受火区威胁易燃煤层回采工作面复合灾害治理研究

受火区威胁易燃煤层回采工作面复合灾害治理研究
程建圣
【摘要】以五虎山煤矿011203工作面为工程实例,分析了011203工作面受上覆煤层火区、采空区自然发火及瓦斯涌出的影响,构建复合灾害治理模式,采取走向+倾向交错钻孔联合大面积区域抽采煤层瓦斯,井上填埋黄土及井上下注液氮,回风巷施工高位钻孔、采空区埋管抽放,以及均压通风等综合治理技术,应用结果表明,工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数不超过0.8％,回风巷瓦斯体积分数不超过0.5％,上隅角和回风流一氧化碳体积分数均为0,复合灾害治理效果明显,保证了受火区威胁易燃近距离煤层群综放工作面的安全生产.
【期刊名称】《矿业安全与环保》
【年(卷),期】2018(045)004
【总页数】4页(P118-120,124)
【关键词】火区;瓦斯;采前预抽;复合灾害;高位钻孔;埋管抽放;均压通风
【作者】程建圣
【作者单位】安徽理工大学能源与安全学院,安徽淮南232001;瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆400037;中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆400037
【正文语种】中文
【中图分类】TD75+2.2;TD712+.6
近年来，尽管我国新能源及非常规能源产业发展迅速，但煤炭仍是我国现阶段的主体能源。

因此，推动煤炭清洁利用已经成为行业发展的必然选择。

矿井瓦斯(又称“煤层气”)是煤矿生产的主要安全隐患，但同时亦属一种非常规天然气资源[1-3]。

加大煤矿瓦斯抽采利用的力度，不仅可促进矿井安全生产形势的转变，同时亦可作为一种构建清洁供暖体系的技术途径。

但随着当前我国煤炭开采深度的增加，煤矿瓦斯灾害的复杂程度呈现出多因素相互交叉影响的特征[4-5]。

例如：隶属于神华
乌海能源公司的五虎山煤矿，其011203工作面开采受到上覆10#火区的影响，
且该矿井属于高瓦斯矿井，因此011203工作面受到火、瓦斯灾害的叠加威胁[6-8]。

1 工作面概况
五虎山煤矿011203工作面位于十二层盘区回风上山北翼，工作面南部为十二层
回风上山，西部为011201采空区，北部为井田边界，东部为021205规划工作面。

011203工作面开采的12#煤层较稳定，厚度 2.44～6.13 m，平均厚度4.8 m，煤层倾角6°～10°，平均倾角7°。

煤尘有爆炸危险性，为自燃煤层，最短自
然发火期为55 d。

011203工作面内12#煤层瓦斯含量为5.12～7.29 m3/t，煤
层瓦斯压力为0.28～0.70 MPa，工作面走向长度为1 250 m，倾向长度为177 m，工作面煤层采高为4.5 m，产量5 000 t/d。

011203工作面采用走向长壁后
退式综合机械化采煤方法，全部垮落法控制顶板。

2 工作面火灾危险性分析
2.1 工作面受10#火区影响
10#火区地表位于12#煤层回风井以东约600 m，火区面积约50.41万m2。

10#火区燃烧1#、2#、4#、6#、7#煤层，7#煤层距地表最近20 m左右。

若10#火区没有熄灭，火区内的CO等有害气体会影响011203工作面的安全生产[8]。

2.2 工作面自然发火危险区域分析
因开采区域内12#煤层平均厚度为4.8 m，因此011203工作面回采时，采空区遗煤较多，存在自然发火可能性。

011203工作面可能出现煤自燃的位置有以下几处[9-10]：
1)工作面开采线附近。

工作面因开采线附近煤壁暴露氧化时间较长，开切眼副帮煤壁及顶板在集中压力、采动压力作用下，片帮煤等垮落后必然呈破碎状态被遗留在开采线附近，工作面初采期间推进速度较慢且垮落状态不好，漏风供氧条件较为充分，如具备蓄热条件，可造成开采线附近松散破碎堆积的煤炭氧化自燃。

2)工作面终采线附近。

综合机械化采煤工作面在接近终采线附近时，由于铺网等因素影响可能造成工作面推进速度减慢，回撤时间变长(预计在1个月左右)，使得采空区后部遗煤漏风供氧时间增加，进而导致采空区(终采线附近)遗煤自燃。

3)工作面两巷附近采空区。

工作面两巷因受集中、采动压力影响，以及煤壁片帮等因素影响，大量呈破碎状态下的碎煤被遗留在采空区，且两巷是采空区漏风的主要路径，具有充分的供氧、蓄热条件，可造成两巷附近采空区遗煤自燃。

4)工作面原回风巷与补回风巷之间的保护煤柱。

011203工作面回风巷由于受到011201工作面回采时矿压作用的影响，由011203开切眼始向终采线方向约670 m的巷道严重变形、垮塌，无法进行维护，随后对原回风巷进行了封闭，封闭后
又在原回风巷东侧15 m处与原回风巷平行新掘进1条巷道，即011203补回风巷。

当011203工作面开采时，在采动影响下，011203补回风巷与011203回风巷之间的煤柱有可能出现破碎，在漏风供氧条件下可能会自燃。

3 工作面瓦斯与火共治模式及技术
针对五虎山煤矿在近距离煤层群开采条件下的瓦斯、火共治的技术难题，通过实践和研究，提出了近距离煤层群高瓦斯矿井瓦斯、火共存条件下的复合灾害治理模式[11]，如图1所示。

可以看出，提前3～5 a或更长的时间，实施大面积区域预抽，
使工作面在回采之前实现抽采达标；回采之前，确定合理的通风系统，尽量减少采空区漏风，并加强对煤自然发火标志气体的监测；在工作面回采期间，采用顶板高位钻孔抽采卸压瓦斯等方法实施工作面瓦斯治理，控制上隅角瓦斯浓度，并使其工艺参数与防灭火措施相适应，以防止瓦斯、火共生灾害的发生[12-13]。

图1 瓦斯与火共存条件下的复合灾害治理模式
五虎山煤矿瓦斯与火共存条件下的复合灾害治理模式的内涵体现在以下3个方面：1)瓦斯抽采与火区治理统筹规划，实施区域预抽后，为煤炭开采创造安全条件，同时进一步减少采空区瓦斯涌出量。

2)根据近距离煤层群开采的特点，选择工作面瓦斯治理的方法，并确定合理的参数，在控制上隅角瓦斯浓度的同时，防止采空区煤自燃。

3)通风系统调整与监测监控技术相结合，进一步防止火灾事故的发生，并实时监测自然发火指标参数。

3.1 火区治理方法
1)工作面回采前进行前期探查，发现10#火区燃烧层位为1#、2#和4#、7#煤层，最大燃烧深度为76 m，火区地面已被大量泥土回填或覆盖。

根据火区实际情况，对火区内西南部、中部渣堆进行了平整剥挖，多余的剥离物排弃到北部治理区内的采坑，平整剥挖后采用厚1 m的黄土进行覆盖，对剥挖过程中发现的火点采取先
注水降温、揭露燃烧体，再进行黄土封堵回填的措施，经过治理，10#火区地表着火特征消失。

2)为了保障011203工作面安全回采，在井下采取了注氮措施防止10#火区内有害气体涌出，在地面采取打钻注液氮的方法对10#火区进行了治理，按照50 m×50 m布置注液氮钻孔16个，实际施工钻孔 9个，共计注入液氮1 063.02 t。

治理结束后，钻孔温度从初始温度65～140 ℃，降低到-5～25 ℃；注氮钻孔内CO气体浓度均大幅下降。

3.2 工作面瓦斯治理技术
3.2.1 采前大面积区域预抽
采用本煤层走向+倾向钻孔预抽瓦斯的方式，对011203工作面进行预抽。

该区域内累计施工瓦斯抽采钻孔183个，全部接管抽采，每个钻孔深度为 160 m，累计施工钻孔长度28 480 m。

每个钻场布置 3个钻孔，呈扇形布置，开孔直径为114 mm，开孔深度为6 m，终孔直径为94 mm，倾角一般为5°～8°。

后期，针对
部分瓦斯含量较高的区域，补充施工沿煤层走向的瓦斯抽采钻孔40个，孔深为140 m，终孔直径为 96 mm，孔间距为6 m，如图2所示。

图2 工作面区域钻孔布置示意图
3.2.2 回采期间瓦斯治理
1)高位钻孔抽采。

011203工作面回风巷内每隔60 m施工1组高位钻孔，每组施工6个钻孔，回采期间，高位钻孔瓦斯抽采流量达到1 m3/min。

2)采空区埋管抽采。

在011203工作面回风巷内敷设抽采管(抽采管前端兼作埋管)，随着工作面推进，抽采管管口保持伸入采空区30～50 m，抽采采空区瓦斯。

3.3 工作面采用均压通风
011203工作面采动后，10#煤层容易自然发火，加上上部残留火区有害气体的存在，漏风是严重威胁和制约011203工作面安全生产的主要因素。

因此，通过采
用风机、风窗等调压手段，改变综采工作面的压力分布，降低漏风通道两端的压差，减少漏风量，达到防止CH4、CO等有害气体向综采工作面逸出，并熄灭火区的
目的。

合理利用均压通风技术，在处理井下采空区漏风、煤自燃及瓦斯灾害上能够达到较好的效果。

3.4 瓦斯与火共治效果
在瓦斯治理方面，对011203工作面进行采前区域预抽，实现工作面采前抽采达标，回采期间采用高位钻孔结合上隅角埋管的综合治理方式，使得工作面上隅角瓦
斯浓度(甲烷体积分数)不超过0.8%，回风巷瓦斯浓度不超过0.5%，如图3所示。

采用均压通风、填埋黄土及井上下注氮等防灭火技术措施后，上隅角和回风流CO 体积分数均为0 。

图3 回采期间工作面回风巷及上隅角最大瓦斯浓度变化曲线
4 结束语
依据提出的近距离煤层群高瓦斯矿井瓦斯与火共存条件下的复合灾害治理模式，采用走向+倾向交错钻孔联合抽采煤层瓦斯，实现了抽采达标；采用高位钻孔结合上隅角埋管抽采采空区瓦斯，实现了回采期间瓦斯不超限；采用均压通风、填埋黄土及井上下注氮等防灭火技术措施后，实现了回采期间高效防火。

总体实现了011203工作面复合灾害的治理目标，确保了工作面的安全生产，可为其他工作面的类似灾害治理提供借鉴。

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