深部大倾角综放面瓦斯与火灾共存防治技术研究＊

孙豫敏 林柏泉 朱传杰 李贤忠

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

深部大倾角综放面瓦斯与火灾共存防治技术研究＊

孙豫敏1，2林柏泉1，2朱传杰1，2李贤忠1，2

（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

为解决赵各庄3237工作面瓦斯与自燃火灾共存的难题，采用数值模拟的方法探究了12＃煤层上覆岩层垮落三带分布特征，确定了抽放的最佳位置。以CO与O2浓度为主要指标，以遗煤温度为辅助指标，对采空区自燃三带进行了划分，得出灌浆的最佳位置在采空区距工作面19.7 m处。最后，提出利用增稠粉煤灰二氧化碳泡沫材料进行采空区堵漏和防火抑爆，利用高位巷和高位钻孔进行瓦斯抽采，降低工作面瓦斯浓度。

采煤工作面 瓦斯突出 火灾 瓦斯抽放 注浆 粉煤灰 深部大倾角 赵各庄矿

开滦赵各庄矿3237综放面属于典型的瓦斯与自燃火灾共存的工作面，且其所在煤层构造复杂，在回采过程中瓦斯异常涌出现象明显，对该矿的安全生产产生严重威胁。

1 工作面瓦斯与自燃火灾特征

1.1 工作面基本情况

赵各庄矿3237工作面处于13水平西2石门12＃煤层。该工作面沿底板布置，采用综采放顶煤采煤法。12＃煤层厚度为9.12～14.27 m，平均厚度10.69 m，距上覆9＃煤层平均距离为32 m；其平均倾角约28°；由下向上、从东向西呈逐渐增大的趋势。由于该工作面处于倾斜向急倾斜过渡区，地质构造复杂，应力集中，煤质松软，导致其顶板裂隙发育、易破碎，在掘进过程中共揭露3条断层。

3237工作面煤层自然发火期6～8个月，相对瓦斯涌出量为11.64 m3／t，平均瓦斯抽放率为64.5%。其有效风量17.6 m3／s，风排瓦斯量4.22 m3／min，回风中瓦斯浓度为0.4%。该工作面跨越3239上山连续开采，面临着自燃火灾、动压以及瓦斯等问题。目前工作面采取的防治措施是“上堵下封”来减少上隅角瓦斯积聚以及漏风，同时向采空区内灌注粉煤灰浆液。但是实际效果并不理想，主要原因为 “上堵下封”只能适用于采空区瓦斯涌出量较小的情况，而3237工作面瓦斯涌出量比较大，该方法不适用，特别是有断层构造时，瓦斯涌出异常，危险性较大，威胁正常生产，同时，工作面漏风严重；普通粉煤灰浆液存在较严重的水灰分离问题，采空区灌浆使用该种浆液不仅不能有效阻止采空区遗煤的自燃，还会造成工作面积水，带来技术管理上的不便。

1.2 3237工作面上覆岩层三带分布规律

利用岩石破裂全过程分析系统RFPA2D对回采工作面推进过程中上覆岩层三带分布及变化规律进行研究。该数值模拟的前提是各岩层细观单元都是均质的各向同性的线弹脆性体，而且这些细观单元物理力学参数均服从韦伯分布，各力学参数见表1。数值分析模型尺寸为250 mm×500 mm，共划分为125000个细观单元。当回采工作面推进一定距离，上覆岩层充分运动之后，出现冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。

表1 模型中岩层的力学参数

数值模拟结果为，弯曲下沉带在距离12＃煤层70 m以上的区域；裂隙带从8号砂页岩的中下部到11号页岩，距离12＃煤层约25～70 m，9＃煤层也在裂隙带的范围内；冒落带的大致范围为12号砂岩到14号页岩，距离12＃煤层约0～25 m，11＃煤层也包含在内。除了三带的划分，模拟结果还显示，9＃煤层及其下方的页岩层所在区域为严重裂隙带，是瓦斯主要集聚的区域，危险性较强。

1.3 采空区自燃三带分布规律

在采空区埋设用金属管保护的温度传感器和气体采集管，可以获得采空区气体成分以及温度的变化和分布规律。测温系统采用集成温度传感器AD590。取样气泵采用粉尘采样器的抽气泵，进行了适当的改装。取气管则选用内径为5 mm的聚氯乙烯束管。气体成分分析则利用气相色谱仪进行。

（1）采空区遗煤温度变化情况及其拟合曲线如图1所示。从图1可以看到，在9.4 m之前，遗煤温度几乎保持不变，约为294 K；在9.6～12.4 m之间，遗煤温度上升比较显著，说明此区域内为冷却带。

在12.4 m之后，进入自燃带。由图1拟合曲线可以看出，遗煤温度逐渐上升，在40 m左右处达到一个最高值，且在90 m左右遗煤温度趋于稳定值，说明采空区已经处于窒息带，但是并不能确定自燃带与窒息带的分界线。通过分析温度变化可得，在冷却带内温度维持在294 K左右，窒息带内维持在300 K左右。

图1 采空区遗煤温度变化曲线

对现场测试的温度进行分析发现，采空区内的测温点距工作面54.1 m时，温度降低到301 K，并随着进入采空区深度的增加，之后各点的温度基本保持在300 K左右。因此可以判定，从采空区距工作面54.1 m的位置开始进入窒息带。此分析结果与根据气样分析得出的结果基本一致。

（2）采空区CO浓度变化情况及其拟合曲线如图2所示。通过图2中曲线可计算出回归方程Φ（CO）=-0.015x2+0.5924x+8.2608。令CO浓度Φ （CO）=0，就可得出自燃带与窒息带分界线，即x=50.5 m，该值与实测的54.1 m时CO消失基本一致。说明从50.5 m开始，采空区进入窒息带，遗煤的自燃氧化停止。

由图2还可以求得CO浓度最大值所在位置，即CO浓度深度变化梯度为零时的所在位置，即令Φ′（CO）=0，求得x=19.7 m，该位置即为最易自燃氧化位置。在该区域，浮煤的自燃氧化很容易发生，所以应特别针对该区域提出防治自燃措施。

图2 采空区CO浓度变化曲线

从图2看，在采空区距离工作面12.4 m时，开始出现CO。可见，通过CO浓度与温度指标确定冷却带的范围，两者是相符合的。

图3 采空区O2浓度变化曲线

（3）采空区O2变化情况及其拟合曲线如图3所示。由图3计算出回归方程Φ （O2）=-6.0022Ln（x）+28.76x2。由以往的研究成果可知，当O2浓度下降到8%～5%以下时，浮煤就不会发生自燃。令Φ （O2）=5%，求得x=52.3 m。说明从52.3 m开始进入窒息带。此值与通过CO浓度变化规律得出的窒息带边界50.5 m基本一致。

结合以上的分析，可将赵各庄矿3237工作面采空区划分为三带，即煤温基本不变的冷却带 （0～12.4 m）、氧化升温的自燃带 （12.4～54.1 m）、煤温下降至定值的窒息带 （＞54.1 m）。确定划分自燃带与窒息带的临界值时，遗煤温度只作为辅助参考指标，主要以CO与O2浓度指标为准。

2 瓦斯与火灾综合治理技术

针对赵各庄矿3237工作面存在瓦斯与自燃火灾共存的难题，一方面可以利用高位巷和高位钻孔进行瓦斯抽放，降低瓦斯浓度；另一方面采用增稠粉煤灰二氧化碳泡沫材料进行采空区堵漏以及防火抑爆。

2.1 高抽巷和高位钻孔治理瓦斯

2.1.1 高抽巷施工参数

（1）高抽巷底板与12＃煤层垂直距离。由于9＃煤层与11＃煤层之间离层裂隙十分发达，且11＃煤层垮落后这些离层裂隙并没有闭合，这个区域的瓦斯浓度会很高，很适合瓦斯抽放。所以高位巷的理想高度应在该裂隙带内，且在12＃煤层上方25～45 m范围为宜。综合考虑施工以及成本等因素，2519高位巷选取的位置为工作面上伏11＃煤层内，巷道底部与12＃煤层垂直距离为20 m，沿工作面走向布置。高抽巷具体位置如图4所示。

图4 赵各庄高位巷位置示意图

（2）高抽巷水平投影距回风巷平行距离。12＃煤层倾角较大，竖直方向的重力分量较大。在重力分量的影响下，采空区上部垮落的岩石下滑会导致下部采空区被充填压实。这样采空区上部的空间增大，下部的空间减小，靠近工作面上山方向部分就会卸压出现裂隙，该区域内瓦斯浓度较大，适宜布置高抽巷。因此高抽巷水平投影距回风巷之间的距离应该最小22 m左右。

2.1.2 高位钻孔施工参数

（1）钻场位置的确定。根据3237工作面瓦斯涌出情况、成本以及抽放钻孔施工情况考虑，设计在该工作面约每隔60 m布置1个钻场。由冒落研究规律发现，12＃煤层上方的页岩、砂岩层和11＃煤层均处于冒落带中。因此将钻场布置在12＃煤层上方的页岩层，与12＃煤层底板距离为12 m。

（2）钻孔的终孔层位与煤层顶板的垂直距离。垂距的选取与高位巷位置的选取原理类似，高位钻孔的终点应在煤层上方25～45 m范围内。需要注意的是终孔位置不能与裂隙带上限位置太近，这样虽然可以保证抽放浓度，但是流量会比较小。

（3）钻孔距风巷的水平距离。为了避免受采动影响导致钻孔发生变形错位，钻孔终孔与回风巷之间的水平距离至少应大于22 m。考虑到采空区顶板跨落角为70°，钻孔之间的压茬距离确定为30 m。在12＃煤层上方的页岩开挖一硐室作为钻场，钻场参数为5.5 m×3.5 m×2.3 m （长×宽×高）。高位钻孔层位布置如图5所示。

2.2 采空区火灾治理

（1）注浆材料。不同于普通的注浆技术，研究开发了增稠粉煤灰二氧化碳泡沫防火抑爆技术，即在普通粉煤灰浆液中加入分散剂、高吸水树脂，这样可以起到增稠效果。另外，在配置好的增稠粉煤灰浆液中还加入碳酸氢钠和硫酸铝，一方面，增稠后的粉煤灰浆能够有效地解决水灰分离的问题，起到很好的堵漏作用 （工作面漏风以及上隅角的瓦斯涌出都显著减少）；另一方面，碳酸氢钠和硫酸铝反应生成二氧化碳，可以稀释采空区内高浓度瓦斯，可以起到灭火以及防止瓦斯爆炸的作用。

（2）注浆出口位置。在3237工作面采空区距工作面19.7 m处，CO浓度达到了最大值，是最容易发生自燃火灾的位置。因此选取开始灌浆的出口位置为采空区距离工作面20 m处。应注意的一点是，出浆口位置应尽量靠近采空区外侧，这样才能够保证灌浆顺利进行，不造成过大的管路压力。

（3）灌浆工艺。首先将粉煤灰、分散剂、增稠剂和水加入自动加料器搅拌均匀，然后注入地面注浆池。与此同时，分别制备稳泡剂溶液、硫酸铝以及碳酸氢钠溶液，并注入各自容器内。具体布置如图6所示。注浆时应注意先打开注浆池的阀门，使粉煤灰浆液进入地面混合器，随后再同时打开3种溶液的阀门，几种材料在混合器内混合后通过注浆管路注入采空区。

2.3 措施效果分析

为了考察上述防治措施的效果，需要对工作面瓦斯涌出情况进行测定。利用单元法对采取了灌浆措施后工作面的瓦斯涌出以及漏风情况进行测定。结果显示，采空区的漏风量与之前相比明显减少；采空区瓦斯涌向工作面的比例变小，采取措施后的比例为21%，而措施前为28%；整个工作面的漏风量有所降低，在措施后为14 m3／min，而措施前为21 m3／min。措施前后各个单元漏风散点曲线如图7所示。

除了以上变化，采空区二氧化碳浓度也有显著提高，从1.2%～2.6%升高到8.5%～10.5%；同时O2浓度也降低到15%以下，甲烷浓度降低并且保持在3%左右。瓦斯的爆炸极限范围被大大地缩小了，对瓦斯爆炸起到了有效的抑制作用。

图5 高位钻孔层位布置图

3 结论

（1）利用RFPA2D进行数值模拟，得出了12＃煤层上覆岩层在工作面推进过程中垮落三带分布特征；同时还发现9＃煤层以及下方的页岩层均处于严重裂隙带，是瓦斯主要集聚的区域，层位与开采煤层之间的距离为25～45 m。

（2）根据CO与O2浓度的变化情况，同时参考采空区遗煤温度情况，划分了采空区自燃三带。分析研究计算出采空区距工作面19.7 m处最容易发生自燃火灾，需要针对该区域提出防治自燃的措施。

（3）为了解决赵各庄矿3237工作面瓦斯与火灾并存的难题，采用新型注浆材料增稠粉煤灰二氧化碳泡沫进行防火防爆以及采空区堵漏，同时布置高位巷和高位钻孔抽采瓦斯以降低工作面瓦斯浓度。实际测定结果表明，采取上述措施后，采空区漏风量明显减少，涌向工作面的瓦斯显著降低，有效控制了采空区的煤炭自燃。

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Prevention and control of gas and fire coexisting at fully mechanized mining face with deep elevation angle

Sun Yumin1，2，Lin Baiquan1，2，Zhu Chuanjie1，2，Li Xianzhong1，2
（1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China；2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，Xuzhou，Jiangsu 221008，China）

In order to solve the problem of gas and fire coexisting at 3237 working face of Zhaogezhuang Coal Mine，the numerical simulation was used to research"Three-zone"distribution characteristics of overlying strata failure to determine the optimum gas drainage position.Taking the concentrations of CO and O2as main index and the temperature of residual coal as auxiliary index，the coal combustion"Three-zone"in goaf was divided and the optimum position for grouting was located in the distance of 19.7 m to the working face.Finally，CO2foam thickened by flyash was used for the leaking stoppage of goaf as well as fire prevention and explosion suppression，and the gas drainage through high-level roadway and high-level drilling was carried out to decrease the gas concentration at the working face.

coalface，gas outburst，fire，gas drainage，grouting，flyash，deep elevation angle，Zhaogezhuang Coal Mine

TD712、TD753

A

国家重点基础研究发展 （973）计划（2011CB201205）；江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目 （CXZZ12＿0960）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 （2012DXS02）；国家自然科学基金青年科学基金 （51204174）

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孙豫敏 （1990-），女，河南平顶山人，研究生，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究工作。

（责任编辑 张艳华）