浅埋深上覆采空区封闭工作面火区治理技术

陈 辉

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆市沙坪坝区，400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆沙坪坝区，400037)

★ 煤矿安全 ★

浅埋深上覆采空区封闭工作面火区治理技术

陈 辉1,2

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司, 重庆市沙坪坝区，400037；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆沙坪坝区，400037)

阐述了1W301工作面CO异常情况，分析了工作面CO异常产生的原因。在地面利用测氡法探测采空区高温区域，在井下采用钻探法通过测温和气样标志气体分析判断高温区域。设计采用堵漏风、注浆(胶)、注氮、注液态CO2等综合防灭火措施对不同位置的高温区域进行火区治理，为制定封闭火区治理方案提供了一种新思路。

浅埋深煤层 采空区 火区探测 高温区域 火区治理

浅埋深煤层由于埋藏较浅，上部采空区受地应力影响往往在地表形成较大裂隙，风流通过地表裂隙向上部采空区漏风严重。由于下部煤层与上部采空区层间距较小(B3与B4层间距为5.11 m)，在下煤层工作面回采过程中易与上部采空区贯通，进而与地表裂隙贯通，工作面漏风严重。如果回采工作面CO浓度出现异常，CO异常区域位置的判定比较困难，治理异常区域也应根据不同位置选择不同的治理措施。本文通过地面和井下钻探的方法综合判断CO异常区域位置，并根据具体位置制定有针对性的治理措施。

1 矿井概况

呼图壁县石梯子西沟煤矿为90万t/a的改扩建瓦斯矿井。该矿井采用平硐开拓方式。矿井通风方式为中央并列式，通风方法为机械抽出式。矿井现为一水平上下山开采，水平标高为+1560 m，目前一水平分为东西两翼采区开采，最低开采标高为+1400 m。矿井西翼布置一个回采工作面1W301，该工作面上部1W401综采面已于2015年回采完毕。1W401工作面开采B4煤层，B4煤层厚度为2.15～6.26 m，平均厚度为5.33 m，该工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，垮落法管理顶板。该工作面倾斜长度为200 m，走向长度为1360 m。1W301工作面开采B3煤层，B3煤层为不粘煤，煤层厚度为4.05～6.65 m，平均厚度为4.81 m，煤层倾角为10°～15°。顶板厚度为2.58～7.81 m，平均厚度为5.11 m。该工作面采用走向长壁综合机械化一次采全高采煤法，垮落法管理顶板。该工作面倾斜长度为217 m，走向长度为1434 m，可采长度为1370 m，采高4.5 m，倾角13°。截至2016年8月16日，1W301工作面共回采长度640 m，剩余可采长度为730 m。

2 CO异常情况及原因分析

1W301综采工作面于2016年8月16日停产，至2017年2月26日该工作面停采时间已超过6个月。该工作面所采的B3煤层属自燃煤层，自然发火期为3～6个月，在停产期间该工作面主要采取注氮等预防遗煤自燃的措施，实际注氮量为1200 m3/h，注氮管路沿运输巷道铺设，注氮管出口位于支架后30 m。

2017年2月26日之前，1W301工作面气体检测一切正常，未检测出CO气体，瓦斯检测数据在正常范围内，未出现忽高忽低等现象。2月26日凌晨1点30分瓦检员发现1W301工作面CO浓度异常，后对回风巷口、工作面下端头、工作面10#支架、20#支架、50#支架等位置进行CO检测，发现回风巷CO浓度为0.001%，50#支架CO浓度为0.05%。26日下午再次下井取样，此次取样测得50#支架CO浓度为0.05%、71#～72#支架CO浓度高达0.11%，回风巷CO监控探头显示有升高趋势，由0.0057%逐渐攀升至0.0102%，随后立即对1W301综采工作面上下巷道进行密闭。

通过分析，CO浓度异常发生的主要原因有：

(1)B3、B4煤层本身具有较强的自燃倾向性，1W401采空区和1W301采空区内留有大量的遗煤。1W401工作面所采的B4煤层厚度为2.15～6.26 m，平均厚度为5.33 m，采煤机最大采高为5.3 m，在煤层超过5.3 m时，该工作沿顶板推进，超过采高的部分当作底部遗煤留在采空区内。1W301工作面因顶板容易冒落，在回采过程中留有0.6～0.8 m的顶煤，给煤自燃提供了充足的物质基础。

(2)1W301工作面自2016年8月16日停采，至2017年2月26日发生遗煤自燃时已停采6个多月，超过了B3煤层的自然发火期。

(3)在工作回采过程中，地表裂隙发育充分，地表漏风严重。随着年后气温的上升，对应地表积雪已开始融化，漏风风阻减小，漏风量增大，为遗煤自燃提供充足的供氧条件。

(4)停产时间长(6个多月)，未及时封闭1W301工作面。

(5)束管监测系统使用不正常，未能对1W301工作面氧化情况进行预测。

(6)工作面顶板突然来压，导致集聚的CO气体突然压出。

(7)地表漏风严重，制氮机产生的氮气在采空区短暂停留后随风流流出，未起到很好的防火目的。

3 综合法探测采空区火源点

3.1 测氡法探测采空区高温区域

本次测氡采用性能可靠、应用广泛的RAD7专业电子测氡仪。根据矿方提供的采掘工程平面图及相关资料，将1W301工作面、1W401工作面采空区全部划入探测范围，西部以井田保安煤柱为界，东部以停采线向东延伸50 m为界，北部以1W301运输巷道向北延伸50 m为界，南部以1W301回风巷道向南延伸50 m为界，探测区域总面积约为42.8万m2。

在测氡区域内沿地表等高线每隔50 m设置一排采样点,垂直等高线方向每隔50 m设置一个采样点。根据现场情况，利用GPS定位仪在地面进行定位，考虑到探测范围大小，确定采样布点的步距为50 m，对布置在悬崖处的测点进行适当偏移，测点布置如图1所示，图中A、B、C、D代表探测区域的4个边界点，纵横交点(如2-1)代表测点。

通过在地表对采空区进行测氡分析，确定了疑似高温区域所在位置。结果表明，采空区存在疑似高温区域，在探测区域内疑似高温区域共有2处，主要分布在1W301工作面停采位置的上隅角附近和采空区深部，如图2所示。

图1 测点布置图

图2 1W301工作面疑似高温区域分布图

3.2 井下探测钻孔布置

根据测氡探测结果，选择合适的井下位置施工钻孔，通过监测钻孔内气温和指标气体浓度对矿井采空区氡值异常区域进行进一步的确认，排查和圈定高温异常区域范围，为以后火区治理工作提供指导。

因1W301工作面密闭布置在距工作面700 m，工作面运输巷和回风巷内均无法施工通向工作面的探测钻孔，只有距工作面运输巷较近的泄水巷具备钻孔施工条件。

在泄水巷布置9个观测钻孔(后期作为措施孔)探测着火点位置，在1W301工作面下隅角、距工作面支架后尾梁向采空区深部方向20 m、40 m、60 m以及顶部1W401对应位置分别布置1个探测钻孔，在泄水巷相应位置向工作面中部支架处施工1个钻孔。泄水巷内探测钻孔参数见表1。

表1 探测钻孔参数表

在火区治理之前，为了在火区治理的现场具备钻孔施工条件，先施工一条平行于1W301运输巷的灭火措施巷(内错30 m)和一条平行于工作面的消火道(内错30 m)。在施工完灭火措施巷和消火道后，在消火道终端，向1W301回风巷道侧施工探测钻孔，钻孔终孔位置位于回风隅角支架顶部，分别对1W301工作面支架顶煤和1W401工作面遗煤进行探测。另外布置一个钻孔终孔位置在工作面上隅角，作为上隅角取气钻孔和火区治理效果的观测孔。在工作面倾斜方向，在消火道内的50#、71#支架上部及1W401采空区对应位置分别布置1个探测钻孔，根据气体分析和温度分析，确定工作面高温区域位置。

4 火区治理技术研究

4.1 堵漏风

针对1W301工作面对应的地表裂隙，采用不燃性充填物充填、表面黄土覆盖等方式进行填埋。填埋后定期派人对地表裂隙进行巡查，发现裂隙，立即填埋。在采空区周围及裂隙充填附近设置警戒线和警戒标志，防止人员和动物误入。

对泄水巷泄压钻孔段670～840 m区段(约170 m)及其他存在漏风段采取喷浆的方法进行堵漏风，喷浆厚度为100 mm。在喷浆前先用聚氨酯材料对泄压钻孔孔口进行封堵，封堵长度为5～8 m。根据矿压情况，安排专人定期检查喷浆段喷浆情况，发现裂隙立即封堵，裂隙较多时进行复喷。在裂隙较大或喷浆段产生较大范围的喷浆层脱落时，采用打钻注水泥浆的方法，利用注浆锚杆进行注浆加固。

工作面上、下隅角堵漏风选用堵漏风专用的矿用高分子安全材料。该材料由A、B两种组分反应而成，通过配套的气动注浆泵注入到煤岩层裂隙或空洞，现场反应发泡固化。在泄水巷向采空区后10 m范围内布置两排钻孔，分别距工作面支架后尾梁3 m和7 m，钻孔终孔位置距1W301运输巷道外帮5 m，在高度方向上分别距1W301底板5 m、10 m、15 m、20 m、25 m(两排钻孔，每排5个钻孔)。在消火道施工完成后，在消火道内下端头施工两排封堵钻孔，钻孔距运输巷道外帮7 m和8 m，钻孔终孔分别距后尾梁3 m和7 m，在高度方向上分别距1W301底板5 m、10m、15 m、20 m、25 m。上隅角钻孔位置选择在消火道靠近回风巷顶端位置，在消火道内分别布置4排钻孔，分别距巷道外帮3 m、5 m、7 m和8 m，钻孔终孔位置距后尾梁3 m和7 m，在高度方向上分别距1W301底板6 m、10 m、15 m、20 m、25 m。

4.2 注氮

矿方配有1套QTD碳分子筛地面固定式制氮机组，制氮量为1500 m3/h；输氮压力为0.65 MPa；氮气纯度≥97%；从地面制氮站至井下运输大巷注氮主管选用ø219 mm×8 mm无缝钢管，干管选用ø108 mm×4 mm无缝钢管。注氮主管沿副平硐井筒敷设，注氮管路采用套管焊接方式连接，其中闸阀、管座等管件处采用法兰连接。在发生CO异常情况后，1W301采空区内的注氮管路24 h注氮，降低采空区内氧气浓度，抑制采空区遗煤继续氧化，注氮管路出口在进风侧采空区内30 m位置。

考虑到在发生CO异常情况后只采用制氮机对1W301采空区注氮防火效果不明显，矿方加大了1W301采空区惰性气体(如液氮、液态CO2)的注入量，采用了液氮，在地面进行汽化，再通过新铺设注氮管路向密闭墙内或通过在泄水巷施工钻孔向1W301采空区注入氮气，抑制了采空区遗煤自燃，降低了密闭区域氧气浓度含量，减小采空区发生爆炸的可能性。

4.3 注液态CO2

如果1W401采空区或1W301采空区深部(25 m后)的遗煤发生自燃，采用注液态CO2对遗煤自燃进行控制，加快对采空区浮煤自燃的灭火进度，缩短灭火时间，降低采空区内环境温度，降低启封后浮煤复燃的危险性。

液态CO2防灭火关键技术主要包括注入工艺选取、注入位置选择以及注入量的确定，因此从这3个方面研究确定适合1W301工作面的液态CO2防灭火参数。

4.3.1 注入工艺

用于防灭火的液态CO2一般来源于化工厂回收的副产品。在需要时，可通过特制的运送槽车将液态CO2运至井口，再由煤矿利用小型槽车送到工作面附近的注液态CO2钻孔。

4.3.2 注入位置

(1)泄水巷钻孔。在泄水巷内距1W301工作面临时停采位置采空区侧15 m、50 m、70 m对应位置向1W301采空区和1W401采空区分别施工3个注液态CO2钻孔，用于液态CO2灌注。

(2)消火道灭火钻孔。在消火道沿工作面倾斜方向施工灌注CO2钻孔，钻孔分别位于工作面靠近回风巷侧、中部位置和靠近进风巷侧，每个位置分别各施工2个钻孔，一共施工6个钻孔。钻孔终孔位置分别位于采空区内20 m，施工采用钻套一体的钻机，一次性钻杆。

4.3.3 注入量计算

在治理封闭空间火区时，由于封闭的空间体积一般比较大，且氧含量高，所以灭火初始注入CO2的量要相对较大，此处只考虑按要求已经对1W301工作面封闭的体积。

V=V1+V2+V3

(1)

式中：V——封闭火区的总体积，m3；

V1——工作面封闭体积，取7812 m3；

V2——巷道封闭体积，取27000 m3；

V3——采空区封闭空间体积，取191394 m3。

将1W301工作面相关参数代入式(1)得V=226206 m3。

治理封闭空间火区CO2用量关系式为：

(2)

式中：Qc——火区灭火初始注入CO2量， m3/h；

t——注入CO2的时间，取30 h；

K——CO2防火用量的备用系数，取1.2～1.5；

c1——注CO2前火区内平均氧浓度，取10%～18%，平均为14%；

c2——氧化带惰化防火临界氧浓度，取8%。

Q0——火区漏风量，取5 m3/min；

c0——火区周边巷道空气中的氧浓度，一般取16%。

将相关参数代入式(2)得1W301工作面需要的液态CO2的总体积为217085 m3，即需注入的液态CO2质量为340 t。

4.4 注浆(胶)

本次火区治理选用黄土作为注浆材料，为了增加灭火效果，在注浆过程中应确保水土比为2∶1～1∶1并适量添加胶体等防灭火材料。黄泥浆添加胶体材料具有堵漏风、降温作用，而且能够延缓黄泥浆的沉淀和脱水，增大浆液有效扩散半径，同时能够加强黄泥浆的保水保湿效果。

在1W301工作面上下端头30 m范围内分别布置10个钻孔，各钻孔终孔之间的距离为3 m，对容易发火的上下端头30 m范围内顶煤进行注浆。在工作面中部按照终孔之间的距离为5～8 m(初步确定为6 m)的距离布置钻孔，对工作面支架顶部遗煤及采空区15 m范围内的遗煤进行控制，形成宽度15 m的隔离带。1W301工作面注浆钻孔布置如图3所示。

图3 1W301工作面注浆钻孔布置平面图

按照在支架顶部和采空区15 m范围内形成一个隔离带进行注浆量计算，1W301采空区和1W401采空区15 m范围内，工作面倾斜长度217 m，1W301工作面采高4.5 m，1W401工作面采高5.3 m，冒落带高度为采煤高度的3倍，需注浆采空区体积95697 m3，根据《注浆防灭火技术规范》结合石梯子西沟煤矿采用综采采煤法的实际情况，灭火灌浆系数取3%，水土比取2∶1，灌浆量为8612 m3，取灌浆系数为1.1，实际灌浆量为9474 m3，设计注浆量取9500 m3。

考虑对工作面上下端头30 m范围内的遗煤容易自燃，在对该范围内的黄泥灌浆时加入胶体材料，该范围内的灌浆量约为2600 m3，按照添加比例1%，需要胶体剂26 t。

5 结论

(1)阐述了1W301工作面CO异常情况，分析了工作面CO异常产生的原因。

(2)分别从地面和井下采用综合方法对采空区高温区域进行探测。地面利用测氡法探测采空区高温区域，在井下采用钻探法通过测温和气样标志气体分析判断高温区域。

(3)设计采用堵漏风、注浆(胶)、注氮、注液态CO2等综合防灭火措施对不同位置的高温区域进行火区治理，并计算出各自需要的参数及用量。

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(责任编辑 张艳华)

Treatmenttechnologyofsealedworkfacefireareaatshallowburiedoverlyinggob

Chen Hui1，2

(1. China Coal Technology Engineering Group Chongqing Research Institute, Shapingba, Chongqing 400037, China;2. State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling,Shapingba, Chongqing 400037, China)

CO abnormal situation of 1W301 work face was stated, the cause of CO generation at work face was analyzed. Specifically using radon surveying technique on ground and using drilling detection underground to measure temperature and gas sample. Air leakage blocking, grouting, nitrogen injection, liquid CO2and other comprehensive fire prevention measurements were designed to control fire area at different positions and provided a path to sealed fire area treatment scheme.

shallow buried coal seam, gob, fire area detection, high temperature area, fire area treatment

陈辉. 浅埋深上覆采空区封闭工作面火区治理技术[J].中国煤炭，2017,43(8)：148-152，167. Chen Hui. Treatment technology of sealed work face fire area at shallow buried overlying gob [J]. China Coal, 2017，43(8):148-152，167.

TD75

A

陈辉(1983-),男，山东冠县人，助理研究员，硕士研究生，2010年毕业于中国矿业大学，主要从事煤矿防灭火科研工作。