采空区自燃诱发瓦斯灾害耦合致灾特性及防控技术

采空区自燃诱发瓦斯灾害耦合致灾特性及防控技术
摘要：最近几年来,我国矿井开采深度逐年增加,使得一些矿井,特别是一些高瓦斯
易自燃矿井,存在着遗煤自燃导致瓦斯爆炸事故的危险,该类耦合灾害危险性大、
治理难度高,是目前亟待解决的难题之一。

现阶段，国内外专家学者针对复合灾害
致灾机理、复合灾害特性、复合灾害防治等方面进行了大量研究。

基于此，本文
主要对采空区自燃诱发瓦斯灾害耦合致灾特性及防控技术进行分析探讨。

关键词：采空区；自燃诱发瓦斯灾害；耦合致灾特性；防控技术
前言
虽然相关的学者对遗煤自燃与瓦斯耦合灾害做了大量研究,但是,仍缺乏系统
的对空间立体耦合灾害场重建方面的分析。

理论计算可以宏观上推算出耦合灾害
危险发生可能区域,但危险区域划分并不具体,相关计算模型仅符合理想条件,且只
是得到平面区域分布,不能完全表征耦合灾害危险区域的范围和大小,并不能很好
的用于现场工程改进。

1、工作面概况
南山煤矿33182综采工作面回采18-2#煤层，煤厚9m，工作面长108m，倾
角8-12°，平均10°。

采用走向长壁综合机械化放顶煤法，工作面自切眼后退式开采，全部垮落法管理顶板。

采用浓度传感器在回风巷、上隅角、工作面及尾巷，
在工作面上隅角、回风巷、尾巷、高抽巷抽采管路安装CO传感器及温度传感器，CO传感器报警浓度为24×10－6。

2、采空区瓦斯与煤火灾害形成条件及特征
在特定的开采自然条件下，采空区自然发火主要决定于采空区氧浓度分布状态，采空区瓦斯涌出影响着采空区氧浓度分布;而流场氧浓度分布和瓦斯分布和涌
出规律由流态所决定。

上述客观现象表明，即存在提高瓦斯安全性的同时也必将
使自然发火安全性降低;反之，降低自然发火危险性的同时又不能满足安全排放瓦
斯的要求，容易导致2种安全隐患的顾此失彼的失衡问题。

对于类似301工作面
条件的高瓦斯近距离煤层采空区瓦斯与煤火灾害关系为:
1)从2种灾害的条件来看，瓦斯灾害的发生需要瓦斯、氧气和引火源这三者
共同作用，其中瓦斯与氧气在采空区中是客观存在的，而引火源在采空区内部主
要来源于煤自燃;当符合瓦斯爆炸的区域与氧化升温带重合，且工作面连续推进度
小于下限时间大于自然发火期时，33182综采采空区可能发生瓦斯与煤火灾害。

2)从2种灾害的发生过程来看，瓦斯是达到条件迅速爆炸，而煤自燃的发生
发展需经历一段时间，控制瓦斯灾害更为严峻。

虽然采空区瓦斯与煤自燃灾害的
防治焦点在于控制采空区煤自燃，杜绝瓦斯爆炸引火源，但防治重点是瓦斯，因
为若重点控制采空区煤自燃，虽能避免采空区瓦斯爆炸但一定程度影响了瓦斯治理，可能造成瓦斯涌入工作面，增加工作面瓦斯爆炸危险性。

3)从2种灾害源的来源来说，33182综采面瓦斯主要来源于18#煤层遗煤、上覆15#煤层及相邻煤层(本煤层瓦斯涌出量约占41．9%，邻近层占58．1%);可能
自然发火灾害的来源主要是15#煤层遗煤(浮煤厚度约0．43m，其中回采率按97%计算，空隙率按30%计算)。

4)从2种灾害防治的表征来说，瓦斯灾害表征主要是采空区瓦斯涌出量，煤
火灾害的表征是氧化升温带宽度。

因此，采空区瓦斯与煤火灾害协同防治的关键
是如何减小采空区瓦斯涌出，同时缩短采空区氧化升温带宽度。

3、采空区瓦斯与煤火协同防治
3．1采空区瓦斯治理
1)专用巷排放瓦斯技术。

为排放工作面回采期间上隅角瓦斯，与回风巷平距
10m平行施工1条专用瓦斯治理巷，工作面瓦斯治理专用巷在初期回风反上开门，沿18#煤层顶板岩石掘进，裸巷不支护。

2)高抽巷抽采瓦斯技术。

33182工作面高位抽采巷起坡至18#煤层回风上山开门至18#层顶板岩石掘进，和回风巷平行施工岩巷，同时在距切眼200m处，从
尾巷爬坡至18#煤层顶板，掘进至切眼附近后反掘，裸巷不支护，净宽2．5m，
净高2．4m，断面6m2，与煤层顶板相距30m，与回风巷内错25m。

3)风量配置。

工作面配风量选择850m3/min左右，抽配比选择0．045(即
38.25m3/min)，专用回风巷配比选择0．2122(即180m3/min)，回配比选择0．7454(即634m3/min)。

3．2工作面采空区防灭火技术
3．2．1采空区自燃预防技术
根据33182工作面煤层自燃火灾的特点及其规律，建立以“惰化、阻化、降温”为核心的工作面的综合防治体系，分别在工作面初采期间、正常回采期间及停采期间3个阶段实施监测及防控技术，具体防灭火技术措施如下:
初采期间：在切眼靠帮处每隔 90 m 设置监测，沿方向每隔 50 m 设置监测点，①在工作面第一次来压之前，在局部碎煤冒落地点喷、注阻化剂;②在顶板冒落
之前对上下各 4 个支架上方铺设漏风隔离材料，挂设挡风帘;③工作面第 1 次顶
板来压后，每天在上下顺槽建立碎煤袋墙;④当工作面第 1 次顶板来压后，利用
注浆管路灌浆约90 m3 /d;⑤在距离切眼 0、50、100 m 分别埋设注氮管路，埋深30 m 时交替向采空区压注氮气。

正常回采期间:沿两道方向每 50 m 设置监测点，生产期间每隔 10 架进行人
工检测.①每天上、下平巷间隔施工 1 道隔离墙;②工作面推进 150 m 后，每隔
50 m 埋设注氮管路，埋深 30 m 时注氮，注氮量1 200 m3 /h;③工作面推过切眼200 m 后，利用注氮管向采空区注浆， 150 m 管路处氮，依次交替进行;④对上
下各 4 个支架上方铺设漏风隔离材料;⑤利用预埋注氮管路向采空区内压注液态
二氧化碳。

末采、停采及撤架期间：在两道 60、40、25 m 处设置监测点，加强架间气
体的人工检测。

①在上、下平巷工作面端头每天施工隔离墙，并压注黄泥浆;②
在上平巷距停采线 50、30 m 处沿注浆管路向采空区注浆;③工作面停采时，向采空区间歇式压注液态二氧化碳防火;④停采时在每个架间施工钻孔压注胶体;⑤向上、下隅角压注液态二氧化碳后注高分子胶体堵漏。

3．2．2采空区煤自燃应急措施
1)技术条件。

建立井下快速打钻下套管系统:将灭火钻机(改进型岩石电钻)、
煤电钻、可作为套管的50mm钻杆、相配套的钻头、以及胶管等放置在回风巷入
口附近。

建立矿用移动式注浆装置系统，分别在上平巷与下平巷入口处放置1台
注浆机，应保持正常，可根据实际需要即时运往使用地点。

建立液态二氧化碳防
灭火系统，采用矿用移动式液态二氧化碳防灭火装置对采空区自燃隐患点进行降温、惰化及抑爆。

2)应急技术措施。

由于该面的特殊原因，工作面推进速度较慢时，可能出现
采空区自燃隐患。

一旦存在因自燃而造成气体超标的现象，必须根据实际情况进行快速处理:①若自燃区域离工作面距离小于20m，则采用注胶直接灭火方案，立即用高分子胶体控制自燃发展，降低工作面供风量;②对进风侧或自燃区域采用液态二氧化碳防灭火装置进行直接降温和控制;③自燃隐患难以判定或距离过远时，可采用阻化泡沫和汽溶胶阻化防灭火系统相结合，对局部区域进行阻化和降温。

4、结论
1)提出采用工作面监测监控技术，采空区瓦斯治理协同防控技术，并完善采空区煤自燃应急措施。

2)高抽巷瓦斯抽采浓度平均36%，抽采瓦斯纯量为13.77m3/min，抽采量占瓦斯涌出总量平均为67.3%左右，工作面瓦斯治理专用巷在治理工作面瓦斯涌出方面起到了良好的作用，33182工作面正常日平均推进速度为3.75m/d，介于安全推进度之间。

3)在瓦斯抽采期间，高抽巷内CO浓度均低于38×10－6，束管监测内CO浓度控制在10×10－6，CO浓度均控制在合理范围内，工作面、上隅角、回风巷最大瓦斯浓度均控制在0．8%以内，保证了工作面的安全生产。

参考文献：
[1]梁建军,杜扬,张延松,等.瓦斯爆炸下限的温变特性试验研究[J].煤炭科学技术,2009,37(11):28-29.
[2]张春,题正义,李宗翔.内含瓦斯抑制条件下极限平衡区顶煤自燃模拟[J].中国矿业大学学报,2013,42(1):57-61.。