高抽巷影响下的采空区煤自燃综合防治技术

邢立杰 刘 芬

（陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 721500）

1 郭家河矿煤样自燃特性测试

1.1 试验装置及条件

（1）试验装置

在一个半径为5cm，长22cm的钢管内，装入1kg煤样，在上下两端分别保留有2cm左右的富余空间，之后置于箱内按照设定程序逐渐加热，采集不同煤温时产生的气体。试验装置如图1所示。

（2）试验条件

现场采集郭家河煤矿1308工作面煤样，并筛分 成 五 种 粒 度：0～0.9mm、0.9～3mm、3～5mm、5～7mm和7～10mm，称取每种粒度各200g组成混合煤样，进行程序升温试验。试验条件如表1所示。

1.2 试验结果与分析

（1）CO、CH4产生率

在分析CO、CH4等气体的产生率时，可以认为CO是煤氧化产物，CH4等气体是煤热解产物，其中大部分微量气体来源于高温脱附作用。郭家河煤样CO、CH4气体产生率如图2所示。

图1 程序加热升温试验流程图

表1 程序升温箱煤样加热升温试验条件

图2 CO、CH4生成速率

（2）C2H6和C2H4气体浓度变化

在升温初期，常温状态下，郭家河煤矿1308工作面煤样就存在乙烷气体，乙烯气体产生的温度在临界温度后，约为140℃左右。因此，可以把乙烷和乙烯气体作为煤自燃的标志性气体。井下一旦发现乙烯气体，说明煤体温度基本处于干裂温度附近。图3表明， C2H6并不适合作为1308工作面的煤自燃指标性气体，因为C2H6气体有相当一部分是煤样脱附逐渐释放的，并且后期也主要是在高温期产生，该指标不具备预警能力。

图3 煤样C2H6、C2H4浓度与温度关系曲线

（3）试验结论

通过分析煤氧化过程的耗氧速率、CO、CO2、C2H4、C2H6气体的氧化生成规律，确定了工作面采空区遗煤的C2H4脱附温度在90℃～130℃，临界温度70℃～80℃，干裂温度110℃～120℃，确定CO与C2H4可以作为工作面的煤自燃预警指标气体。建立了工作面煤自燃预警指标体系，如表2所示。

表2 1308工作面煤自燃指标体系

2 郭家河矿1308工作面煤自燃致因分析

2.1 工作面概况及煤自燃征兆

（1）1308工作面概况

1308 工作面可采走向长度2280m，倾斜长度290m。工作面进、回风巷道在1308工作面停采线前沿煤层顶板布置，过了停采线后沿煤层底板布置，两条顺槽相互平行，采用锚网索梁联合支护形式，矩形断面，巷道布置简单。截至7月28日皮带顺槽回采381m，回风顺槽回采359m。工作面需要风量1698m3/min，实际风量2011m3/min。正常生产期间，上隅角CO平均浓度10ppm，回风流CO平均浓度8ppm。高抽巷抽放CO浓度平均为50ppm，上隅角抽放CO浓度平均22ppm。工作面总共安装支架168架，后部溜尾安装在156架，工作面回采时152～168架不放煤，并在架前挂网护顶。

（2）煤自燃征兆

通过郭家河煤矿1308工作面自燃标志性气体测试试验进行数据分析，可以确定1308采空区工作面内的煤自燃征兆凸显过程：初期工作面CO浓度超过正常波动最大峰值，逐步上升；在CO浓度出现第一次突变（大约440ppm）时，采空区内出现C2H4气体；CO出现第二次浓度突变（800～1000ppm）时，工作面气体中C2H4气体浓度超过2ppm。

2.2 遗煤自燃原因分析

（1）1308工作面内的遗煤厚度4～16m，达到最小浮煤厚度。现场遗煤进行氧化复合反应产生热量时，热量能够积聚导致煤体升温引发自燃。

（2）回风顺槽1900m处因超前压力影响，煤体形成裂隙，与钻孔产生漏风，提供了煤自燃所需的充足供氧的需求。

（3）现场高抽巷布置在采空区裂隙带瓦斯富集区内，导致采空区漏风加重。

1308 工作面总共安装支架168架，后部溜尾安装在156架，工作面回采时152架至168架不放煤，目前高抽巷位置在157架上方，正好在不放煤区域内且高抽巷层位较高。

在回采过程中，由于高抽巷不在垮落带，导致其不能随着工作面向前推进及时垮落，致使高抽巷延伸至采空区深部。抽放时一直不断给采空区深部供氧，扩大采空区氧化带，造成采空区深部区域遗煤氧化，产生CO、C2H4等气体从高抽巷抽出，甚至氧化升温带和自燃带向采空区深部进一步移动，如图4所示，进一步扩大采空区三带覆盖的遗煤面积（散热带O2浓度≥18.5%；自燃带O2浓度10%～18.5%；窒息带O2浓度≤10%）。

图4 高抽巷影响下的采空区三带偏移量示意图

充足的氧气给采空区浮煤提供了氧化动力基础，高抽巷负压产生的漏风风压促使遗煤与氧气接触区域进一步扩大，遗煤氧化现象加剧，最终导致采空区遗煤自燃的发生。

3 采空区煤自燃协同防控技术及应用

3.1 多方法协同治理技术

（1）堵漏技术（工作面两端头封堵）。采空区的堵漏技术主要是采用打墙封堵、水泥喷浆、泡沫喷涂等，也有采用胶体进行深部隔离。本质上都是为了缓解漏风程度进行氧气隔绝，从而有效地降低煤自燃火灾发生的概率。

（2）降温技术（灌浆、三相泡沫等）。通过一定的装置将防灭火泥浆运输到煤自燃点，对可能自燃的危险区域采取注水措施，使水填充煤粒空隙，增加煤体含水量，从而达到抑制煤自燃趋势；或者是对采空区可能存在危险的区域内注入惰性气体如N2和CO2等，控制采空区内的氧气浓度；或者加添阻化剂，包裹煤体排斥氧气，阻断煤氧复合反应序列，减缓其蓄热的效率，控制煤温在较低水平。

（3）高抽巷降压控氧（爆破切断高抽巷、高抽巷打孔泄压）优化高抽巷下方深孔预裂爆破工艺。通过打孔泄压的方式，控制高抽巷内的风流压力或风流速度，减小漏风强度，降低负压，减少对采空区深部的供氧，从而达到抑制采空区煤自燃的作用。

3.2 现场应用

（1）1308工作面上口超前棚向外100m（1308高抽巷1910m位置）左右向高抽巷再施工一个取样观测孔取样分析。

（2）7月28日向采空区注氮气和黄泥浆加三相泡沫。

（3）在回风顺槽顶板，工作面切眼向外15m，方位角180°，倾角14°位置向采空区裂隙带打钻孔，并全程下2趟1寸钢管，钢管上打3mm孔。下完钢管后，进行封孔，向采空区裂隙带注水。

（4）在152架至168架后打5～6m钻孔并全程下4分套管，向煤体内注凝胶（水玻璃和MCA促凝剂混合成胶），封堵裂隙，形成隔离带。

（5）提高工作面上、下口的打墙封堵质量，最大限度地减少采空区漏风，缩小采空区氧化带范围。

（6）精准施治高抽巷长悬臂难题：① 上抬溜尾段，跟顶回采；② 向高抽巷采空区打钻（采空区以里60m），注泡沫凝胶、高水充填材料，封堵底板及下方裂隙。

（7）加强上下两道堵漏。顶板用双排煤矸石袋封严堵死，并喷涂艾格劳尼，吊挂风帐.

（8）从工作面向外30m在回风顺槽煤壁每隔5m施工一组高位钻孔，优化高抽巷下方深孔预裂爆破工艺。

1308 工作面采空区的关键问题是回采过程中高抽巷不能及时垮落的问题，通过：优化高抽巷下方深孔预裂爆破工艺；施工短孔，贯通采空区侧高抽巷，降低负压；施工扇形孔，形成隔离带。每天确保施工一个扇形孔和高抽巷贯通孔，并优先施工高抽巷下方爆破孔、高抽巷降压孔，扼制高抽巷深部对采空区供氧的情况。

图5 郭家河1308工作面协同防控布置图

图6 1308高抽巷内CO气体变化曲线图

3.3 工作面煤自燃灾害防治效果

根据试验测试结果，选定CO气体浓度的变化趋势作为1308工作面采空区煤体升温氧化的指标，进行采空区内的遗煤自然发火过程预警预报。

随着1308工作面推进，氧气浓度在风流方向上呈下降趋势。高抽巷CO浓度在7月28日之前呈正常数值60～100ppm，29日突然升至110ppm，此后上升至266ppm，初步怀疑可能是高抽巷密闭墙向里至850m段高抽巷内出现煤氧化高温点。为防止采空区遗煤自燃，采取了工作面两端头封堵，灌浆、三相泡沫等，爆破切断高抽巷、高抽巷打孔泄压等多项措施协同治理，此后采空区的CO浓度开始下降，直至CO浓度波动水平处在正常范围之内，验证了高抽巷影响下的采空区遗煤自燃预防，在多方法协同防控下的可行性。

4 结论

（1）试验测定了郭家河矿煤样的临界温度为70℃～80℃，干裂温度为110℃～120℃，确定CO浓度变化趋势为该工作面煤自燃预警的主要指标。

（2）理论分析了采空区遗煤自燃的原因：采空区遗煤厚度达到最小浮煤厚度；高抽巷不在垮落带，造成高抽巷不能随工作面向前推进及时垮落，且回风顺槽因超前压力影响，煤体形成裂隙与钻孔产生漏风风流，导致采空区深部漏风严重。

（3）构建了以“端头封堵控氧、填充降温隔氧、高抽巷降压控氧”为主的多方法协同治理技术方案，经现场实践，验证了该方法的可行性，为类似情况的矿井煤自燃危害防治提供了宝贵的实践经验。