高瓦斯突出矿井火区启封瓦斯排放技术的研究

崔建军

（山西焦煤西山煤电白家庄矿业有限公司，山西 太原 030053）

引言

煤与瓦斯突出矿井在煤炭自燃着火后，若无法直接灭火，往往会封闭火区，造成资源浪费及设备损坏。在加强火区熄灭火后，需启封火区恢复生产。火区启封过程极其危险，封闭火区内存在大量可燃气体，甚至成为高瓦斯库，若对火区状态判定错误，启封工程会发生火区复燃，甚至造成瓦斯爆炸。因此，启封火区必须获得真实的火区信息，做出正确判断，并制定安全的瓦斯排放方案。针对东曲矿22802工作面着火水封后，难以获得真实火区气体信息及高浓度瓦斯安全排放难题，提出布置千米钻孔取样获得火区信息、利用压入式风机分段锁风排放方案，确保启封及高浓度瓦斯的排放安全。

1 着火概况及处理方案

1.1 工作面着火概况

东曲矿位于太原西山煤田北部，井田面积为57.9 km2，矿井设计生产能力400万t/年，现在主要开采山西组2号、4号煤和太原组8号、9号煤，22802工作面所属8号煤层工作面，正、副巷为矩形断面，正断面均为4.2 m×3 m；正巷长度1 701 m，副巷长度1 734 m，可采走向长度1 380/280 m，切眼长度225/160 m，工作面采用“U”形通风系统，配风量1 760 m3/min，绝对瓦斯涌出量24.53 m3/min。工作面布置即通风系统见图1所示。

图1 22802工作面通风系统图

2019年2月8日10时40分监测机房发现22802上隅角φ（CO）传感器报警瞬间达180×10-6，10时53分时22802副巷抽采管路φ（CO）达到500×10-6，上隅角瓦斯0.4%、工作面瓦斯0.3%、机尾进风隅角瓦斯0.82%，10时58分进风隅角瓦斯达到0.82%，工作面人员全部撤离到切眼外，11时40分启动应急预案，停电且工作面副巷人员全部撤到大巷。

1.2 处理方案

用水管喷洒进风隅角，同时连接压水管向进风隅角和该处支架冲洗降温。因烟雾持续增大，连接第二趟压水管加大进风隅角冲洗，并冲刷烟雾，扩大冲洗范围。发现火区无法立即熄灭后，利用22802正副巷顺槽低洼进行水封，副巷在310 m坡顶断开压水管封巷道，正巷在350 m低洼处水封，水封期间对回风井一氧化碳气体进行实时监测，当回风井一氧化碳监测数据稳定为0且持续12 h后，确认完成水封，同时对工作面两巷完成永久封闭。

2 封闭火区熄灭判定

因水封，正副巷密闭墙气样监测结果不能科学反映火区真实情况。为确认火区信息真实性，从22801正巷距22802进风隅角最近的位置用千米钻孔机施工长钻孔，与22802工作面连通，在不同位置向工作面施工两个平行长钻孔，如下页图2，以便对比测定结果。封闭火区内气体化验结果如下页表1、表2所示，封闭区域内CO浓度基本为0，O2浓度（体积分数）在5%以下，未发现C2H4、C2H2气体，封闭区气体组分稳定时间达一个月，封闭火区空气温度与火灾发生前的日常空气温度相同，出水温度低于25℃，满足《煤矿安全规程》第279条规定，确认火区已熄灭可以启封。

图2 钻孔布置图

表1 1号钻孔气体化验结果 %

表2 2号钻孔气体化验结果 %

3 高浓度瓦斯排放方案及应用

3.1 瓦斯的排放方案

本次启封瓦斯排放分为两步：压入式局部风机分段锁风排放巷道高浓度瓦斯；恢复全负压通风并控制风量。

其中，分段锁风排放巷道高浓度瓦斯顺序为正巷→工作面→副巷。即：先将工作面正巷密闭墙至水封段进行启封，再启封水封段和工作面以里相应巷道，最后启封工作面副巷密闭墙至水封段及相应巷道。

3.2 现场排放的注意事项

1）为控制破壁瓦斯涌出量，在正巷第一道防火密闭墙拆出2 m2通道，排放瓦斯并监测瓦斯浓度后，将第二道防火密闭墙打开1.5 m2通道，排放瓦斯。副巷与正巷一致。

2）正副巷排水段均布置两处探头，如图3，包括CH4、CO、温度及O2，在水泵位置布置探头T1，风流稳定段布置探头T2，设置瓦斯预报警0.8%，断电值1.0%，且TI、T2任意一处达断电值均会立即断电（以下瓦斯浓度变化为T2探头数据）。

图3 探头位置布置图

3）正巷排放瓦斯至小面正巷和工作面连接处时，构筑一道全断面风帘，减少小面瓦斯涌出量，续接风筒，排放小面正巷瓦斯，构筑临时密闭F1。继续接风筒至小面副巷构筑临时密闭F2，排放小面副巷及工作面瓦斯，如图4。

图4 小面瓦斯排放图

4）副巷破壁排水后，续接风筒至F1，排放小面绕道瓦斯。

5）全负压通风后，对局部高浓度瓦斯采用导风设施进行排放。

6）开始全负压通风三天内，控制工作面风量，以工作面正巷回风流中瓦斯浓度不超过0.5%为工作面风量调控依据，并由救护队员进入工作面检查气体变化情况。

3.3 所遇问题分析

3.3.1 正巷排水进程缓慢

正巷排水进程缓慢，共用15 d排完且有未知水源不断补水：

1）排水初期布置了两台水泵，在排放过程中，有高浓度瓦斯间断涌出，但涌出量较少，对排水过程影响程度较小。当水面下降至巷道顶板最低点时，随水面下降，与密闭巷道连通面积不断增大，高浓度瓦斯大量涌出，导致水泵频繁断电。

2）副巷启封后发现水位比密闭前有明显下降，密闭至水封段之间瓦斯浓度为40%左右。正副巷水封段之间存在钻孔区，且副巷水封段地势高于正巷，故判断正巷未知水源主要来自副巷水封段。

3.3.2 瓦斯涌出异常

正巷瓦斯排放浓度变化如图5所示，排放过程瓦斯涌出量主要受气温影响，在下午及凌晨瓦斯涌出量较大。为控制瓦斯排放浓度，通过观察T1、T2探头数据变化，及时对风机风量进行调节，将瓦斯浓度控制在1%以下。

图5 5月22日至5月24日正巷瓦斯排放图

3.4 排放结果

1）正巷瓦斯排放过程浓度变化如图6所示，通过分段锁风法成功将巷道瓦斯浓度控制在1.0%以下安全排放。

图6 5月22日至5月25日正巷瓦斯排放图

2）全负压通风瓦斯浓度变化如图7所示，5月26日到28日进行了三次调整后，安全恢复全负压通风，且通过调节风量将瓦斯浓度φ（CH4）控制在0.5%左右。

图7 5月26日至6月1日正巷瓦斯排放图

4 结论

1）通过布置2个千米平行钻孔，获得火区真实信息。水封火区的窒息及防爆、隔爆效果虽好，但启封后排水缓慢，且在排放瓦斯过程存在一定安全隐患。

2）利用F1、F2临时密闭，避免构成全负压通风，成功逐段排放小面高浓度瓦斯。

3）通过观察T1、T2探头数据变化规律，及时调节水泵开启数量及风机风量，成功排水，且控制巷道高浓度瓦斯安全排放。火区安全启封及巷道高浓度瓦斯逐段安全排放，表明了火区信息的正确判断并验证了分段锁风技术的可行性。