高瓦斯综采工作面煤层自燃应急封闭技术

王 东，尚少勇

(1.中煤昔阳能源有限责任公司，山西 晋中 045300；2.榆林神华能源有限责任公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

高瓦斯煤矿工作面煤层自燃严重威胁着矿井的安全生产，由此导致的资源损失及生产设备破坏不容小视。此外，在煤火治理与封闭作业过程中极易引发瓦斯爆炸等次生灾害，危及井下作业人员的生命安全。从目前的封闭技术来看，构筑密闭、水封巷道、水淹工作面等技术在国内外得到了广泛应用，地面定向钻孔灌注材料封堵技术也已有成功应用，实践证明是可行的封闭技术[1-6]。因此，如何在矿井个体条件下，将现有众多封闭技术相结合，从而达到安全、快速封闭，保证作业安全和封闭有效，是煤层防灭火工作实践中无法回避的课题。

1 工作面概况

位于沁水煤田中东部的某煤矿，立井开拓，主采15#煤层，煤种为无烟煤。瓦斯等级为高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量73.79 m3/min，相对瓦斯涌出量26.04 m3/min，矿井瓦斯抽采率约80%，矿井建有JSG-7束管监测系统、KJ90NB安全监控系统、地面黄泥灌浆系统、地面静压水消防系统、地面固定瓦斯抽采系统和井下移动瓦斯抽采系统等。

15116综采工作面，走向长壁生产工作面，东部为未开采区，与西部采空区间隔8 m煤柱，布置有胶带运输顺槽(以下简称“胶顺”)、轨道运输顺槽(以下简称“轨顺”)、走向高位瓦斯抽采巷3条巷道，如图1所示；煤层厚度5.14 m，采用一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板，后退式回采，走向可采长度1 600 m，倾斜长度200 m，剩余走向可采长度708 m；“U”型通风，胶顺进风，轨顺回风，上行通风，配风量1 877 m3/min，工作面绝对瓦斯涌出量48.11 m3/min，风排瓦斯涌出量5.45 m3/min，邻近层瓦斯涌出量占比80%。自初采开始，为降低因工作面发育有数条走向断层对生产组织的影响，通过对前方顶板和上部煤体预注“波雷因”围岩加固材料进行加固。但“波雷因”反应生热可达126 ℃，因而随之展开火灾防治工作，按照生产计划准备停采收作。

图1 地面钻孔布置平面图

2 工作面煤自燃与封闭

2.1 自燃过程

2017年2月，15116工作面进入末采后，中后部发育有FD14-3和FY16-19分别走向正断层(∠45°～70°，H=4.0 m)及逆断层(∠30°～70°，H=4.5 m)，如图2所示。断层影响范围内片帮漏顶严重，

图2 断层沿工作面走向分布图

月推进度仅有数米，断层带丢全厚顶煤，工作面出现CO异常升高等自然发火征兆。针对井下实际情况，工作面于3月份停止推进，期间采取了堵漏风、钻孔注水和注高分子材料、地面灌注黄泥浆等一系列防灭火措施，但未能彻底消除发火隐患。4月10日，回风隅角CO迅速升至24 ppm以上，断层带附近出现烟雾，随之，83#和84#支架尾梁间出现明火，直接灭火无果后井下全面撤人，决定封闭危险区。

2.2 自燃原因分析

煤自燃是多种因素共同作用下煤自身氧化的结果，其自燃须具备下列条件：煤具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积；适量的通风供氧；较好的蓄热条件，以上3个条件共同作用时间大于本煤层的自然发火期则出现自燃。具体表现在采空区合适的漏风速率与氧浓度的供给量，漏风速率的大小直接影响煤炭的供氧与蓄热条件，而氧浓度大小决定煤层的氧化自燃能力[7]。由此，要达到煤炭防火目的，必须以该3个影响因素为切入点着手。

断层影响：15116工作面受断层影响，长期沿走向丢顶煤，支架上方松散煤体和采空区浮煤厚度远大于采空区浮煤自燃极限值，构成自燃的可燃因素要件，且松散煤体位于采空区冒落岩石上侧，极易形成“炉熚”效应，导致浮煤氧化自燃。

微风环境：支架上方松散煤体的原生裂隙和采动裂隙形成微风环境，且推进度低于发生自燃的极限推进度，综合看，满足自燃所需的漏风供氧、环境蓄热、稳定周期条件。

加固材料反应：对前方上部煤体预注有机加固材料，反应生热可直接将其带入煤氧加速复合作用的干裂阶段，显著缩短遗煤自燃进程，且加固材料一定程度上将煤体分隔和包裹，不利于散热，打钻压注防灭火材料类的常规措施难以广泛介入。

2.3 封闭分析

煤体进入自燃期后呈加速状态，工作面封闭期间事故高发，在保证封闭作业人员安全的基础上，快速和有效地将发火工作面隔绝开来，防止险情升级和扩大，是封闭的主要任务。

作业风险：封闭该危险区的作业风险程度高，容易发生瓦斯爆炸等次生灾害，人工井下构筑密闭的传统做法耗时长，作业人员的生命安全难以保障。鉴于地面定位钻孔技术成熟，地面封堵可最大程度上保障作业人员安全，防止危险升级和扩大。钻孔和封堵的设计、施工、评估可按照有关工程技术和安全原则，并结合实际条件进行。

综合施策：地面封堵两顺槽可首先形成抗冲击的防爆墙，控制危险区能量快速转移，但难以满足隔绝和治理所需的密闭要求，需要利用现场条件，通过人员井下水封巷道、构筑防火墙、均压等，密闭危险区域。

瓦斯抽采调控：封闭作业全程需要对工作面的瓦斯抽采系统进行动态调控，防止瓦斯积聚和控制漏风量。

2.4 封闭思路

考虑到矿井实际情况和确保封闭作业安全，依据自燃原因分析以及封闭作业分析，封闭15116的思路确定为“地面封堵+井下密闭”。

3 工作面应急封闭防灭火

3.1 地面封堵

在对工作面降风和控制抽采量的基础上，由地面向两顺槽同时施工定位钻孔和灌注混凝土进行封堵。该措施能够形成抗冲击的防爆墙，从而实现缩封，控制可能发生的瓦斯爆炸等次生灾害及其对其他区域的冲击，进而为探查和密封等下井作业创造条件。

封堵位置：根据两顺槽巷道剖面图，综合地面勘察结果及钻孔设计要求，选取巷道低洼段或平缓段作为灌浆点，既轨顺侧距离工作面592.5 m处和胶顺侧距工作面551.1 m处；经井上下对照测量，确定井下精准封堵位置。

封堵设备：选用美国雪姆公司T685WS和T130XD车载钻机各1台，主要采用空气泡沫作循环介质，潜孔锤冲击钻进工艺，两钻孔一开孔段孔径φ311.15 mm，松散地层下φ273 mm×8 mm护壁钢管；二开孔段孔径φ215.9 mm，直接贯通顺槽，裸眼；钻孔地面坐标在巷宽中点，要求孔底位移不大于2 m，轨顺钻孔先行贯通，钻孔贯通后使用木塞封堵；胶顺完孔孔深324.1 m，轨顺孔深311.5 m，两钻孔均为进风，风量约10 m3/min。钻机留场备用。

封堵材料：考虑到启封时便于清理，并具有一定强度，选用C15混凝土。混凝土塌落度200 mm；粗骨料0～20 mm碎石，级配良好；天然河砂选细度模数2.3～3.0的中砂；外掺粉煤灰以减少收缩量；混凝土加入早强剂和速凝剂控制流动范围，初凝时间4～5 h，提前试配，级料配比参数见表1、表2。

表1 C15混凝土材料配比

表2 水泥粉煤灰浆液配比

根据封堵巷道断面和流散长度计算混凝土灌注量

V=KSL=2×20×15=600 m3

式中：K—备用系数，取2；V—单侧灌注混凝土需要量，m3；S—巷道断面积，m2；L—预估混凝土流散长度，m。

两侧灌注点混凝土需要量为1 200 m3，间隔泵注，分层硬化，一次灌注量40%，二次30%，三次灌注至巷道顶板，四次用水泥粉煤灰浆液充填，图3为分层充填示意图。

图3 分层充填示意图

灌注作业：4月25～29日进行灌注作业，灌注前利用窥孔仪探测钻孔及巷道情况，期间通过监视混凝土的堆积情况，估算下一阶段的注浆量，从而能够时时调整外加剂配方；保持两侧灌注进度均衡，进风侧先行封闭，封闭后期采取防止钻孔反风措施。胶顺实际灌注680 m3，轨顺灌注522 m3，估算胶顺流散长度平均37.78 m，轨顺30.47 m。窥孔仪实测注浆各阶段过程中，观测混凝土堆积情况，如遇堵孔，用钻机通孔；墙体接顶并将钻孔填充。此外，根据安全监控参数推算，工作面风量降至687.7 m3/min。

CO浓度：15116轨顺CO浓度从封堵前的500 ppm(满量程)迅速降到80 ppm以下，CO气体变化规律如图4所示。

图4 15116轨顺CO浓度变化曲线

3.2 井下密闭

观测侦查：地面封堵后连续观测72 h，由矿山救护队下井全面侦查，查看封堵、通风、气体、温度及顶板等情况，恢复安全监控等系统。

灌水和构筑密封：利用轨顺外段低洼点灌水密封，并在两顺槽外口构筑密闭，切断通往危险区金属材质的管道、轨道等，留设补水管路、束管等设施；在两顺槽闭墙外进行均压，实现对15116工作面的彻底隔绝。

密封效果：井下密封工作完成后，15116两顺槽闭墙CO浓度降至0 ppm，轨顺CH4浓度由1.72%降至0.1%，胶顺CH4浓度由0.34%降至0.1%以下，其他参数恢复正常并持续稳定。5月6日工作面封闭完成，应急恢复。

4 结论

(1)针对某矿15116工作面实际情况及井下应急封闭要求，以“地面封堵+井下密闭”为设计思想，通过综合运用数种封闭技术，分步实施，快速有效地完成了该工作面的应急封闭工作。实践证明效果良好，不仅保障了该工作面的顺利封闭，也为其他类似工作面应急封闭防灭火工作提供了参考依据。

(2)煤层防灭火工作的主导思想是“降温控氧”，对于已形成的隐患区域，必须采取以降温控氧为主的防灭火技术手段，切断影响煤自燃3个主要因素中的任何一个，都可以达到延长煤自燃周期的作用。今后要对15116工作面进行防灭火监测和分析，保证密闭效果，为进一步治理和矿井安全生产创造条件。