切顶留巷综采面采空区高温区域治理技术研究

2020-10-10孙守义刘学飞

煤炭工程 2020年9期

孙守义，刘学飞

(1.贵州黔西能源开发有限公司，贵州毕节 551500；2.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590)

煤炭自然发火是矿井的主要自然灾害之一。据统计，我国煤矿自燃火灾次数占矿井总火灾次数的 90%以上[1]，其中，采空区煤自燃火灾占总自燃火灾次数的 60% 以上，是矿井自燃火灾的重灾区。采空区煤炭自然发火的危险性受采空区漏风强度、遗煤分布、煤炭耗氧速率、瓦斯涌出等因素影响[2]，其中影响最大的因素就是采空区的漏风范围及漏风强度。近年来，切顶留巷技术在工作面回采过程中得到了推广应用，该技术具有巷道掘进量少、矿井采掘衔接矛盾小、煤炭回收率高、工作面局部范围内周期压力低等优势[3]。但是，该技术要求工作面的通风方式必须为“两进一回”或“一进两回”的Y型通风[4]，同时，切顶后采空区上部留下很大的自由空间，导致采空区的漏风范围及漏风强度增大，自然发火危险性增高，为采煤工作面防灭火工作带来了新的挑战[5]。

采空区是煤层回采后上覆岩层自由冒落形成的空间，内部结构非常复杂，防灭火难度大。要实现对采空区自燃火灾的有效防治，必须首先确定高温区域的范围，并根据自燃的程度及发展趋势，选择合理的防灭火技术，才能消除自然发火的隐患[6]。而高温火源点定位技术是世界性的难题，目前还没有一种技术或仪器设备能实现对采空区高温区域的准确定位[7]。同时，在煤矿现场的实际防灭火过程中，一旦发现采空区自燃隐患，盲目地采取多种防灭火措施，不仅浪费大量的人力、财力和物力，提高灭火成本，而且容易造成自燃火灾得到治理，却弄不清楚火源点具体位置和关键有效的治理措施，更有甚者，由于防灭火措施选择的不合理而贻误防灭火工作的时机[8]，导致自燃火灾失控，造成采煤工作面封闭。针对这一难题，本文以存在高温区域的发耳煤矿50105工作面采空区为研究对象，提出了集采空区漏风分布、自燃标志性气体浓度变化趋势、采空区遗煤分布、回采时间为一体的采空区高温区域判定方法，结合50105采空区的具体实际，确定了50105工作面采空区高温区域的范围。在此基础上，提出了有针对性的综合治理方案，即：压注液态CO2控制高温区域火势、加快工作面推进速度促进上覆岩层冒落、高温点压注胶体直接灭火，彻底消除了50105采空区的高温隐患，保证了工作面的安全回采，形成了一套有针对性的切顶留巷Y型通风综采面采空区高温区域治理的技术体系。

1 工作面概况

发耳煤矿50105综采面位于5采区中下部，其上部为50103工作面采空区，下部为实体煤；回采期间采用切顶留巷技术在上部的运输巷进行留巷。通风方式采用“Y”型通风，即：运输巷进风，留巷及轨道巷回风，工作面布置情况如图1所示。工作面总进风量为1408m3/min，轨道巷回风量为1120m3/min，留巷回风量为326m3/min。所采煤层为贫瘦煤，自燃倾向性等级为Ⅲ类不易自燃煤层，自然发火期在12个月以上。工作面轨道巷预埋了一路瓦斯抽放管路，抽放口滞后工作面30m，用于处理上隅角的瓦斯积聚问题。

图1 发耳煤矿50105工作面通风系统及监测点布置

2 工作面采空区高温区域的判定

2.1 采空区高温点发展过程

50105工作面于 2019年7月下旬开始回采，当回采至76m时，9月8日，首次在轨道巷瓦斯抽放管路中发现CO，浓度为0.006‰，隅角未发现CO，其他与该采空区连通的密闭中也均未发现CO。初步判断CO的来源为本面采空区遗煤低温氧化所致，在采取回风隅角设挡风墙、减少抽放压力、留巷沿空侧喷浆等措施后，抽放管路中的CO浓度基本维持在0.01‰左右。9月26日抽放管路中CO浓度升至0.05‰，回风隅角CO浓度为0.007‰，五采区边界巷密闭内CO浓度达0.231‰，高温区域自然发火处于快速发展趋势。

2.2 采空区漏风流场分析

50105工作面采用“一进两回”的Y型通风方式，其采空区的漏风通道主要有两个通道：一条是经切顶留巷和工作面流进采空区然后从上隅角流出，进入50105轨道巷；另一条是经切顶留巷或工作面流进50105采空区穿过50103留巷墙体进入50103采空区。

从50105采空区的CO气体浓度分布来看，上隅角及低压抽采管路的CO浓度较低且变化不大，而五采区边界巷密闭中的CO浓度增高趋势非常明显，这说明50105采空区后部高温点产生的CO主要流向了50103的采空区，而不是50105的上隅角，这也是上隅角处CO浓度较低且不能反映采空区自燃高温点实际发展趋势的主要原因。

2.3 采空区高温区域范围的判定

1)高温区域不在50105本面采空区。主要原因为：50105工作面所采煤层为瘦煤，自燃倾向性等级为Ⅲ类不易自燃煤层，自然发火期在12个月以上；该面于7月下旬开始回采，截止9月27日回采时间约为80天，从时间上来看，本面采空区遗煤处于低温氧化状态，不具备自燃的条件[9]；在50105工作面上隅角长期检测不到CO，后期虽然检测到CO，但其浓度也非常低，根据经验[10]，如果本面采空区存在高温点，上隅角CO浓度应该呈现逐步升高的趋势[11]。

2)高温区域在50105轨道巷与50103切眼交叉点附近。主要原因有三点：从50103切眼与50105工作面的相对位置关系来看，9月8日首次发现CO时，工作面推过50103老切眼约8m的位置，50105和50103两个工作面的采空区完全沟通，切眼处遗煤得到二次氧化，极易自燃[12]；从五采区边界巷密闭内的气体变化规律来看，CO的浓度由26日的0.231‰升高到27日的0.256‰，说明高温点氧化速度非常快，自燃产生的CO主要流向了50103采空区，并部分集聚在五采区边界巷；该交叉点位于采空区“自燃三带”的氧化带内[13-15](根据发耳矿经验氧化带一般在工作面后方30～70m处)，高温点自燃趋势急剧升高时，50103老切眼距工作面约35m的位置，刚好处在氧化带范围内，因此，可以判定高温区域应该在50105轨道巷与50103切眼的交叉点附近。

3)为了更加精准地确定高温点的位置，首先从50105轨道巷的顶板向50105轨道巷与50103切眼交叉点的正上方施工了一个探测钻孔，标记为2#孔，终孔位置位于底板上方20m，钻孔施工过程中CO和CO2浓度逐步升高，CO最高浓度达6.450‰，CO2最高浓度达3.26%，钻孔最高回水温度达95℃。因此，从指标气体浓度和回水温度，可以判定高温点的位置就在50105轨道巷与50103切眼的交叉点附近的区域。

3 采空区高温区域的综合治理措施

确定了高温区域范围后，结合该面的现场条件，采取了气体检测、压注液态二氧化碳、喷浆堵漏、高分子胶体直接灭火等措施，有效地控制了高温区域的煤炭自燃，消除了事故隐患[16]。

3.1 气体监测

为掌握高温区域的火势变化，考察所采取防灭火措施的效果，根据50105采空区的漏风情况设置了5个检测点，来检测CO、C2H4、CO2、O2等气体的变化情况：1#点设置在工作面上隅角；2#点设置在50105轨道巷的抽采管路内；3#点设在工作面回风流；4#点设在50103轨道巷密闭内；5#点为五采边界巷密闭内，测点布置如图1所示。

为确保气体监测的准确性，采用了“四定”的原则，即：定时间、定位置、定仪器、定人员。通过对50105采空区漏风流场的分析，确定五采边界巷是采空区漏风通道的压力最低点，最能反映高温区域的变化情况。因此，选用该点的气体浓度变化作为监测火情以及考察防灭火措施效果的主要参考数据[17]。

3.2 压注液态CO2惰化采空区

通过50105运输巷侧的切顶留巷的观测孔(工作面后方约80m)压注液态二氧化碳，对采空区进行惰化，降低采空区内氧气的浓度，减少高温区域的氧气供应，控制火区的迅速发展。自9月28日—30日，每4小时向采空区压注1次液态CO2，每次压注量为2m3。压注后工作面隅角及五采区边界巷内的CO浓度初期先升高随后呈现快速下降的趋势，随后处于稳定状态，9月30日停止压注。停注后的第2天，CO呈现快速上升的趋势，于10月2日恢复压注CO2，CO浓度随之下降并稳定在较低水平。五采区边界巷密闭内CO和C2H4浓度的变化曲线如图2和图3所示。

图2 五采区边界巷密闭内CO浓度变化曲线

图3 五采区边界巷密闭内C2H4浓度变化曲线

从图2可以看出，压注后的前20h以内，五采区边界巷密闭内的CO浓度迅速上升，20个小时后急剧下降，约40h后CO浓度降至0.05‰以下并稳定在0.02‰左右。停注24h后一氧化碳浓度发生反弹，恢复压注后，CO浓度开始下降并稳定在0.02‰左右。压注初期CO浓度升高是由于压注的CO2将高温区域的CO驱赶到五采边界巷并形成积聚所造成的。随着CO2连续的压注，高温区域的CO产生量急剧减少，五采边界巷的CO也随之减少。而停注后，CO浓度很快上升说明高温区域的氧化反应加剧，产生的CO量增加，火势呈现复燃的趋势，这同时说明压注CO2主要是控制火势，而很难将高温火点彻底消除。由图3可以看出，C2H4的浓度变化趋势与CO的变化趋势基本一致，所不同的在于C2H4的浓度要低于CO，C2H4的最高浓度为0.103‰，最低浓度为0.005‰。

3.3 加快工作面推进速度

9月27日发现CO浓度异常后，为保证职工的安全，发耳煤矿立即停止生产、撤出工作人员，工作面处于停产状态。在对高温隐患的风险性进行综合评估后，在确保安全的情况下，于9月29日夜班开始对工作面进行了强推，截止10月2日，工作面推进了18.6m，加速了采空区上覆岩层的冒落，漏风强度减弱，抑制了高温区的火势发展。

五采区边界巷密闭内气体浓度见表1，由表1可以看出，在压注CO2和工作面强推的共同作用下，一氧化碳和氧气浓度呈现逐步下降趋势，其中氧气最低浓度降至12.1%左右。这说明工作面推进后，高温区域的压实度增加，漏风供氧量降低，高温点处于临近窒息状态。

表1 五采区边界巷密闭内气体浓度

3.4 顶板走向钻孔压注高分子胶体灭火

从50105轨道巷的顶板向50103开切眼施工3个钻孔，1#、3#孔的终孔点水平位置分别位于50105轨道巷与50103开切眼交叉点左右15m，2#孔位于交叉点的正上方，3个钻孔的终孔点垂直高度距离煤层高度为20m，钻孔布置如图4所示。

图4 50105轨道巷钻孔布置

自10月4日开始对3个孔同时压注高分子胶体，每班单钻孔压注约0.5t高分子粉剂，胶体与水比例为1∶50。在压注胶体1d后，五采区边界巷密闭的CO和C2H4浓度急速下降，在压注5d后，压注高分子粉剂总量达到22t时，抽采管路及五采区边界巷的CO消失，高温隐患点彻底消除。五采区边界巷密闭的CO和C2H4浓度变化曲线如图5、图6所示。

图5 五采区边界巷密闭内CO浓度变化曲线

图6 五采区边界巷密闭内C2H4浓度变化曲线

由图5可以看出，CO浓度在胶体压注的初期变化幅度较小，这是由于压注钻孔在高温区域的上方，而胶体扩散需要一定的时间，高温区域的温度降低也需要一个过程，随着压注时间的加长和压注量的增加，CO浓度急剧下降并于压注后的第5天降为0。由图6可以看出，C2H4浓度的变化趋势与CO相似，所不同的在于C2H4浓度在压注胶体后急剧下降，并于压注后的第4天消失，比CO的消失提前了1天的时间，这说明胶体的压注使高温区域的温度迅速降低至较低的温度，但尚有部分的煤炭处于低温氧化状态。综合分析50105采空区的整个灭火过程，可以断定最初关于高温隐患区域位置的判断是正确的，同时也表明只有向高温区域压注胶体或泥浆等灭火材料，才能够彻底使火区熄灭。