基于示踪气体的“U”型通风工作面煤自燃治理技术

孙留涛 赵乾坤

(1.中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市，221116；2.中国矿业大学管理学院，江苏省徐州市，221116)

对于高瓦斯突出矿井，在区域消突过程中，通过布置底抽巷并利用上向穿层钻孔进行卸压消突是保证上分层突出工作面两巷安全掘进的主要措施。而穿层钻孔导致上分层工作面的采空区与底抽巷贯通，形成漏风通道，影响了采空区煤自燃“三带”的分布，同时提高了上分层采空区煤自燃概率，使煤自燃防治复杂化。本文基于对建南煤矿B102工作面采空区漏风规律的研究，确定了采空区煤自燃危险区域，指导了煤自燃的防治。

1 工作面概况及漏风情况初步分析

1.1 工作面概况

B102工作面为长壁开采工作面，采用U型通风方式，进风量为900 m3/min。煤的最短自然发火期为43 d，目前，工作面已经推进260 m。由于开采煤层为高瓦斯突出煤层，采掘巷道前，在开采煤层下40 m左右布置底抽巷，并在底抽巷内布置钻场，钻场内的钻孔采用扇形上向穿层形式进行预抽消突。工作面底抽巷巷道布置及通风系统如图1所示。

图1 工作面底抽巷巷道布置及通风系统平面图

目前B102工作采用Y型通风，进风巷、底抽巷进风，汇合后出风巷出风。现场发现，底抽巷片帮严重，且出现大面积顶板垮落，初步判断漏风通道较发育。B102工作面基本顶和老顶为砂岩，岩性较硬，顶板垮落困难，使顶板未垮落区域形成漏风通道。根据气体监测监控系统分析，架后100～200 m以内，O2、CO等浓度始终在19%和0.001%附近波动，说明采空区始终处于供氧状态，同时遗煤部分氧化，但热量尚未积聚，据此分析，采空区整体处于热平衡状态。受采动的影响，该热平衡状态极易被打破，从而引发煤自燃，由于该工作面属于高瓦斯工作面，进而存在瓦斯爆炸等次生灾害。

1.2 漏风情况分析

为了消突，沿底抽巷布置了高位钻孔、上向穿层钻孔等，导致工作面与底抽巷间煤体破碎严重，形成大量的漏风通道，同时标志性气体浓度也表明采空区气体分布异常，据此推断：

(1)底抽巷向采空区漏风，遗煤氧化，热量未积聚，遗煤处于热平衡状态，遗煤未发生急剧氧化，采空区处于连续供氧状态。

(2)工作面进风巷为重要漏风源。工作面基本顶和老顶为硬质砂岩，回采后顶板垮落困难，尤其是两巷顶板难以垮落，顶板垮落效果直接影响采空区压实程度，顶板未垮落区域可能形成漏风通道。

2 漏风通道分析与判别

2.1 方案的确定

结合漏风初步分析，采用多点定量释放法进行漏风通道测试。测点分布如图2所示，共有A(下隅角)、B、C、D(底抽巷)4个释放点。利用束管采样系统布置1、2、3和4共4个采样点。释放时间为30 min，释放量为30 ml/s，初次取样间隔30 min，后续每15 min取一次样。

图2 测点分布示意图

2.2 数据分析

底抽巷释放及气体浓度检测结果如图3所示。

图3 底抽巷释放及气体浓度检测结果

由图3可知，底抽巷3个释放点均检测到了示踪气体，说明底抽巷风流从裂隙中进入了上分层的采空区。其中B释放点检测到的气体浓度较低，C和D两点气体浓度较高。结合底抽巷风量分布，B所处巷道风流为300 m3左右，巷道较为完整，且距取样点较远；C、D所处巷道风量近1000 m3，且巷道破碎严重，说明试验结果与实际情况相符。取样点1、2和3(均在密闭墙附近区域)的气体浓度均高于4号取样点，说明密闭墙是底抽巷的主要漏风汇，上隅角是底抽巷的次要漏风汇。

测试结果表明2号测点检测到的SF6气体浓度一直处于较高水平。为了进一步确定内、外部漏风的主次关系，在工作面下隅角A处释放气体，分别在2、4号测点进行检测，结果如图4所示。结果表明，4号点气体浓度明显高于2号点气体浓度，说明内部漏风是该工作面的主要防治重点，同时，也应加强外部漏风源的防治。

2.3 “三带”及危险源判别

根据漏风测试分析可知，采空区与底抽巷风流形成贯通，不仅存在内部漏风，外部漏风也影响着“三带”分布，根据“三带”划分原理，该工作面具有其特殊性。结合“O”型圈垮落规律，靠近工作面的冒落岩石压实程度低，而在工作面与初始切眼的中部，冒落岩石压实程度最高，因此与传统“三带”相比，该采空区“三带”氧气浓度成环状分布，即由外围向内氧气浓度逐渐降低。按照氧气浓度及漏风通道测试分析，“三带”分布如图5所示，防治重点在氧化带。

图4 工作面SF6浓度测试分布

图5 采空区“三带”分布示意图

3 煤自燃危险区域防治

目前该工作面CO浓度依然保持在10%左右，氧气浓度稍微有所降低，约为17%。因此，预防煤自燃的发生根本在于减少漏风，如图6所示。结合现场情况，制定如下方案。

3.1 上下隅角封堵

根据漏风通道测试结果可知，工作面是主要漏风源，为了降低煤自燃概率，在上下隅角进行封堵，降低工作面两端压力，减少内部漏风，如图6所示。经测试，在进风巷风量维持在1200 m3/min不变的情况下，封堵前后，回风巷风量由900 m3/min增加至1150 m3/min，漏风量明显降低。

3.2 灌注防灭火材料

根据煤自燃危险区域划分可知，该工作面的防治重点位于环形氧化带内。为实现泡沫凝胶覆盖整个采空区遗煤，通过上隅角架后30 m和50 m预埋的灌浆管路向采空区注入泡沫凝胶，如图7所示。束管取样分析，CO浓度有所降低，稳定在5%左右。

图6 工作面上下隅角封堵示意图

图7 采空区注浆示意图

4 结论

(1)在有底抽巷存在的工作面，受采动影响，上下分层裂隙贯通，底抽巷风流通过层间裂隙进入上分层采空区，导致采空区遗煤氧化。受漏风量的影响，遗煤产热和散热处于热平衡状态，一旦该平衡被打破，则易引发煤自燃灾害。

(2)SF6示踪气体试验表明，整个采空区均处于漏风流中，根据采空区漏风特征，结合顶板垮落情况，确定了采空区“三带”的范围，并对煤自燃危险区域进行判别，通过上下隅角封堵、遗煤区域覆盖、控风等综合措施，CO浓度下降，煤自燃威胁降低，对指导火灾防治有重要意义。

参考文献：

[1] 胡千庭,赵旭生.中国煤与瓦斯突出事故现状及其预防的对策建议[J].矿业安全与环保,2012(5)

[2] 陈庆亚.埋管抽采条件下采空区“三带”分布规律研究[D].华北理工大学,2015

[3] 张学博,程红军.SF6示踪气体测定漏风技术若干问题探讨与应用[J].煤矿现代化,2014(6)

[4] 余明高,李龙飞,褚廷湘等.瓦斯抽采下沿空留巷采空区自燃危险区域判定[J].河南理工大学学报(自然科学版),2015(3)

[5] 张学博,靳晓敏.“U+L”型通风综采工作面采空区漏风特性研究[J].安全与环境学报,2015(4)

[6] 任晓鹏. SF6示踪气体在矿井近距离煤层漏风检测中的应用[J].煤炭技术,2013(6)

[7] 邵辉,李西才,代广龙等.SF6示踪气体在煤矿漏风检测中的应用[J].煤炭工程,1990(6)

[8] 马成军,白利文,申立华.采空区自燃“三带”分布规律及影响因素分析[J].华北科技学院学报,2008(1)

[9] 杨永良,李增华,陈奇伟等.利用顶板冒落规律研究采空区自燃“三带”分布[J].采矿与安全工程学报,2010(2)

[10] 常坦祥. Y型通风工作面采空区防灭火技术研究[D].安徽建筑大学,2015