近距离煤层群开采复合采空区火区综合治理技术实践

冯祥森,郭志斌,赵占军,章镇雄,骆 鑫

(1.山西中新唐山沟煤业有限责任公司,山西 大同 037000;2.安徽理工大学 安全科学与工程学院,安徽 淮南 232001)

煤炭自燃是煤矿重大灾害之一。据统计,在主要产煤省域中约有130个易自燃煤层,一旦发生采空区遗煤自燃,形成火区,往往不得不封闭工作面,对煤矿开采带来巨大影响,造成大量的资源浪费[1-3]。浅埋藏煤层采空区在发生煤炭自燃时,具有漏风复杂、高温点运移不规律、着火点难以判定等问题,为防灭火治理带来一定难度[4]。近距离煤层群开采时,因采空区空间大、漏风量多和监控检测技术有限等因素,一旦发生火灾,火势蔓延快,会形成多面积、多煤层采空区火灾[5]。因此,浅埋藏近距离煤层群开采采空区火区治理一直是矿井火灾防控的难点。

目前,国内最常见的火区治理方法有注氮注浆灭火、堵漏和三相泡沫等技术[6-8]。张立国等[9]采用钻孔注浆技术,何颜远等[10]采用注浆注氮、巷道填充等技术,喻建[11]采用钻孔注入三相泡沫及动态监测技术,孙秉成[12]采用灌浆、注凝胶及液氮等技术成功地治理了火区。由于采空区封闭后,启封复燃风险较大,大量学者进行了研究[13-14]。孙若山等[15]结合燃烧状态及气体采集判断技术提出启封准则,通过钻孔取样和火区气体体积分数等正确判断火区燃烧状态;朱起令[16]通过火区气体运移规律并结合耗氧速率,推断出火区启封时间;王海生[17]采用综合均压通风防灭火技术,改变风流分布,保证压差均衡,有效抑制了遗煤氧化和有害气体扩散,实现了火区安全启封。

综上所述,专家学者们通过封堵漏风、注氮降温和阻化等技术对矿井火区进行了有效防治。然而,现有文献主要集中于对单一煤层采空区的火区防治,但对于近距离煤层群开采导致的复合采空区火区启封前后系统性治理实践技术方法较少。本文以唐山沟煤矿83101工作面复合采空区火区治理实践为例,通过分析该工作面火区形成原因并凝练火区治理实践方法,探索近距离煤层群开采复合采空区火区启封前后防灭火治理技术,可为复合采空区火区治理技术实践提供参考。

1 工作面概况

唐山沟煤矿83101工作面位于13号煤层1301盘区,为盘区第一个回采工作面,煤层厚度为2.5～3.0 m,平均为2.8 m,该工作面长为930 m,宽为120 m.根据掘进回采时探测,工作面距离上覆12号煤层层间距仅为4.2～11 m,工作面内地质构造复杂,两巷道掘进时揭露断层共21条,为正断层及落差为0.4～2.0 m.此外,83101工作面上覆空区为12号煤层1123盘区8201工作面采空区,1123盘区共3个回采工作面;8201工作面为第一个回采工作面,工作面宽为150 m.83101工作面轨道巷与8201工作面轨道巷平面上相邻,83101工作面胶带巷位于8201工作面采空区下部,其与12号煤层工作面采用内错法布置,因采动影响,上下煤层容易串通,工作面的平面图如图1所示、剖面图如图2所示。

图1 83101工作面平面示意

图2 83101工作面剖面示意

2 采空区发火情况及成因分析

2.1 工作面采空区发火情况

2021年11月14日22时30分,在83101工作面回风巷10 m处测得CO体积分数为100×10-6,23时20分测得回风流中CO体积分数为300×10-6.随后从83101进风巷进行沿线检查CO体积分数,进风巷CO体积分数为0,进入工作面端头2架、3架时,支架后面发现少量明火,端头支架到30架之间CO体积分数为4×10-6,第30架后CO体积分数为60×10-6,工作面尾部CO体积分数为600×10-6.采空区疑似着火点区域如图1所示。根据《煤矿防灭火细则》第九十二条和九十六条[18],通过火区实际情况选择灭火方法,灭火过程中应注意风量和气体体积分数等变化。因此,现场工作人员于11月14日明确气体体积分数及着火点位置区间范围后,随即进行喷水、注氮灭火,有效抑制煤自燃火灾蔓延,实现对83101采空区成功封闭。

2.2 采空区发火成因

2) 漏风供氧量充足。近距离煤层开采下,83101工作面与8201老空区贯通形成漏风通道。83101工作面和83102轨道巷位于8201采空区的下方,上下层间距3.8～13.4 m,平均8.6 m,煤层的层间距小,83101采空区和83102轨道之间有煤柱,受采动影响,煤柱内生成大量裂隙,致使轨道巷风流漏向采空区,采空区内供氧环境良好。

3) 氧化蓄热时间充足。83101工作面回采期间,受地质构造影响,工作面回采速度较慢,本煤层及上部采空区内破碎遗煤长期处于氧化带,持续氧化,最终导致遗煤自燃。

3 火区启封防灭火技术及效果分析

3.1 启封前防灭火治理

3.1.1 启封前治理方法

采用持续注氮、漏风堵漏降低采空区氧气体积分数;通过采空区全覆盖式钻孔注浆持续隔氧、降温实现采空区遗煤的整体自燃防治;通过对着火区域的高温遗煤强化注浆,实现区域隔断,避免了自燃高温的扩散蔓延。

1) 注氮惰化技术。根据《煤矿防灭火细则》第六十九条,已封闭采空区采用惰性气体防火时,以采空区内氧体积分数降到煤自燃临界氧体积分数以下为止计算[19]。工作面封闭期间,向83101工作面采空区24 h持续注氮惰化,尽可能降低采空区氧气体积分数,抑制遗煤氧化蔓延。

2) 漏风封堵技术。漏风是治理自燃的关键,根据《煤矿防灭火细则》第七十一条,当进行惰性气体防火时,应采用堵漏措施降低防火漏风量[19]。因此,在封闭期间逐一排查12煤和13煤密闭、巷道及煤柱等隐患漏风点,对排查出的漏风区域进行喷浆封堵处理。此外,工作面进风巷采空区架棚支护,悬顶空间大,漏风通道畅通,进风侧采空区漏风隐患大,故首先采用防灭火材料向进风隅角进行充填封堵,随后对进回风隅角后采空区大面积悬顶空间进行充填。

3) 隔氧降温技术。由于封闭工作面采空区漏风通道复杂,且存在高温遗煤,堵漏和注氮惰化的情况无法完全控制采空区氧气体积分数,实现高温遗煤区域的降温效果,故进一步对采空区采取注浆隔氧、降温治理。防灭火钻孔从83102轨道巷穿煤柱向83101采空区上部布置,钻孔采用“全面覆盖,重点布置”的方式,钻孔从倾向上进入采空区距离为5 m、14 m、23 m、30 m.形成40 m×40 m的钻孔辐射范围,钻孔布置如图3所示。在采空区全面覆盖的前提下,针对高温钻孔进行重点注浆治理,注浆时间为5月5日至6月3日,注浆量为146 t,注浆前后,持续检测钻孔内气体变化情况。

图3 采空区注浆钻孔布置

3.1.2 启封前治理效果

采用自适应变异算子，根据各代路径离散程度，动态调整变异概率。以相应概率选择个体某一路径点，随机搜索坐标点进行替换来作为新个体路径。其自适应调整公式为

对检测钻孔内的CO体积分数进行动态监测,其中83101工作面两巷闭墙内均未检测到CO体积分数,各检测孔CO体积分数变化如图4所示。

图4 启封前钻孔CO体积分数变化

从图4可以看出,在治理后,各检测孔中CO体积分数急剧下降,最后趋于0×10-6,以12煤检测孔为例,治理前CO体积分数最高达到1 000×10-6以上,注浆后CO体积分数急剧下降趋于0.该现象说明,采取上述治理措施后,采空区温度和气体体积分数得到有效控制,火区在封闭期间的治理效果良好。

3.2 启封后防灭火治理

采空区CO趋于0×10-6后,于6月4日开始对工作面全面启封,通过现场观察,采空区漏风基本封堵密实。为减少采空区漏风,降低采空区火区复燃危险性,并防止上覆采空区有害气体的下泄,启封后采用以均压和强化注浆为主的综合防灭火技术。

3.2.1 均压防灭火技术

1) 启封后存在的问题。回采期间采空区遗煤氧化风险极大。工作面启封后回采进度受影响较大,且回采不足2 m/d,原火区位置已发生氧化自燃的遗煤处于氧化带的时间已远超自然发火期,慢采条件下该部分遗煤无法快速进入窒息带,导致复燃风险较大。且83101工作面采空区与83102轨道巷存在明显的压差,多源漏风影响下,采空区遗煤复燃风险再度增加。

2) 均压防灭火理论及应用。均压防灭火主要通过风机和风窗等设备对矿井下不同风流汇散处进行调控,改变漏风区域压差,调节风量大小,控制风流流向,减小采空区供风量,达到抑制遗煤自燃的目的[19]。使用均压通风技术,需要明确火区存在的特点及漏风区域,选择合理的调节风窗、风机的安装位置,避免影响人员流动、运料等情况。

目前,均压风控技术分类主要有以下几种[20]:①设置调节风门均压法:对采空区漏风进行控制,平衡漏风区域两端压差;②设置风机均压法:设置局部通风机通过风筒连接至工作面,实现正压通风;③综合均压法:进风巷使用风机,回风巷使用风门,实现均压。

根据现场实际情况,采用风机和风门组合形式进行均压防控。在83101胶带巷内距巷口20 m处施工一道调节风门,在胶带巷内安装2台(一主一备)自动切换压入式对旋轴流式局部通风机,用于为工作面均压通风系统供风。在83101胶带巷巷口与回风绕道之间构筑2道均压风门,在回风巷绕道以里砌筑2道调节风门。具体布置如图5所示。

图5 工作面均压系统布置示意

均压通风后,工作面进风风量控制在400 m3/min左右,工作面胶带巷压差控制在470 Pa左右,轨道巷压差约490 Pa,通过比较,相比均压措施前,83101工作面总体能位提高了280 Pa,有效减少了本煤层工作面与上覆采空区之间的能位差,根据工作面监测数据结果,在均压风控措施下,启封后工作面内未出现CO,均压措施有效抑制了上覆采空区有害气体的下泄。

3.2.2 火区强化注浆快速防灭火技术

均压过程中对83102轨道巷检测孔内气体体积分数和温度进行了动态监测,根据对83102轨道巷检测孔内CO体积分数及温度动态监测结果,得到检测孔CO体积分数及温度分布曲线,见图6和图7.

图6 启封后钻孔CO体积分数变化

图7 采空区启封后钻孔温度变化

从图6和图7可以看出,从6月13日起,83102轨道巷2-1、3-1孔内CO异常升高, 1-1孔内的温度最高在500 ℃以上,2-1孔内的温度最高在120 ℃以上。从采空区CO体积分数和温度升高趋势来看,启封后原火区位置遗煤出现复燃征兆,这是由于工作面复采后,推进速度过慢,从6月4日启封到6月13日仅推进10 m,原有火区遗煤长期处于氧化带内,持续氧化升温所致。

根据气体体积分数及温度变化,判断复燃区域应在1组观测孔与2组观测孔附近,现场于6月14日对1组和2组钻孔进行强化注浆,并在1-1孔的左右两侧,补打2个钻孔,于6月19日使用防灭火材料进行针对性注浆降温。采空区高温点注浆孔布置及探测孔布置如图8所示。

图8 工作面均压系统布置示意

3.2.3 启封后治理效果分析

从图6和图7中治理前后的气体体积分数及温度变化可知,工作面启封后的采空区高温点得到有效控制,CO体积分数大幅度降低。随着工作面持续回采过程中,各探测钻孔内气体及温度正常,当工作面回采至停采线后,通过逐步实施降压及气体观测,工作面内无异常情况,最终停止均压通风措施,恢复全负压通风。全负压通风条件下,从7月17日开始,工作面内一直没有检测到CO体积分数,采空区煤自燃控制效果良好。

4 结 语

通过对83101工作面采空区发火情况进行分析,得出采空区发火原因是进风侧及上覆12号煤层采空区留有大量遗煤,而且与上覆采空区存在相互贯通漏风所致;提出复合采空区火区综合治理技术,工作面启封前进行注氮、堵漏及注浆,有效控制了采空区的气体体积分数及温度;工作面启封后,采用均压控风及采空区强化注浆综合技术,有效制止了原有火区复燃,保证了近距离煤层下部工作面在慢采条件下的安全复采。