近距离煤层开采瓦斯与内因火灾防治技术的研究与应用

王海清 庞叶青

(大同煤矿集团有限责任公司,山西省大同市,037003)

近距离煤层开采瓦斯与内因火灾防治技术的研究与应用

王海清 庞叶青

(大同煤矿集团有限责任公司,山西省大同市,037003)

以同煤集团煤峪口矿14＃煤层410盘区81006综采工作面为例,对近距离煤层开采期间瓦斯与内因火灾防治技术进行探讨。分析了煤自燃和瓦斯爆炸共生造成复合型灾害的威胁。通过采取巷道封闭抽放、穿层钻孔抽放的瓦斯治理措施和采空区注氮、邻近工作面注浆一体化火灾防治技术,81006工作面正常生产期间上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下、CO浓度在0.001%左右,上覆采空区内CO浓度保持在0.005%以下,氧气浓度保持在3%～7%左右。

近距离煤层 瓦斯 内因火灾 复合型灾害 灾害防治技术

煤炭开采过程中,瓦斯与内因火灾共存很容易引起瓦斯爆炸,导致特别重大的人员伤亡和经济损失。采空区存在破碎煤体、CH4浓度场、O2浓度场和氧化温度场。当遗煤、O2浓度场和氧化温度场相互作用达到一定条件会产生煤炭自燃;当CH4浓度场、O2浓度场和氧化温度场相互作用达到一定条件会产生瓦斯爆炸。尤其近距离煤层开采过程中,由于上下煤层间距较小,煤层开采时受采动影响比较大,在下部煤层开采过程中,受矿压影响,下部煤层顶部岩体垮落产生大量裂隙,使得冒落带和裂隙带中的裂隙成为空气渗流的主要通道。当穿层钻孔抽采上覆采空区瓦斯,在抽采负压的作用下大量空气被引入上覆采空区中,漏风通道或采空区遗煤氧化蓄热,存在煤自燃和瓦斯爆炸共生的潜在威胁,造成复合型灾害。本文以同煤集团煤峪口矿14＃煤层410盘区81006综采工作面为例,对近距离煤层开采期间瓦斯与内因火灾防治技术进行探讨。

1 矿井概况

煤峪口矿是高瓦斯矿井,煤层为易自燃煤层,自然发火期短,内因火灾隐患较为严重。11＃煤层与12＃煤层在410盘区合并,煤层平均厚度8 m。14＃煤层平均厚度2.11 m,距12＃煤层平均距离6.83 m。11＃、12＃煤层合并层410盘区7个工作面全部回采结束已封闭。现开采的14＃煤层410盘区81006工作面上部对应11＃、12＃煤层合并层81004工作面和81006工作面。

2 灾害原因分析

煤峪口矿410盘区绝对瓦斯涌出量为13.32 m3/min。11＃、12＃煤层合并层上部无采空区,绝对瓦斯涌出量为8.55 m3/min,14＃煤层绝对瓦斯涌出量为4.77 m3/min。通过对14＃煤层81006工作面上覆层采空区内气体进行取样分析,瓦斯浓度在17.8%～30.4%,瓦斯总积存量约为207925 m3,因此判断14＃煤层瓦斯主要来源于11＃和12＃煤层。

11＃、12＃煤层合并层与14＃煤层自燃倾向性等级为Ⅰ级,自燃倾向性为容易自燃;11＃、12＃煤层合并层和14＃煤层最短自然发火期分别为38 d和32 d。内因火灾发火隐患主要有:

(1)采空区内遗煤充足,按100 m内遗煤积存量计算,11＃、12＃煤层合并层采空区内约有2.3万t遗煤,14＃煤层采空区内约有0.03万t遗煤;

(2)漏风通道通畅,由于煤层间距近,随着14＃煤层的开采,两层采空区必然塌通形成漏风通道,特别是由14＃煤层对上覆采空区抽放瓦斯,在上、下层采空区塌通后,更是形成了由14＃煤层采空区→11＃、12＃煤层合并层采空区→抽放管路的漏风通道;

(3)过断层时回采周期变长,在断层区煤层局部变薄,为0.1～1.5 m,长度约70 m,开采困难、时间变长,不利于防火。

综上所述,410盘区存在瓦斯与内因火灾复合型灾害隐患,为防止410盘区开拓开采期间发生瓦斯和内因火灾事故,需积极采取措施进行防治。

3 以抽为主的瓦斯治理措施

通过以上分析,14＃煤层410盘区开采过程中,危及综采工作面安全生产的瓦斯主要来源于近距离上覆采空区,所以针对瓦斯的来源,采取对上覆邻近层内的瓦斯进行抽放。主要采取采前巷道封闭抽放和生产时穿层钻孔采空区抽放两种抽放方法。

3.1 采前巷道封闭抽放

81006工作面进、回风巷掘进到位后在巷内铺设抽放管路,然后将其封闭,对上层采空区内裂隙渗透、扩散的瓦斯进行抽放,直到回采时为止。工作面回采前6个月采用该方法抽放,抽放浓度1.9%,流量80 m3/min。该方法经济效益显著、抽放效果明显,大大降低了上覆采空区内瓦斯对下部综采工作面生产的威胁。巷道封闭抽放如图1所示。

图1 巷道封闭抽放示意图

3.2 上覆采空区钻孔抽放

81006工作面回采期间对上覆层超前短抽。工作面准备开始回采前,在回风巷内每隔200 m布置一组钻场,施工12～15个穿层高位抽放孔,超前对本工作面上覆采空区内的瓦斯预抽,以减少上层采空区内瓦斯赋存量,降低两层塌通后上层采空区下泄的瓦斯浓度。在81006回风巷距工作面切巷200 m、400 m、600 m、800 m处施工穿层钻孔抽放上部11＃、12＃煤层合并层采空区瓦斯,每个钻场施工钻孔数量12个,钻孔倾角20°,孔径108 mm,钻孔长度30 m。4个钻场分时间段抽放,抽放流量60 m3/min,抽放瓦斯浓度2.5%左右。抽放管理简单,联网抽放管路定期可进行回收、经济效益显著,近距离穿层钻孔成孔率高,大大降低了81006工作面回采期间上隅角瓦斯的浓度,使上隅角瓦斯浓度保持在0.8%以下。穿层钻孔抽放如图2所示。

图2 穿层钻孔抽放示意图

4 注－堵一体化火灾防治技术

由于11＃、12＃煤层合并层的工作面为综放开采,采空区遗煤相对较多,又由于对上层采空区进行瓦斯抽放,在抽放条件下增加了采空区的漏风量,也加剧了采空区煤炭自燃的危险性。针对上述原因,为了有效防治采空区煤炭自燃,提出了注－堵一体化的综合防灭火技术。

4.1 回采期间采空区注氮

回采81006工作面时,在相邻工作面回风巷51008巷内铺设注氮管路,由51008巷向11＃、12＃煤层合并层21006巷(采空区)打注氮孔,利用矿井注氮系统对81006工作面采空区注氮。钻孔直径为108 mm,首孔布置在81006切巷0 m,之后,每隔100 m布置1个钻场,每个钻场施工3个钻孔,81006工作面采过75 m时开始注氮。一方面利用氮气抑制煤层的自燃;另一方面利用氮气降低采空区瓦斯浓度,还可以保持81006工作面采空区内的气体压力,防止11＃、12＃煤层合并层采空区瓦斯涌出。注氮钻孔如图3所示。

图3 注氮钻孔及注浆管路布置示意图

4.2 采空区密闭灌浆

由于极近距离煤层开采时漏风通道增加,瓦斯抽放过程中漏风量加大,因此,为有效防治回采工作面采空区煤炭自燃,须采取注浆堵漏。本次主要采用黄泥灌浆技术,将水和粘土、粉煤灰制成泥浆,利用动压,经相邻81004工作面进、回风巷密闭上留设的灌浆孔输送至81004采空区,以阻止采空区煤体氧化。同时减少本煤层相邻采空区的漏风。注浆管路布置如图3所示。

5 治理效果分析

通过近距离煤层开采瓦斯与内因火灾防治技术在81006工作面的应用,回采期间,一方面利用对上覆11＃、12＃煤层合并层采空区内瓦斯超前短抽,同时结合对工作面上覆采空区注氮、相邻采空区注浆堵漏的方式,使81006工作面上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下、CO浓度在0.001%左右,保障了矿井的安全生产;另一方面该技术对上覆11＃、12＃煤层合并层采空区遗煤的防灭火工作起到积极的作用,上覆采空区内CO浓度保持在0.005%以下且保持稳定,氧气浓度保持在3%～7%左右。81006工作面正常生产期间(2014年10月1日—12月31日)上隅角CO浓度、瓦斯浓度、上覆采空区CO浓度变化趋势如图4所示。

6 结论

煤峪口矿通过巷道封闭抽放、回风巷穿层高位钻孔抽放的瓦斯治理措施,结合采空区注氮、黄泥灌浆堵裂的防灭火措施,形成了近距离煤层开采瓦斯与内因火灾防治一体化技术。该方法在煤峪口14＃煤层81006工作面成功应用,使81006工作面生产期间上隅角瓦斯浓度始终保持在0.8%以下、CO浓度在0.001%左右,上覆采空区内CO浓度保持在0.005%以下且保持稳定,氧气浓度保持在3%～7%左右。保障了矿井的安全生产。为治理矿井瓦斯和内因火灾复合灾害提供了经验,为大同井田其他矿井或类似条件矿区的瓦斯治理与火灾防治复合灾害的综合治理提供了有益的借鉴,具有广泛的推广应用前景。

图4 81006工作面上隅角、上覆采空区CH4浓度和CO浓度变化趋势

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(责任编辑 张艳华)

Study on the prevention and control technology of gas and coal spontaneous combustion of mining the close distance coal seams and its application

Wang Haiqing,Pang Yeqing
(Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.,Datong,Shanxi 037003,China)

With 81006 fully mechanized working face of 410 panel of 14＃coal seam of Meiyukou coal mine in Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.as an example,the prevention and control technology of gas and coal spontaneous for close distance coal seam during mining period was discussed,and then,the threat of the compound type disaster of coal spontaneous combustion and gas explosion was analyzed.By taking the gas control measures of roadway closed drainage and layer-through drilling drainage and the integrated coal spontaneous combustion prevention and control technology of goaf nitrogen injection and grouting by the nearby working face, the gas concentration of return corner of 81006 working face always keeps in below 0.8%and the concentration of carbon monoxide is about 0.001%during normal production,the concentration of carbon monoxide in the overlying goaf remains below the 0.005%and the oxygen concentration maintains at around 3%to 7%.

close distance coal seams,gas,coal spontaneous combustion,compound type disaster,disaster prevention and control technology

TD712.6 TD752.2

A

王海清(1969－),男,山西怀仁人,高级工程师,现任大同煤矿集团公司通风处副主任工程师,从事煤矿通风安全管理工作。