王海清 龐葉青

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西省大同市,037003)

近距離煤層開采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)的研究與應(yīng)用

王海清 龐葉青

(大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西省大同市,037003)

以同煤集團(tuán)煤峪口礦14＃煤層410盤區(qū)81006綜采工作面為例,對(duì)近距離煤層開采期間瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)進(jìn)行探討。分析了煤自燃和瓦斯爆炸共生造成復(fù)合型災(zāi)害的威脅。通過采取巷道封閉抽放、穿層鉆孔抽放的瓦斯治理措施和采空區(qū)注氮、鄰近工作面注漿一體化火災(zāi)防治技術(shù),81006工作面正常生產(chǎn)期間上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.8%以下、CO濃度在0.001%左右,上覆采空區(qū)內(nèi)CO濃度保持在0.005%以下,氧氣濃度保持在3%～7%左右。

近距離煤層 瓦斯 內(nèi)因火災(zāi) 復(fù)合型災(zāi)害 災(zāi)害防治技術(shù)

煤炭開采過程中,瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)共存很容易引起瓦斯爆炸,導(dǎo)致特別重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。采空區(qū)存在破碎煤體、CH4濃度場、O2濃度場和氧化溫度場。當(dāng)遺煤、O2濃度場和氧化溫度場相互作用達(dá)到一定條件會(huì)產(chǎn)生煤炭自燃;當(dāng)CH4濃度場、O2濃度場和氧化溫度場相互作用達(dá)到一定條件會(huì)產(chǎn)生瓦斯爆炸。尤其近距離煤層開采過程中,由于上下煤層間距較小,煤層開采時(shí)受采動(dòng)影響比較大,在下部煤層開采過程中,受礦壓影響,下部煤層頂部巖體垮落產(chǎn)生大量裂隙,使得冒落帶和裂隙帶中的裂隙成為空氣滲流的主要通道。當(dāng)穿層鉆孔抽采上覆采空區(qū)瓦斯,在抽采負(fù)壓的作用下大量空氣被引入上覆采空區(qū)中,漏風(fēng)通道或采空區(qū)遺煤氧化蓄熱,存在煤自燃和瓦斯爆炸共生的潛在威脅,造成復(fù)合型災(zāi)害。本文以同煤集團(tuán)煤峪口礦14＃煤層410盤區(qū)81006綜采工作面為例,對(duì)近距離煤層開采期間瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)進(jìn)行探討。

1 礦井概況

煤峪口礦是高瓦斯礦井,煤層為易自燃煤層,自然發(fā)火期短,內(nèi)因火災(zāi)隱患較為嚴(yán)重。11＃煤層與12＃煤層在410盤區(qū)合并,煤層平均厚度8 m。14＃煤層平均厚度2.11 m,距12＃煤層平均距離6.83 m。11＃、12＃煤層合并層410盤區(qū)7個(gè)工作面全部回采結(jié)束已封閉?，F(xiàn)開采的14＃煤層410盤區(qū)81006工作面上部對(duì)應(yīng)11＃、12＃煤層合并層81004工作面和81006工作面。

2 災(zāi)害原因分析

煤峪口礦410盤區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量為13.32 m3/min。11＃、12＃煤層合并層上部無采空區(qū),絕對(duì)瓦斯涌出量為8.55 m3/min,14＃煤層絕對(duì)瓦斯涌出量為4.77 m3/min。通過對(duì)14＃煤層81006工作面上覆層采空區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行取樣分析,瓦斯?jié)舛仍?7.8%～30.4%,瓦斯總積存量約為207925 m3,因此判斷14＃煤層瓦斯主要來源于11＃和12＃煤層。

11＃、12＃煤層合并層與14＃煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ級(jí),自燃傾向性為容易自燃;11＃、12＃煤層合并層和14＃煤層最短自然發(fā)火期分別為38 d和32 d。內(nèi)因火災(zāi)發(fā)火隱患主要有:

(1)采空區(qū)內(nèi)遺煤充足,按100 m內(nèi)遺煤積存量計(jì)算,11＃、12＃煤層合并層采空區(qū)內(nèi)約有2.3萬t遺煤,14＃煤層采空區(qū)內(nèi)約有0.03萬t遺煤;

(2)漏風(fēng)通道通暢,由于煤層間距近,隨著14＃煤層的開采,兩層采空區(qū)必然塌通形成漏風(fēng)通道,特別是由14＃煤層對(duì)上覆采空區(qū)抽放瓦斯,在上、下層采空區(qū)塌通后,更是形成了由14＃煤層采空區(qū)→11＃、12＃煤層合并層采空區(qū)→抽放管路的漏風(fēng)通道;

(3)過斷層時(shí)回采周期變長,在斷層區(qū)煤層局部變薄,為0.1～1.5 m,長度約70 m,開采困難、時(shí)間變長,不利于防火。

綜上所述,410盤區(qū)存在瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)復(fù)合型災(zāi)害隱患,為防止410盤區(qū)開拓開采期間發(fā)生瓦斯和內(nèi)因火災(zāi)事故,需積極采取措施進(jìn)行防治。

3 以抽為主的瓦斯治理措施

通過以上分析,14＃煤層410盤區(qū)開采過程中,危及綜采工作面安全生產(chǎn)的瓦斯主要來源于近距離上覆采空區(qū),所以針對(duì)瓦斯的來源,采取對(duì)上覆鄰近層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽放。主要采取采前巷道封閉抽放和生產(chǎn)時(shí)穿層鉆孔采空區(qū)抽放兩種抽放方法。

3.1 采前巷道封閉抽放

81006工作面進(jìn)、回風(fēng)巷掘進(jìn)到位后在巷內(nèi)鋪設(shè)抽放管路,然后將其封閉,對(duì)上層采空區(qū)內(nèi)裂隙滲透、擴(kuò)散的瓦斯進(jìn)行抽放,直到回采時(shí)為止。工作面回采前6個(gè)月采用該方法抽放,抽放濃度1.9%,流量80 m3/min。該方法經(jīng)濟(jì)效益顯著、抽放效果明顯,大大降低了上覆采空區(qū)內(nèi)瓦斯對(duì)下部綜采工作面生產(chǎn)的威脅。巷道封閉抽放如圖1所示。

圖1 巷道封閉抽放示意圖

3.2 上覆采空區(qū)鉆孔抽放

81006工作面回采期間對(duì)上覆層超前短抽。工作面準(zhǔn)備開始回采前,在回風(fēng)巷內(nèi)每隔200 m布置一組鉆場,施工12～15個(gè)穿層高位抽放孔,超前對(duì)本工作面上覆采空區(qū)內(nèi)的瓦斯預(yù)抽,以減少上層采空區(qū)內(nèi)瓦斯賦存量,降低兩層塌通后上層采空區(qū)下泄的瓦斯?jié)舛?。?1006回風(fēng)巷距工作面切巷200 m、400 m、600 m、800 m處施工穿層鉆孔抽放上部11＃、12＃煤層合并層采空區(qū)瓦斯,每個(gè)鉆場施工鉆孔數(shù)量12個(gè),鉆孔傾角20°,孔徑108 mm,鉆孔長度30 m。4個(gè)鉆場分時(shí)間段抽放,抽放流量60 m3/min,抽放瓦斯?jié)舛?.5%左右。抽放管理簡單,聯(lián)網(wǎng)抽放管路定期可進(jìn)行回收、經(jīng)濟(jì)效益顯著,近距離穿層鉆孔成孔率高,大大降低了81006工作面回采期間上隅角瓦斯的濃度,使上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.8%以下。穿層鉆孔抽放如圖2所示。

圖2 穿層鉆孔抽放示意圖

4 注－堵一體化火災(zāi)防治技術(shù)

由于11＃、12＃煤層合并層的工作面為綜放開采,采空區(qū)遺煤相對(duì)較多,又由于對(duì)上層采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放,在抽放條件下增加了采空區(qū)的漏風(fēng)量,也加劇了采空區(qū)煤炭自燃的危險(xiǎn)性。針對(duì)上述原因,為了有效防治采空區(qū)煤炭自燃,提出了注－堵一體化的綜合防滅火技術(shù)。

4.1 回采期間采空區(qū)注氮

回采81006工作面時(shí),在相鄰工作面回風(fēng)巷51008巷內(nèi)鋪設(shè)注氮管路,由51008巷向11＃、12＃煤層合并層21006巷(采空區(qū))打注氮孔,利用礦井注氮系統(tǒng)對(duì)81006工作面采空區(qū)注氮。鉆孔直徑為108 mm,首孔布置在81006切巷0 m,之后,每隔100 m布置1個(gè)鉆場,每個(gè)鉆場施工3個(gè)鉆孔,81006工作面采過75 m時(shí)開始注氮。一方面利用氮?dú)庖种泼簩拥淖匀?另一方面利用氮?dú)饨档筒煽諈^(qū)瓦斯?jié)舛?還可以保持81006工作面采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力,防止11＃、12＃煤層合并層采空區(qū)瓦斯涌出。注氮鉆孔如圖3所示。

圖3 注氮鉆孔及注漿管路布置示意圖

4.2 采空區(qū)密閉灌漿

由于極近距離煤層開采時(shí)漏風(fēng)通道增加,瓦斯抽放過程中漏風(fēng)量加大,因此,為有效防治回采工作面采空區(qū)煤炭自燃,須采取注漿堵漏。本次主要采用黃泥灌漿技術(shù),將水和粘土、粉煤灰制成泥漿,利用動(dòng)壓,經(jīng)相鄰81004工作面進(jìn)、回風(fēng)巷密閉上留設(shè)的灌漿孔輸送至81004采空區(qū),以阻止采空區(qū)煤體氧化。同時(shí)減少本煤層相鄰采空區(qū)的漏風(fēng)。注漿管路布置如圖3所示。

5 治理效果分析

通過近距離煤層開采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)在81006工作面的應(yīng)用,回采期間,一方面利用對(duì)上覆11＃、12＃煤層合并層采空區(qū)內(nèi)瓦斯超前短抽,同時(shí)結(jié)合對(duì)工作面上覆采空區(qū)注氮、相鄰采空區(qū)注漿堵漏的方式,使81006工作面上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.8%以下、CO濃度在0.001%左右,保障了礦井的安全生產(chǎn);另一方面該技術(shù)對(duì)上覆11＃、12＃煤層合并層采空區(qū)遺煤的防滅火工作起到積極的作用,上覆采空區(qū)內(nèi)CO濃度保持在0.005%以下且保持穩(wěn)定,氧氣濃度保持在3%～7%左右。81006工作面正常生產(chǎn)期間(2014年10月1日—12月31日)上隅角CO濃度、瓦斯?jié)舛?、上覆采空區(qū)CO濃度變化趨勢(shì)如圖4所示。

6 結(jié)論

煤峪口礦通過巷道封閉抽放、回風(fēng)巷穿層高位鉆孔抽放的瓦斯治理措施,結(jié)合采空區(qū)注氮、黃泥灌漿堵裂的防滅火措施,形成了近距離煤層開采瓦斯與內(nèi)因火災(zāi)防治一體化技術(shù)。該方法在煤峪口14＃煤層81006工作面成功應(yīng)用,使81006工作面生產(chǎn)期間上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K保持在0.8%以下、CO濃度在0.001%左右,上覆采空區(qū)內(nèi)CO濃度保持在0.005%以下且保持穩(wěn)定,氧氣濃度保持在3%～7%左右。保障了礦井的安全生產(chǎn)。為治理礦井瓦斯和內(nèi)因火災(zāi)復(fù)合災(zāi)害提供了經(jīng)驗(yàn),為大同井田其他礦井或類似條件礦區(qū)的瓦斯治理與火災(zāi)防治復(fù)合災(zāi)害的綜合治理提供了有益的借鑒,具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

圖4 81006工作面上隅角、上覆采空區(qū)CH4濃度和CO濃度變化趨勢(shì)

[1] 黃素逸.能源科學(xué)導(dǎo)論[M].北京:中國電力出版社,1999

[2] 周福報(bào).瓦斯與煤自燃共存研究(Ⅰ):致災(zāi)機(jī)理[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(5)

[3] 李貴和.采高綜采工作面瓦斯與煤自燃綜合治理技術(shù)[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010(3)

[4] 聶鴻元.綜合防滅火技術(shù)在高瓦斯礦井近距離煤層火災(zāi)中的研究應(yīng)用[D].太原:太原理工大學(xué), 2010

[5] 秦波濤,魯義,殷少舉等.近距離煤層綜放面瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害防治技術(shù)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2013(2)

[6] 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2008

[7] 李川田,郭勇義等.近距離煤層群底抽巷瓦斯抽采實(shí)驗(yàn)研究[J].中國煤炭,2012(4)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Study on the prevention and control technology of gas and coal spontaneous combustion of mining the close distance coal seams and its application

Wang Haiqing,Pang Yeqing
(Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.,Datong,Shanxi 037003,China)

With 81006 fully mechanized working face of 410 panel of 14＃coal seam of Meiyukou coal mine in Datong Coal Mine Group Co.,Ltd.as an example,the prevention and control technology of gas and coal spontaneous for close distance coal seam during mining period was discussed,and then,the threat of the compound type disaster of coal spontaneous combustion and gas explosion was analyzed.By taking the gas control measures of roadway closed drainage and layer-through drilling drainage and the integrated coal spontaneous combustion prevention and control technology of goaf nitrogen injection and grouting by the nearby working face, the gas concentration of return corner of 81006 working face always keeps in below 0.8%and the concentration of carbon monoxide is about 0.001%during normal production,the concentration of carbon monoxide in the overlying goaf remains below the 0.005%and the oxygen concentration maintains at around 3%to 7%.

close distance coal seams,gas,coal spontaneous combustion,compound type disaster,disaster prevention and control technology

TD712.6 TD752.2

A

王海清(1969－),男,山西懷仁人,高級(jí)工程師,現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)公司通風(fēng)處副主任工程師,從事煤礦通風(fēng)安全管理工作。