劉貴文，王 帥，荊雪冬，王中舉

（1.內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）公司 救護(hù)大隊(duì)，內(nèi)蒙古 赤峰 024076；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122；4.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司 風(fēng)水溝煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024076）

火災(zāi)是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，其中煤炭自然發(fā)火引起的礦井火災(zāi)占總發(fā)火次數(shù)的90%～94%[1-2]。我國煤礦資源巨大，其中特厚、巨厚煤層儲(chǔ)量非常豐富，煤層賦存條件復(fù)雜，且礦井開采條件差，由于開采受頂板與開采工藝等條件的諸多不利因素影響，易造成工作面采空區(qū)會(huì)遺留下大量浮煤[3-4]，在不同地質(zhì)情況下，厚煤層工作面采空區(qū)內(nèi)部的遺煤自燃點(diǎn)位置會(huì)受頂板的垮落高度影響，其具有較強(qiáng)的隱蔽性，特別在工作面回撤階段，由于工作面推進(jìn)速度慢，采空區(qū)內(nèi)部遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)增加[5-6]。

秦榮宏等[7]針對(duì)孟巴礦特厚遺煤，通過把O2和CO體積分?jǐn)?shù)作為指標(biāo)對(duì)下分層煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，確定防滅火重點(diǎn)區(qū)域；薛永利等[8]提出了分層開采時(shí)下分層回采與回撤期間易發(fā)火地點(diǎn)的煤層自燃防治技術(shù)；周光華等[9]應(yīng)用膠體材料對(duì)下分層開采過程中的漏風(fēng)通道進(jìn)行了有效封堵，以防治工作面上分層的遺煤二次氧化，確保下分層不受煤自燃從而影響工作面正常回采；文虎等[10]針對(duì)北馬坊煤礦上分層遺煤氧化升溫后出現(xiàn)大量CO涌出嚴(yán)重影響下分層工作面正常回撤，采取支架后面注高分子膠體等方法，使CO體積分?jǐn)?shù)降到安全體積分?jǐn)?shù)且保持穩(wěn)定；鄧軍等[11]針對(duì)孟巴礦特厚煤層二分層綜放工作面煤自燃特點(diǎn)，采用端頭膠體隔離、注氮?dú)舛杌煽諈^(qū)等方法，有效地預(yù)防了煤自燃。目前，下分層開采回撤階段防滅火技術(shù)主要有以下5種：局部調(diào)壓技術(shù)、采空區(qū)堵漏技術(shù)、架后鉆孔注漿技術(shù)、上分層采空區(qū)注漿技術(shù)、采空區(qū)注氮技術(shù)[12-14]，自燃厚煤層極易發(fā)生自然發(fā)火災(zāi)害，時(shí)刻影響礦工生命安全和煤礦安全生產(chǎn)工作[15-16]。

為了保障礦井的安全生產(chǎn)，針對(duì)自燃厚煤層回撤期間自然發(fā)火防治技術(shù)進(jìn)行研究，采取以發(fā)現(xiàn)明火的位置為中心呈扇形布置探火孔，快速定位采空區(qū)煤自燃隱患位置，持續(xù)的對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿、注氮與注液態(tài)CO2的綜合防滅火措施加快惰化采空區(qū)，效果明顯，抑制了遺煤自然升溫，保證了工作面的安全啟封和回撤。

1 工作面概況及發(fā)火因素

1.1 工作面概況

風(fēng)水溝煤礦6煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，6-2B西五片綜采工作面平均走向長346m，傾斜寬241m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤法，“U”型全負(fù)壓通風(fēng)方式，完全垮落法處理頂板。工作面回采6#煤層二分層，平均采高3.8m，工作面西部煤層分叉，二分層平均煤厚3.75m；工作面東部煤層合層，合層煤層最大厚度20.94m；一分層回采后，煤層采終位置剩余煤厚10m。工作面頂板范圍內(nèi)有多重采空區(qū)為6#煤層一分層采空區(qū)，工作面自下端頭向上55m為西六片一分層采空區(qū)，向上55～71m為西六片與西五片一分層煤柱，再向上170m為西五片一分層采空區(qū)。6-2B西五片綜采工作面相對(duì)位置示意圖如圖1。

圖1 6-2B西五片綜采工作面相對(duì)位置示意圖Fig.1 Relative position diagram of the fifth fully mechanized working face in6-2B west area

1.2 發(fā)火過程及原因

6-2B西五片綜采工作面于2020年11月5日開始劈幫掛網(wǎng)，11月12日正式開始回撤工作?；爻菲陂g工作面風(fēng)量調(diào)整至520m3/min，回風(fēng)巷風(fēng)流CO體積分?jǐn)?shù)始終保持在10×10-6以下。11月23日，檢查發(fā)現(xiàn)工作面42#支架尾梁處有熱氣，測量尾梁處CO體積分?jǐn)?shù)為60×10-6，此后通過打眼灌漿處理，出水溫度及熱氣明顯減小。11月27日，回風(fēng)流CO體積分?jǐn)?shù)升高至20×10-6，并有持續(xù)升高趨勢，隨后采取運(yùn)輸巷施工木板閉，由負(fù)壓通風(fēng)改為局部正壓通風(fēng)方式，仍未有效控制CO升高趨勢，架間CO體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)3000×10-6。11月28日，經(jīng)公司研究決定采取主動(dòng)封閉措施，分別在6-2B西五片綜采工作面運(yùn)輸巷及285巷道施工2道料石密閉，工作面封閉的同時(shí)，在回撤工作面內(nèi)距離運(yùn)輸巷40m和18m位置預(yù)留2根 準(zhǔn)108mm措施管。

6-2B西五片工作面發(fā)生自然發(fā)火危險(xiǎn)的因素及位置主要有以下幾個(gè)方面：

1）6-2B西五片回撤期間38#～50#支架頂板正好對(duì)應(yīng)6-1B西六片軌道巷與6-1B西五片運(yùn)輸?shù)篱g的隔離煤柱，該煤柱寬約16m，經(jīng)2個(gè)分層共3個(gè)工作面開采的重復(fù)擾動(dòng)，煤柱節(jié)理裂隙十分發(fā)育，且經(jīng)過多次氧化，其自燃傾向性更強(qiáng)、自然發(fā)火期更短，在6-2B西五片工作面長時(shí)間停采回撤期間極易出現(xiàn)自然發(fā)火情況。

2）在42#支架位置頂板發(fā)現(xiàn)高溫點(diǎn)進(jìn)行打眼灌漿處理，灌漿期間出水有溫度，并且熱氣及CO體積分?jǐn)?shù)明顯減小，說明隱患位置在頂板高位遺煤當(dāng)中，同時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)由回風(fēng)側(cè)144#支架向進(jìn)風(fēng)側(cè)的8#支架依次遞減，根據(jù)各地點(diǎn)檢出CO的位置以及體積分?jǐn)?shù)可以看出，隱患發(fā)生的位置位于靠近運(yùn)輸巷一側(cè)工作面頂板采空區(qū)內(nèi)，煤體劇烈氧化產(chǎn)生的大量CO，在采空區(qū)漏風(fēng)帶動(dòng)下向回風(fēng)側(cè)富集，造成從回風(fēng)側(cè)支架前CO體積分?jǐn)?shù)高，而進(jìn)風(fēng)側(cè)支架前CO體積分?jǐn)?shù)低的現(xiàn)象。因此，綜合判斷此處隱患的發(fā)生地點(diǎn)為6-1B西六片終采線煤柱區(qū)域。

2 回撤期間自然發(fā)火綜合治理關(guān)鍵技術(shù)

2.1 自燃隱患區(qū)域鉆孔定位

由于圈定的疑似隱患區(qū)域范圍較大，為提高治災(zāi)的準(zhǔn)確性與有效性，設(shè)計(jì)采用鉆探的方式進(jìn)一步確定自燃隱患區(qū)域位置。利用6-2B西五片運(yùn)輸巷密閉外鉆場，向6-1B西六片采終線煤柱施工扇形探火孔6個(gè)，依次編號(hào)1#～6#，鉆孔孔徑 準(zhǔn)75mm，鉆孔終孔位置水平間距10m，以打透6-1B西六片采空區(qū)為準(zhǔn)。工作面隱患區(qū)域鉆孔探查示意圖如圖2。

圖2 工作面隱患區(qū)域鉆孔探查示意圖Fig.2 Schematic diagram of drilling layout in hidden danger area of working face

鉆孔打透后立即下套管，將該孔作為觀測孔，分別對(duì)孔內(nèi)氣體組分進(jìn)行人工取樣化驗(yàn)。由于各鉆孔成孔時(shí)間不同，受大氣壓力變化影響，造成各鉆孔進(jìn)出風(fēng)狀態(tài)及氣體組分差異極大。為此，待6個(gè)鉆孔全部施工完成后，采取定人、定點(diǎn)、定時(shí)的“三定”原則，通過便攜式取樣泵進(jìn)行人工取樣。取樣時(shí)將進(jìn)氣口與鉆孔套管通過快速接頭連接緊密，取樣前開機(jī)5min將鉆孔內(nèi)氣體排凈后，將出氣口插入球膽進(jìn)行取樣。探火孔溫度及氣體觀測結(jié)果見表1。

表1 探火孔溫度及氣體觀測結(jié)果Table1 Temperature and gas observation results

結(jié)果表明，1#～3#探火孔內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)較低，與采空區(qū)日常檢測結(jié)果類似，排除該區(qū)域自燃可能；4#～6#探火孔內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)顯著升高，且出現(xiàn)C2H4，6#孔內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)2630×10-6。因此，將自燃隱患疑似范圍縮小至4#～6#鉆孔所覆蓋區(qū)域。

2.2 鉆孔灌注液態(tài)CO2

在準(zhǔn)確探明自然發(fā)火隱患區(qū)域后，首先利用6個(gè)鉆孔進(jìn)行黃泥漿灌注，但灌注2d后，孔內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)仍然維持在較高體積分?jǐn)?shù)，且有熱氣冒出，說明高溫隱患點(diǎn)仍然存在。隨后，在4#～6#鉆孔間補(bǔ)打2個(gè)消火鉆孔分別命名為補(bǔ)1、補(bǔ)2，鉆孔孔徑準(zhǔn)108 mm，鉆孔終孔位置位于6-1B煤層頂板。在對(duì)原有鉆孔繼續(xù)灌漿的同時(shí)，利用井下移動(dòng)式液態(tài)CO2槽車對(duì)新施工的消火鉆孔進(jìn)行液態(tài)CO2灌注。移動(dòng)式液態(tài)CO2灌注工藝如圖3。

圖3 移動(dòng)式液態(tài)CO2灌注工藝示意圖Fig.3 Schematic diagram of mobile liquid CO2 filling process

通過罐車將液態(tài)CO2灌裝至移動(dòng)式液態(tài)CO2槽車中，然后將液態(tài)CO2直接運(yùn)輸?shù)蕉杰壍老律?，利用高壓管路與消火鉆孔進(jìn)行連接，向上覆采空區(qū)直接灌注，實(shí)現(xiàn)火區(qū)的快速惰化與降溫。單臺(tái)移動(dòng)式液態(tài)CO2槽車體積1m3，每天3班連續(xù)灌注，每班灌注2m3。

2.3 工作面堵漏與采空區(qū)惰化

為有效控制工作面密閉漏風(fēng)，在工作面運(yùn)輸巷與258巷道密閉外側(cè)，分別施工1道料石密閉。并向密閉墻夾層內(nèi)灌注黃泥漿，進(jìn)一步減少工作面漏風(fēng)。同時(shí)，排查周邊采空區(qū)密閉，檢查密閉內(nèi)外壓差，對(duì)密閉周圍裂縫進(jìn)行噴漿加固。利用回撤工作面內(nèi)距離運(yùn)輸巷40、18m的2根 準(zhǔn)108mm措施管，進(jìn)行持續(xù)的注氮與注液態(tài)CO2的綜合防滅火措施，加快惰化采空區(qū)。

2.4 采空區(qū)治理效果

在采取多種防滅火技術(shù)措施后，通過密閉預(yù)留的觀測束管進(jìn)行氣體取樣分析，工作面治災(zāi)期間O2與CO2變化趨勢如圖4。

圖4 密閉區(qū)內(nèi)O2與CO2變化趨勢Fig.4 Variation trend of O2and CO2in confined area

由圖4可以看出，采空區(qū)始終無CO，O2體積分?jǐn)?shù)從12月1日的18.6 %下降至12月5日的8.7 %，CO2體積分?jǐn)?shù)升高至6.6 %，此后O2體積分?jǐn)?shù)基本保持不變，無法進(jìn)一步下降。12月17日，通過現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，井下移動(dòng)式制氮機(jī)出口O2體積分?jǐn)?shù)過高，隨即停止密閉區(qū)注氮，僅采用密閉區(qū)灌注液態(tài)CO2與灌漿相結(jié)合的防滅火手段，隨后密閉區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)快速下降，封閉區(qū)內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)在12月22日首次降到5.0 %左右，此后長期保持在2%以下。經(jīng)過近2個(gè)月的持續(xù)觀察，工作面滿足啟封條件于2月18日開始啟封并回撤，回撤期間采空區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)自然發(fā)火等情況，3月19日完成全部回撤工作正式封閉。

3 結(jié) 語

1）厚煤層分層開采工作面，下分層開采后采空區(qū)遺煤經(jīng)過多次氧化，其自然發(fā)火期進(jìn)一步縮短。在下分層工作面停采回撤期間，極易出現(xiàn)自然發(fā)火事故。

2）在6-2B西五片回撤工作面自然發(fā)火隱患發(fā)生后，通過對(duì)采空區(qū)遺煤分布、漏風(fēng)規(guī)律以及氣體狀態(tài)分析，初步劃定疑似高溫隱患區(qū)域。同時(shí)利用扇形探火孔，并采取“三定”取樣分析原則，對(duì)隱患區(qū)域進(jìn)行了精準(zhǔn)探測。

3）通過采取鉆孔注液態(tài)CO2，采空區(qū)堵漏與惰化等綜合防滅火技術(shù)措施，使得采空區(qū)高溫隱患消除的同時(shí)，保障了工作面后續(xù)的安全啟封與回撤。