零,CH4体积分数维持在0.5%以下,O2体积分数稳定在1%左右,无C2H2、C2H4,两道封闭墙内温度25℃左右与日常温度相同。

4 结论

1)不易自燃煤层在具备良好的蓄热环境、充分的供氧条件、充足的蓄热时间的情况下也会引起浮煤自燃,出现自然发火隐患。应提高不易自燃煤层过地质构造、长时间停产等特殊时期的防灭火要求,制定专项针对性措施。

2)工作面通风系统调整使得采空区自然氧化“三带”重新分布,增加了采空区浮煤自然发火危险。

3)工作面持续大量灌注液态CO2对火区起到快速降氧、降温、抑爆作用;同时采取长短孔注凝胶充填隔离的措施,对煤体起到快速降温、隔离、阻化作用,实现了高温隐患区的安全封闭,有效控制了高温隐患的发展,防止了自燃火灾和瓦斯事故的发生。封闭治理后达到了火区启封要求,为矿井安全复产生产提供了条件。