高瓦斯矿井自然发火防治与瓦斯治理技术研究

黄晓鹏

（晋能控股煤业集团安全督查大队，山西 大同037003）

1 工程概况

煤峪口矿位于山西省大同市境内，井田东部以煤层露头为界，北接忻州窑井田，南临永定庄煤业井田，矿井为高瓦斯矿井，煤层属自燃煤层，自燃等级为Ⅰ类，煤层最短自然发火周期为30 d，目前，矿井主采14号煤层，1煤层上覆11、12号合并煤层，现已回采结束，采空区已完全封闭，14号煤层410盘区位于矿井东部，与上覆采空区垂直间距为1.5～14.8 m，为近距离开采煤层。

2 瓦斯来源及内因火灾形成原因

2.1 瓦斯来源

14号煤层410盘区开采初期，对上覆11、12号合并煤层采空区气体取样化验，确定瓦斯浓度在5.64%～43.58%之间，由于上覆采空区与410盘区间距较近，在采动影响下，采空区极易发生塌陷，届时，11、12号合并煤层采空区游离的瓦斯会随岩层裂隙大量渗透至410盘区，造成工作面瓦斯气体超限的问题。

2.2 内因火灾形成原因

14号煤层为特厚煤层，开采方法为综合机械化低位放顶煤一次采全高开采技术，该工艺生产强度高，放煤力度大，工作面回采期间，采空区遗煤多，漏风量大，随着11、12、14号煤层采空区的坍塌联通，极易形成复杂的漏风通道对采空区进行持续供氧，采空区遗煤在长时间氧化过程中，温度逐渐升高，风化程度加剧，出现煤层自燃的威胁性增加。

3 瓦斯与自然发火综合防治技术

14号煤层410盘区开采期间，瓦斯来源复杂，工作面瓦斯游离浓度较高，为解决这一难题，需通过埋设管路，对工作面瓦斯进行有效抽放，该工艺能够有效降低瓦斯浓度，消除瓦斯积聚威胁，但瓦斯抽放期间，会造成采空区漏风量增大，加剧采空区遗煤自然发火的威胁，从而诱发瓦斯爆炸事故，对工作面设备及人员造成严重伤害，反之，若通过递减配风量减少采空区漏风量，则会在一定程度上影响瓦斯稀释效果，因此，在410盘区开采期间，需协调、平衡好瓦斯治理与火灾防治的关系，使瓦斯与火灾隐患得到兼治。针对410盘区生产情况，现提出通过层间钻孔抽放法配合“叠加”采空区“旁路式”注氮、巷道预抽法配合采空区“旁路式”注氮综合治理技术治理瓦斯与自然发火难题[1]。

3.1 层间钻孔抽放法配合“旁路式”注氮

根据采动裂隙“O型”圈理论可知[2]，随着工作面的持续推进，在采动因素的影响下，采空区逐渐下沉，采空区中部的裂隙逐渐压实，同时在煤层上覆老空区四周形成一个联通的“O型”结构采动裂隙发育圈，在该区域内，瓦斯积聚程度高，周围煤岩体内的游离瓦斯会源源不断的汇集于此，形成一个储存瓦斯气体的“瓦斯库”，因此，为提高抽采效果，可通过在本煤层顶板上方打设钻孔至上覆老空区采动裂隙发育区，即在14号煤层上方布置层间钻孔至11、12号合并煤层采空区裂隙发育区，对瓦斯积聚区域的游离瓦斯进行有效抽采。410盘区瓦斯抽放期间，采空区游离的瓦斯气体大量减少，从而会在采空区内形成一个“负压区”，在采动以及矿压的作用下，高压区的气体会逐渐向低压区涌入，形成大量的漏风裂隙和通道，加剧采空区遗煤氧化升温的趋势[3]，由于11、12号合并煤层与14号煤层采空区处于联通叠加结构，极易造成上覆采空区遗煤的二次氧化与本煤层采空区的一次氧化叠加的，形成较大的火灾威胁。

针对这一问题，提出“旁路式”注氮技术工艺，即在通过钻孔对上覆老空区采动裂隙发育区进行瓦斯抽放后，对采空区进行注氮，用来置换被抽采出的瓦斯气体，降低“负压区”的压力，减少漏风通道的形成，进而起到稀释瓦斯浓度、降低采空区遗煤发火的目的[4-5]。

以14号层410盘区81004综采工作面为例，根据81004综放工作面的回采情况，在51004巷布置3组钻场，钻场编号为1-3号，每组钻场布置15个钻孔，钻孔孔径为75 mm，钻孔间距为1 m。其中，1号钻场位于距81004切割巷250m位置处，2号钻场位于距81004切割巷550 m位置处，3号钻场位于距81004切割巷850 m位置处，自51004巷顶部向11、12号合并煤层冒落带上方、裂隙带下方的瓦斯积聚区域打设仰角钻孔，留设规格为Φ108mm的套管，将瓦斯抽放管套入套管，利用瓦斯抽放管对富集区域的瓦斯进行抽采，同时，在与81004综采工作面相邻的51006巷内布置2趟规格为φ108mm的注氮管路，其中，一趟管路对81004工作面采空区进行注氮，另一趟管路对81004工作面“叠加”采空区进行注氮。81004工作面钻孔抽放法配合“旁路式”注氮法示意如图1所示。

图1 81004工作面钻孔抽放法配合“旁路式”注氮法示意图

3.2 巷道预抽法配合采空区“旁路式”注氮

14号煤层410盘区开拓巷道掘进期间，由于与上覆煤层采空区间距较近，巷道开掘过程中在矿压的作用下会在顶板位置处形成大量的裂隙，造成上覆采空区游离的瓦斯向掘进工作面扩散，并在工作面大量积聚，针对裂隙漏风这一问题，利用罗克休将裂缝封堵，同时，在开拓巷道掘进完成后，将其密闭，在密闭铺设200 m规格为φ315 mm的抽放管路，通过回风大巷与410盘区回风巷的抽放主管相连，利用瓦斯抽放泵站对上覆层瓦斯抽放，同时在相邻巷道布置注氮管路，对采空区进行注氮，用来置换被抽采出的瓦斯气体，降低游离瓦斯浓度、防止采空区遗煤发火。巷道预抽法配合采空区“旁路式”注氮法示意如图2所示。

图2 巷道预抽法配合采空区“旁路式”注氮法示意图

4 实践效果

煤峪口矿14号煤层410盘区应用瓦斯与自然发火综合防治技术以来，实现了瓦斯抽采达标，工作面零自然发火的安全目标，年度累计抽放瓦斯量为740 190 m3，累计注氮量为7 855 050 m3，开拓巷道掘进期间，掘进工作面最大瓦斯浓度为0.38%，410盘区综放工作面回采期间，上隅角瓦斯最大浓度为0.46%，回风流中瓦斯最大浓度为0.24%，采空区遗煤未出现明显升温氧化现象，各类气体浓度正常，矿井生产安全性得到了有效保障。

5 结语

针对煤峪口矿瓦斯与火灾治理难题，以煤层上覆采空区采动裂隙“O型”圈理论为依据，利用层间钻孔抽放法配合"旁路式"注氮、巷道预抽法配合采空区“旁路式”注氮技术工艺对巷道掘进期间、煤层回采期间的瓦斯与火灾隐患进行综合治理，在抽放瓦斯的同时，降低了采空区漏风量与遗煤氧化程度，从根源上解决了工作面瓦斯及内因火灾事故，保障了矿井安全生产。