高瓦斯易自燃综放工作面停采期抑爆防灭火技术

沈 鑫，闫万俊，何启林，李金亮，陆 伟

（1.安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽淮南 232001；2.山西汾西中兴煤业有限责任公司中兴煤矿，山西吕梁 030599）

高瓦斯矿井发生火灾后，容易产生瓦斯与火共存的现象，且易导致在矿井灭火与救灾过程中易发生爆炸事故，对矿井安全生产构成了严重威胁。据统计我国煤矿爆炸事故有近60%是发生在高瓦斯自燃煤层中，死亡人数约占煤矿事故总死亡人数的50%[1-2]。国内对于煤炭自燃防治或瓦斯治理技术比较成熟，常规的防灭火措施有均压通风、注氮惰化、喷洒阻化剂等[3-7]。针对瓦斯防治技术，研发了高低位抽巷抽采、顺层钻孔抽采、采空区埋管抽采等瓦斯治理技术[8-11]。但是上述治理技术主要是针对单方面的治理，而针对瓦斯与火共存条件下的治理技术较少。董强[12]等针对综放开采中瓦斯抽采同自然发火防治互相矛盾的难题，提出了上隅角埋管抽采瓦斯与筛管注氮防治遗煤自燃的共治方法；程建圣[13]采取了交错钻孔抽采瓦斯、回风巷施工高位钻孔、采空区埋管抽采、均压通风等综合治理技术；李修磊[14]等通过研究鹿洼煤矿4301 煤层上覆采空区瓦斯赋存、煤自燃特点，选择采用喷浆、注胶封堵防灭火，封堵-排放-稀释防治瓦斯，取得了显著的瓦斯与火共存治理效果。但是上述研究成果未考虑工作面停采期间如何防治瓦斯与火共存的问题，为此以中兴矿1413 综采工作面停采期间发火为研究对象，提出了“网状监测+注氮+调压+阻漏+降温”综合抑爆防灭火技术，确保高瓦斯工作面停采期间采空区灭火工作的安全进行。

1 工作面概况

中兴煤矿1413 综放工作面位于中兴矿4#煤层，工作面可采走向长度1 470 m，倾向长度180 m，4#煤层倾角为2°～10°，平均厚度1.6～2.3 m，含夹矸1～2 层，煤类以中灰、低中硫的瘦煤、焦煤为主，经山西省煤炭工业局鉴定，4#煤层的自燃倾向等级为II类，煤尘具有爆炸性，最短自然发火期为84 d。1413工作面采用“Y”型通风系统，巷道布置为一面四巷：高抽巷断裂带抽采；材料巷为主进风巷，风量1 100 m3/min；运输巷辅助进风，风量为500 m3/min；沿空留巷回风，风量为2 000 m3/min，回风流中瓦斯体积分数为0.45%，回采后期因瓦斯涌出量减小，调整回风量为1 500 m3/min，瓦斯体积分数为0.35%，停采后调整回风量为892 m3/min，瓦斯体积分数为0.2%。调整回风量11 d 后，采空区瓦斯抽采支管管路内CO 传感器报警，CO 体积分数为48×10-6，次日在留墙末端预埋孔内检测到CO 体积分数为2 200×10-6，C2H6体积分数为106.2×10-6，表明采空区内已经发生遗煤自燃。

2 煤自燃原因分析

1）采空区遗煤堆积。工作面与上部煤层的平均间距为2.7 m，上部煤层煤体易垮落至采空区，随着回采工作的进行，部分采空区上部煤层煤体发生垮落，这些浮煤暴露在氧化升温带中发生氧化，导致采空区出现CO 超限现象。

2）采空区漏风严重。工作面沿空留巷壁面采用柔模作为支护材料，柔模材料抗变形能力低，支护受力不均匀，顶板压力较大，沿空留巷壁面上帮煤壁容易产生裂隙形成漏风通道；施工高抽巷导致沿空留巷周围煤岩体破碎容易漏风，且高抽巷工作形成的风向刚好和回风相反，两者共同作用使得采空区内部风流紊乱，加剧了工作面漏风。

3）瓦斯抽采负压较高。过高的负压使得抽采口附近风流运移加快，通过抽采钻孔周边裂隙形成多方位漏风，由于煤层裂隙通道两侧存在温度差、能位差，促进了对流传热，浮煤氧化后无法散热，热量累积提高了周围煤体温度，而较高温度又催化了采空区遗煤氧化，形成恶性循环，最终致使采空区发火。

3 瓦斯环境下抑爆与灭火技术

为了保证1413 工作面采空区灭火工程安全进行，需要在采空区布置走向、倾向相结合的网状测温测气系统，能大范围、多层次实时监测采空区温度和气体体积分数，确定火区大致范围与变化趋势，在此基础上，采取“注氮+调压+阻漏”抑爆技术，技术路线如图1。

图1 技术路线图Fig.1 Technology roadmap

3.1 网状测温测气系统监测火区

中兴煤业井下束管监测系统利用沿空留巷瓦斯抽采管和施工平行于开切眼埋入采空区测温与抽气束管，每隔20 m 放置1 根束管头与测温探头，用于监测采空区温度和气体体积分数；从开切眼每个抽采瓦斯管内放置1 根单芯束管与测温探头，抽采瓦斯管间距为20 m，形成火区周围走向与倾向结合的多方位网状测温测气监测系统，束管用φ25～φ50 mm 钢管加以保护，防止损坏，束管测定由实验室每3 d 取样分析，1413 网状束管监测系统图如图2。

图2 1413 网状束管监测系统图Fig.2 Diagram of 1413 mesh beam tube monitoring system

3.2 注氮降氧惰化

在处理高瓦斯区煤炭自燃过程中，选取φ（O2）≤8%作为火区环境中安全灭火的关键指标，由于采空区气体中检测到C2H6体积分数为106.2×10-6，将3.75%≤φ（CH4）≤15.45%作为瓦斯爆炸的参考指标[15]。1413 工作面采取注氮惰化火区进行灭火和抑爆，2 台井下移动制氮机安装在东轨道大巷，注氮时选取1413 沿空留巷4 个瓦斯抽采预埋孔为注氮点，工作面采空区注氮布置图如图3。

图3 工作面采空区注氮布置图Fig.3 Nitrogen injection layout in goaf of working face

连续注氮12 h 后，通过束管测得火区周围φ（O2）<5%，采空区向里10～30 m 范围内φ（O2）为5%～8%，通过网状测温测气系统选取5 个探头，注氮惰化后火区由爆炸危险区转变为贫氧不爆区，处于失爆状态。注氮前后爆炸三角形分析图如图4。

图4 注氮前后爆炸三角形分析图Fig.4 Analysis of the explosion triangle before and after nitrogen injection

3.3 调压系统降低采空区漏风压差

1413 工作面采取均压措施以减少采空区漏风，在1413 回风巷处布置调节风门，在1413 进风巷道密闭墙处建立1 个连通管调压气室，另外2 个连通管调压气室分别布置在1413 工作面和采空区高抽巷封闭口，均压密闭气室结构图如图5，均压气室位置布置图如图6。

图5 均压密闭气室结构图Fig.5 Structure diagram of the equalizing air chamber

图6 均压气室位置布置图Fig.6 Position layout diagram of equalizing air chamber

通过测压管测出采空区压力h3、巷道压力h2、气室与采空区压差h1，通过调压管尽量使采空区内外压力相等，即使h3=h2+h1实现均压。通过“连通管+调节气室”方法，实现调节气室密闭墙内外压差小于15 Pa，大大减小采空区漏风压差。结合3 个气室的结果测出工作面能位差为305 Pa，根据瓦斯涌出量计算出材料巷和运输巷的配风量为539、328 m3/min，通过调节风门改变风量后工作面能位差降至173 Pa，说明工作面的均压防漏风措施效果明显。

3.4 喷浆注浆堵漏

为了增加漏风风阻，在沿空留巷内靠近1413 侧巷壁进行壁面喷浆（水泥砂浆+化学添加剂），喷浆厚度在0.8 m 左右，且清理和喷浆过程中检测巷道内气体情况。待采空区留墙喷浆工作完成后通过1413 材料巷密闭措施孔及1413 材料巷留墙预埋孔分别对1413 终采线附近采空区内由里向外进行全面注浆（粉煤灰），工作面喷浆注浆示意图如图7。

图7 工作面喷浆注浆示意图Fig.7 Sketch map of working face shotcreting

3.5 注高固水吸能灭火胶体

为了进行采空区火源进行扑灭工作，从开切眼向工作面方向260 m 范围内向采空区注高固水吸能灭火胶体，在留墙埋管上方0.5 m 处施工1 排共13 个高位钻孔，钻孔终孔位于距工作面底板上方3.1 m 的垮落带区域，水平间距20 m；施工第2、第3排钻孔，每排钻孔终孔高度向下平移0.6 m，这2 排钻孔位于遗煤中，注胶钻孔布置和胶体充填示意图如图8。

图8 注胶钻孔布置和胶体充填示意图Fig.8 Schematic diagram of glue injection drilling layout and glue filling

由于垮落矸石与采空区遗煤都比较破碎，每个钻孔施工完毕后，立即下金属花管，用注浆泵，通过软管与钻孔花管将高效固水强塑性防灭火胶体压注到着火区域，直到灭火胶体从钻孔溢出，确保所有煤的孔洞与裂隙都被充填，并有效包裹火源，隔断着火煤体与O2接触，通过化学反应、失结晶水和熔化持续着火煤体降温。

3.6 应用效果

1413 采空区累计注氮量为8.76×106m3、累计注浆量1.24×105m3，通过网状测温测气系统测点测定，采空区内CH4、O2体积分数均不高于5%，CO 体积分数为0，温度均低于25 ℃，且以上数据已持续1个月以上，火区周围钻孔气体温度情况分布图如图9。

图9 火区周围钻孔气体温度情况分布图Fig.9 Distribution of borehole gas temperature around the fire area

4 结 语

1）针对瓦斯环境下火区治理问题，布置了网状测温测气系统，结合走向和倾向实时监测不同深度下采空区的温度和气体体积分数变化情况，扩大了监控范围，提高了监测密度；提出了“注氮+调压+阻漏”综合降氧抑爆措施，以及高位钻孔注胶降温防灭火技术，较好完成了工作面停采期间在瓦斯环境下采空区先抑爆后灭火工作，杜绝了瓦斯与火共存复合灾害的出现。

2）实施上述技术措施后，1413 工作面没有再次出现瓦斯超限或熄灭火区复燃事故，停采的邻近工作面也恢复正常回采，避免了矿井接替计划的变更和沿空留巷及其它巷道的维护问题。