厚煤层分层开采工作面回撤期间自然发火防治技术

2022-01-26刘贵文荆雪冬王中举

煤矿安全 2022年1期

刘贵文，王帅，荆雪冬，王中举

（1.内蒙古平庄煤业（集团）公司救护大队，内蒙古赤峰 024076；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁抚顺 113122；4.内蒙古平庄能源股份有限公司风水沟煤矿，内蒙古赤峰 024076）

火灾是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，其中煤炭自然发火引起的矿井火灾占总发火次数的90%～94%[1-2]。我国煤矿资源巨大，其中特厚、巨厚煤层储量非常丰富，煤层赋存条件复杂，且矿井开采条件差，由于开采受顶板与开采工艺等条件的诸多不利因素影响，易造成工作面采空区会遗留下大量浮煤[3-4]，在不同地质情况下，厚煤层工作面采空区内部的遗煤自燃点位置会受顶板的垮落高度影响，其具有较强的隐蔽性，特别在工作面回撤阶段，由于工作面推进速度慢，采空区内部遗煤自燃风险增加[5-6]。

秦荣宏等[7]针对孟巴矿特厚遗煤，通过把O2和CO体积分数作为指标对下分层煤自燃危险区域进行划分，确定防灭火重点区域；薛永利等[8]提出了分层开采时下分层回采与回撤期间易发火地点的煤层自燃防治技术；周光华等[9]应用胶体材料对下分层开采过程中的漏风通道进行了有效封堵，以防治工作面上分层的遗煤二次氧化，确保下分层不受煤自燃从而影响工作面正常回采；文虎等[10]针对北马坊煤矿上分层遗煤氧化升温后出现大量CO涌出严重影响下分层工作面正常回撤，采取支架后面注高分子胶体等方法，使CO体积分数降到安全体积分数且保持稳定；邓军等[11]针对孟巴矿特厚煤层二分层综放工作面煤自燃特点，采用端头胶体隔离、注氮气惰化采空区等方法，有效地预防了煤自燃。目前，下分层开采回撤阶段防灭火技术主要有以下5种：局部调压技术、采空区堵漏技术、架后钻孔注浆技术、上分层采空区注浆技术、采空区注氮技术[12-14]，自燃厚煤层极易发生自然发火灾害，时刻影响矿工生命安全和煤矿安全生产工作[15-16]。

为了保障矿井的安全生产，针对自燃厚煤层回撤期间自然发火防治技术进行研究，采取以发现明火的位置为中心呈扇形布置探火孔，快速定位采空区煤自燃隐患位置，持续的对采空区进行注浆、注氮与注液态CO2的综合防灭火措施加快惰化采空区，效果明显，抑制了遗煤自然升温，保证了工作面的安全启封和回撤。

1 工作面概况及发火因素

1.1 工作面概况

风水沟煤矿6煤层自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，6-2B西五片综采工作面平均走向长346m，倾斜宽241m。工作面采用综合机械化采煤法，“U”型全负压通风方式，完全垮落法处理顶板。工作面回采6#煤层二分层，平均采高3.8m，工作面西部煤层分叉，二分层平均煤厚3.75m；工作面东部煤层合层，合层煤层最大厚度20.94m；一分层回采后，煤层采终位置剩余煤厚10m。工作面顶板范围内有多重采空区为6#煤层一分层采空区，工作面自下端头向上55m为西六片一分层采空区，向上55～71m为西六片与西五片一分层煤柱，再向上170m为西五片一分层采空区。6-2B西五片综采工作面相对位置示意图如图1。

图1 6-2B西五片综采工作面相对位置示意图Fig.1 Relative position diagram of the fifth fully mechanized working face in6-2B west area

1.2 发火过程及原因

6-2B西五片综采工作面于2020年11月5日开始劈帮挂网，11月12日正式开始回撤工作。回撤期间工作面风量调整至520m3/min，回风巷风流CO体积分数始终保持在10×10-6以下。11月23日，检查发现工作面42#支架尾梁处有热气，测量尾梁处CO体积分数为60×10-6，此后通过打眼灌浆处理，出水温度及热气明显减小。11月27日，回风流CO体积分数升高至20×10-6，并有持续升高趋势，随后采取运输巷施工木板闭，由负压通风改为局部正压通风方式，仍未有效控制CO升高趋势，架间CO体积分数最高达3000×10-6。11月28日，经公司研究决定采取主动封闭措施，分别在6-2B西五片综采工作面运输巷及285巷道施工2道料石密闭，工作面封闭的同时，在回撤工作面内距离运输巷40m和18m位置预留2根准108mm措施管。

6-2B西五片工作面发生自然发火危险的因素及位置主要有以下几个方面：

1）6-2B西五片回撤期间38#～50#支架顶板正好对应6-1B西六片轨道巷与6-1B西五片运输道间的隔离煤柱，该煤柱宽约16m，经2个分层共3个工作面开采的重复扰动，煤柱节理裂隙十分发育，且经过多次氧化，其自燃倾向性更强、自然发火期更短，在6-2B西五片工作面长时间停采回撤期间极易出现自然发火情况。

2）在42#支架位置顶板发现高温点进行打眼灌浆处理，灌浆期间出水有温度，并且热气及CO体积分数明显减小，说明隐患位置在顶板高位遗煤当中，同时CO体积分数由回风侧144#支架向进风侧的8#支架依次递减，根据各地点检出CO的位置以及体积分数可以看出，隐患发生的位置位于靠近运输巷一侧工作面顶板采空区内，煤体剧烈氧化产生的大量CO，在采空区漏风带动下向回风侧富集，造成从回风侧支架前CO体积分数高，而进风侧支架前CO体积分数低的现象。因此，综合判断此处隐患的发生地点为6-1B西六片终采线煤柱区域。

2 回撤期间自然发火综合治理关键技术

2.1 自燃隐患区域钻孔定位

由于圈定的疑似隐患区域范围较大，为提高治灾的准确性与有效性，设计采用钻探的方式进一步确定自燃隐患区域位置。利用6-2B西五片运输巷密闭外钻场，向6-1B西六片采终线煤柱施工扇形探火孔6个，依次编号1#～6#，钻孔孔径准75mm，钻孔终孔位置水平间距10m，以打透6-1B西六片采空区为准。工作面隐患区域钻孔探查示意图如图2。

图2 工作面隐患区域钻孔探查示意图Fig.2 Schematic diagram of drilling layout in hidden danger area of working face

钻孔打透后立即下套管，将该孔作为观测孔，分别对孔内气体组分进行人工取样化验。由于各钻孔成孔时间不同，受大气压力变化影响，造成各钻孔进出风状态及气体组分差异极大。为此，待6个钻孔全部施工完成后，采取定人、定点、定时的“三定”原则，通过便携式取样泵进行人工取样。取样时将进气口与钻孔套管通过快速接头连接紧密，取样前开机5min将钻孔内气体排净后，将出气口插入球胆进行取样。探火孔温度及气体观测结果见表1。

表1 探火孔温度及气体观测结果Table1 Temperature and gas observation results

结果表明，1#～3#探火孔内CO体积分数较低，与采空区日常检测结果类似，排除该区域自燃可能；4#～6#探火孔内的CO体积分数显著升高，且出现C2H4，6#孔内CO体积分数最高达2630×10-6。因此，将自燃隐患疑似范围缩小至4#～6#钻孔所覆盖区域。

2.2 钻孔灌注液态CO2

在准确探明自然发火隐患区域后，首先利用6个钻孔进行黄泥浆灌注，但灌注2d后，孔内CO体积分数仍然维持在较高体积分数，且有热气冒出，说明高温隐患点仍然存在。随后，在4#～6#钻孔间补打2个消火钻孔分别命名为补1、补2，钻孔孔径准108 mm，钻孔终孔位置位于6-1B煤层顶板。在对原有钻孔继续灌浆的同时，利用井下移动式液态CO2槽车对新施工的消火钻孔进行液态CO2灌注。移动式液态CO2灌注工艺如图3。

图3 移动式液态CO2灌注工艺示意图Fig.3 Schematic diagram of mobile liquid CO2 filling process

通过罐车将液态CO2灌装至移动式液态CO2槽车中，然后将液态CO2直接运输到二水平轨道下山，利用高压管路与消火钻孔进行连接，向上覆采空区直接灌注，实现火区的快速惰化与降温。单台移动式液态CO2槽车体积1m3，每天3班连续灌注，每班灌注2m3。

2.3 工作面堵漏与采空区惰化

为有效控制工作面密闭漏风，在工作面运输巷与258巷道密闭外侧，分别施工1道料石密闭。并向密闭墙夹层内灌注黄泥浆，进一步减少工作面漏风。同时，排查周边采空区密闭，检查密闭内外压差，对密闭周围裂缝进行喷浆加固。利用回撤工作面内距离运输巷40、18m的2根准108mm措施管，进行持续的注氮与注液态CO2的综合防灭火措施，加快惰化采空区。

2.4 采空区治理效果

在采取多种防灭火技术措施后，通过密闭预留的观测束管进行气体取样分析，工作面治灾期间O2与CO2变化趋势如图4。

图4 密闭区内O2与CO2变化趋势Fig.4 Variation trend of O2and CO2in confined area

由图4可以看出，采空区始终无CO，O2体积分数从12月1日的18.6 %下降至12月5日的8.7 %，CO2体积分数升高至6.6 %，此后O2体积分数基本保持不变，无法进一步下降。12月17日，通过现场排查发现，井下移动式制氮机出口O2体积分数过高，随即停止密闭区注氮，仅采用密闭区灌注液态CO2与灌浆相结合的防灭火手段，随后密闭区O2体积分数快速下降，封闭区内的O2体积分数在12月22日首次降到5.0 %左右，此后长期保持在2%以下。经过近2个月的持续观察，工作面满足启封条件于2月18日开始启封并回撤，回撤期间采空区内未出现自然发火等情况，3月19日完成全部回撤工作正式封闭。