马道头煤矿小煤柱裂隙带自燃机理及防治技术

＊李本一 万敏中

（晋能控股煤业马道头煤矿 山西 037100）

前言

马道头煤矿8211面小煤柱开采，工作面矿压较大，工作面煤柱有很多裂隙与老采空区导通，小煤柱与邻近采空区漏风后极易自然发火，怎样防止这些煤柱裂隙带的自然发火，是工作面能否安全采出的关键。

1.煤柱裂隙带自然发火机理

马道头煤矿8211工作面开采特厚煤层，综采放顶煤开采，工作面倾斜长度230m，走向长度2100m，煤层厚度为15m，U型通风，工作面风量为2100m3/min，开采煤层为Ⅱ类自然发火煤层，其最短发火期为52天，采用小煤柱开采。小煤柱开采的工作面比一般煤柱开采的工作面更容易自然发火，其自然发火的原因为：小煤柱在矿压的作用下，产生的裂隙比普通煤柱产生的裂隙更多，工作面顺槽的风流更容易渗漏到邻近采空区，使煤柱本身与邻近采空区的煤层均易氧化自然发火。煤柱裂隙与相邻老采空区的一部分形成了煤柱裂隙带，煤柱裂隙带范围很大，其范围可达到数十米，这样大的范围怎样注氮、注浆，是防火的难题。小煤柱与邻近老采空区自然发火的原因是煤层裂隙漏风氧化，并不是漏风经过的所有地点都能引起煤层氧化自然发火，只有煤层的氧浓度在7%～18%之间时，煤层既有氧化条件，又有聚热条件时，煤层才会自然发火。

因此推断小煤柱裂隙带存在自然发火冷却带、氧化带和窒息带。考察小煤柱裂隙带的自然发火三带，能让我们在工作中排除很大的盲目性，能更精准地采取有效的防灭火技术，节省资金、时间，同时能取得极佳的防治小煤柱裂隙带自然发火效果。

2.小煤柱裂隙带自然发火三带测试

(1)考察方法

图1 煤柱裂隙带自然发火三带考察布置

考察方法为：在8211面顺槽选择一段压力比较大、裂隙较多的巷道，通过煤柱向邻近250101采面采空区打钻孔测温、测气，其钻孔布置如下：

①在巷道向煤柱施工1个水平钻孔，钻孔长度以打透煤柱为准，将φ25mm钢管加工成花管并插入钻孔内至孔底，钢管内插束管单管和热敏电阻，插入时每隔0.3m～0.6m测试一次钻孔中的温度和气体。

②向250101采面采空区施工1个钻孔，钻孔打透煤柱后，钻杆每打进1m，就向钻杆中插入束管单管用抽气泵抽气测气1次，一直测到钻孔中氧浓度小于7%为止。所有钻孔均用便携式火灾监测装置监测温度和氧浓度。

(2)考察结果

煤柱裂隙带自然发火三带测试结果如图2所示，从图2中可以看出：巷道与采空区导通后，导通点进入煤柱1m内的氧浓度高于18%，为冷却带；煤柱内1m至采空区内22m内范围的氧气浓度处于7%～18%之间，为氧化带，采空区22m以里氧浓度低于7%，为窒息带。

图2 巷道与邻近采空区导通后煤柱裂隙带氧浓度分布图

3.8211工作面煤柱裂隙带氧化状况

8211工作面推进150m后，工作面回风顺槽风流中出现了CO气体，其浓度为1.5×10-5mg/m3，在风流中出现CO气体，说明工作面有剧烈氧化的地方，根据对工作面有关地点CO气体的测试，工作面上隅角没有出现CO气体，说明采空区没有问题，出现CO的地点从工作面前方回风顺槽50m处开始，然后风流中均有CO气体，说明在工作面前方50m处的巷道有煤层剧烈氧化。经对此处巷道检查，这段巷道有20m长的地方压力很大，煤柱裂隙带发育，然后从煤柱打钻到邻近采空区测试气体，其CO气体浓度达到30×10-5mg/m3，说明是煤柱裂隙带引起煤柱和邻近采空区漏风氧化产生CO气体。

4.治理煤柱裂隙带剧烈氧化技术

(1)治理煤柱裂隙带剧烈氧化总体思路

工作面前方50m处的回顺煤柱裂隙带出现剧烈氧化，必须迅速治理，否则工作面推进到此处后，加剧漏风氧化，有可能出现明火。煤柱裂隙带发生剧烈氧化后，由于邻近采空区范围较大，高温点不明，如果只采取注灭火材料，治理所有高温浮煤不仅时间长，而且不易将全部高煤炭均包裹降温。为此，对煤柱裂隙带一方面采取注氮降氧法，迅速降低其氧浓度，抑制煤层的剧烈氧化，另一方面根据对煤柱裂隙带自然发火三带测试的范围，对煤柱裂隙带的氧化带采取注防灭火材料降温、阻化，彻底扑灭煤柱裂隙带浮煤高温点。

(2)对煤柱裂隙带注氮气降氧

煤柱裂隙带注氮气防火方法如图3所示：沿20m长的煤柱裂隙带布置钻孔4个，钻孔间距5m，钻孔以打透到煤柱进入采空区为准。由于煤柱裂隙带较多，钻孔下套管难度较大，因此采取不拔钻杆直接利用此钻杆注氮气的方法。为了观察注氮期间煤柱裂隙带气体的变化，在煤柱裂隙带巷道的出风口布置1个取气钻孔。

图3 煤柱裂隙带注氮气示意图

煤柱裂隙带注氮气流量计算如下：

根据氧含量计算防火注氮流量：

式中：

Q0—煤柱裂隙带漏风量，工作面风量为2000m3/min，取20m3/min；

C1—煤柱裂隙带平均氧含量，取15%；

C2—煤柱裂隙带氧化带防火惰化指标，取7%；

Cn—注氮防火时氮气纯度，取98%；

k—输氮管路损失系数，为1.1～1.2，取1.1；

r—煤层自然发火性，工作面煤层为Ⅰ类易自燃煤层，取1.1。

根据计算，煤柱裂隙带注氮降氧所需注氮流量为2200m3/h。

注氮气的方法为：地面3000m3/h制氮机实际产气量为2200m3/h，纯度为98%的氮气，制氮机生产的氮气经φ150mm输送氮气钢管输送到巷道煤柱裂隙带钻孔，再注入煤柱裂隙带。2019年6月6日早班开始向煤柱裂隙带注氮气，仅4天时间就将煤柱裂隙带氧气浓度由11%下降为5.5%，基本抑制了煤柱裂隙带的氧化，由于巷道裂隙多，因此一方面继续注氮，另一方面向煤柱裂隙带注胶凝胶灭火材料堵漏风、降温，彻底扑灭高温点。

(3)煤柱裂隙带注胶凝胶

①胶凝剂防灭火机理

胶凝剂经钻孔注入煤柱裂隙带后，在煤柱裂隙带形成1个隔绝带，一方面可以减少煤柱裂隙带对邻近采空区的漏风，另一方面防灭火材料对采空区高温浮煤起阻化和降温作用，彻底扑灭高温点。矿用防灭火胶凝剂属高分子有机材料，绿色环保无污染，无毒无腐蚀性，不会对人体造成伤害。它的作用原理是：将产品掺入水中后，产品分子与水分子等互相连接、交联，形成空间网状结构，结构空隙中充满水等分散介质，形成一种特殊的胶体，故称之为胶凝剂。

②注胶凝剂用量计算及方法

注胶凝剂量计算如下：

式中：

S—煤柱裂隙带氧化带长度，为22m；

L—煤柱裂隙带宽度，为30m；

H—煤柱裂隙带浮煤高度，为6m；

K—煤柱裂隙带孔隙率，为0.2；

C—胶凝剂浆液浓度，为2%。

将以上数据代入上式，计算出需胶凝剂15t。

注胶凝剂方法为：沿20m长的煤柱煤柱裂隙带布置钻孔3个，钻孔孔距为7m，根据对煤柱裂隙带自然发火三带的测试，煤柱裂隙带氧化带范围为煤柱至采空区1m～22m的范围，因此将钻孔打入氧化带的中部，钻孔的长度为煤柱裂隙带氧化带的一半（11m）加上煤柱裂隙带冷却带长度（1m），共计12m。由于用普通钻杆打钻，钻杆拔出后很快塌孔，因此采用大直径钻杆和钻头打钻，钻杆和钻头打入采空区内10m后不拔钻杆，直接用大直径钻杆注胶凝剂浆液。大直径一次性钻杆的外径为φ73mm，内径为φ65mm，其注浆流量可达到30m3/h。采用螺杆式井下移动式注浆系统向钻孔注胶凝剂，该设备有两个搅拌机轮流搅拌。注胶凝剂时的具体步骤为：分别向两个搅拌器放入0.5～1袋胶凝剂防灭火材料搅拌，两个搅拌器轮流向注浆泵供应2%～3%浓度的胶凝剂溶液，连续向煤柱裂隙带注入胶凝剂防灭火材料。

5.治理煤柱裂隙带剧烈氧化效果

连续向煤柱裂隙带注入氮气13天，共计注入氮气528000m3，连续向煤柱裂隙带注入胶凝剂5天，共计注入胶凝剂15t,经过这两项措施的综合治理，有效地治理了煤柱裂隙带煤层的剧烈氧化，其治理效果如图4所示：

图4 裂隙带目标注氮及注凝胶期间CO变化图

①煤柱裂隙带经过综合治理后，其CO气体由最高30×10-5mg/m3降为0.1×10-5mg/m3，表明煤柱裂隙带煤层的剧烈氧化已经被彻底治理。

②裂隙带里的氧化带范围由22m全部变为窒息带，表明裂隙带所有浮煤均不会氧化自然发火。

③保障了8211工作面安全推过了这段剧烈氧化的煤柱裂隙带，目前工作面已经安全采完封闭。

6.结论

（1）小煤柱裂隙带由煤柱裂隙与邻近采空区的一部分组成，煤柱裂隙带易自然发火的原因为煤柱裂隙带也存在自然发火的三带，其氧化带浮煤长期氧化和聚热，从而发展为高温和明火。

（2）通过向煤柱裂隙带打钻测试煤柱裂隙带不同距离的氧浓度分布，划分出煤柱裂隙带的自然发火三带为：导通点进入煤柱1m内的氧浓度高于18%，为冷却带；煤柱内1m至采空区内22m内范围的氧气浓度处于7%～18%之间，为氧化带，采空区22m以里氧浓度低于7%，为窒息带。

（3）煤柱裂隙带剧烈氧化后，采取向煤柱裂隙带打钻孔注入流量为1100m3/h氮气，能迅速将煤柱裂隙带的氧气浓度降到5.5%，抑制煤柱裂隙带煤层的剧烈氧化。向煤柱裂隙带打钻孔注胶凝剂，能对煤柱裂隙带起到堵漏和降温的作用。

（4）经过对马道头煤矿8211工作面煤柱裂隙带采取注氮、注胶凝剂等综合措施的治理，将煤柱裂隙带的CO气体由0.03%降为0.001%，彻底治理了煤柱裂隙带煤层的剧烈氧化，保障了工作面安全。