王偉東

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

瓦斯與煤自燃共存災(zāi)害是一個(gè)復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，二者相互制約[1-2]。高瓦斯易自燃煤層采用機(jī)械化采煤過(guò)程中，由于工作面推進(jìn)速度快、生產(chǎn)集中，出現(xiàn)了大面積采空區(qū)。因而大量的瓦斯積聚，往往會(huì)造成工作面及回風(fēng)流中的瓦斯超限[3-5]。一旦發(fā)生瓦斯爆炸將會(huì)導(dǎo)致礦井設(shè)備損壞、人員出現(xiàn)傷亡，甚至?xí)斐擅簤m爆炸、井底火災(zāi)等二次災(zāi)害，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅[6-7]。為了治理瓦斯超限的問(wèn)題，經(jīng)常會(huì)采用加大供風(fēng)量、采空區(qū)埋管抽放等方式。盡管采用這些方式防止工作面瓦斯超限，但會(huì)使采空區(qū)漏風(fēng)程度加大，采空區(qū)內(nèi)遺煤易發(fā)生自燃。

隨著礦井火災(zāi)的出現(xiàn)，瓦斯爆炸的特性也被改變。由于瓦斯爆炸與礦井火災(zāi)耦合，增大了這 2 種災(zāi)害的發(fā)生概率、危險(xiǎn)性。在遺煤自燃防控過(guò)程中，所采取的的采空區(qū)堵漏風(fēng)、注漿等措施都不利于瓦斯的抽采。因此，礦井瓦斯治理與火災(zāi)防治之間的不可調(diào)性成為近年來(lái)研究的重點(diǎn)，也成為高瓦斯易自燃煤層亟待解決的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)烏蘭煤礦II020803 工作面采空區(qū)瓦斯與遺煤自燃耦合災(zāi)害進(jìn)行研究，保障瓦斯與煤自燃共存條件下工作面安全回采，以期為類似開(kāi)采條件下礦井安全生產(chǎn)提供借鑒。

1 礦井概況

烏蘭煤礦為高瓦斯突出礦井，II020803 工作面所采煤層為 8#煤層，與地表垂深最小為345.6 m，工作面僅上部Ⅱ020703 已開(kāi)采，其余均未開(kāi)采。工作面煤層平均厚度為3.33 m，煤層傾角平均為23°，走向長(zhǎng)度為790 m，傾斜長(zhǎng)度為205 m。 8#煤層為II 類自燃煤層，發(fā)火期為55 d。8#煤層原始瓦斯含量為 13.51 m3/t，瓦斯壓力為 4.6 MPa。7#、8#煤層層間距平均為4.2 m，為近距離煤層開(kāi)采。

2 理論分析

2.1 卸壓瓦斯抽放“O”形圈理論

根據(jù)薄板理論，基本頂?shù)钠茐姆譃? 種：一是基本頂在自重及上覆載荷作用下超過(guò)自身抗拉強(qiáng)度，發(fā)生拉破壞；二是在剪應(yīng)力作用下發(fā)生剪斷[8-10]。當(dāng)工作面推采距離與自身長(zhǎng)度之比＜1 時(shí)，基本頂呈豎向“O-X”型破斷，當(dāng)工作面推采距離與自身長(zhǎng)度之比＞1 時(shí)，基本頂呈橫向“O-X”型破斷。以該理論為基礎(chǔ)，提出裂隙分布特征的“O”型圈理論，并提出瓦斯抽采“O”型圈理論。該理論的實(shí)質(zhì)就是抽采鉆孔周圍的瓦斯通過(guò)采動(dòng)裂隙匯聚到“O”型圈內(nèi)。因而，在布置瓦斯抽采鉆孔時(shí)，應(yīng)盡可能的將其布置在“O”型圈內(nèi)，這樣在瓦斯抽采過(guò)程中，所抽采的瓦斯?jié)舛容^高，且抽采持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，從而可以影響更大的范圍，保證工作面安全生產(chǎn)。將瓦斯抽采鉆孔與回風(fēng)巷的水平距離用S 表示，如式（1）。

式中：H 為瓦斯抽放巷與煤層的垂直間距，m；B為瓦斯抽放巷與“O”型圈外邊界間距，一般為0～34 m；α 為煤層傾角，（°）；θ 為采動(dòng)裂隙邊緣和開(kāi)采邊界連線與煤層的夾角，（°）。

2.2 采空區(qū)氣體可爆區(qū)域判定

瓦斯發(fā)生爆炸需滿足3 個(gè)條件，分別為可爆范圍內(nèi)的瓦斯、充足的氧氣和一定能量的引燃火源。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)存在大量CH4時(shí)，根據(jù)瓦斯爆炸理論，在 20 ℃、壓力為 101.3 kPa 時(shí)，CH4爆炸上限為15%，爆炸下限為5%。根據(jù)混合氣體中CH4濃度和混合氣體中O2濃度將瓦斯爆炸區(qū)域劃分為5 個(gè)區(qū)，瓦斯爆炸三角形分區(qū)圖如圖1。結(jié)合圖1 中各個(gè)區(qū)的特點(diǎn)，分別采取相應(yīng)的措施，防止發(fā)生瓦斯爆炸。

圖1 瓦斯爆炸三角形分區(qū)圖Fig.1 The triangular partition map of gas explosion

Ⅰ區(qū)：△BCE—可爆區(qū)，即爆炸三角形。為了使其失去爆炸性，可采取注惰氣的方式，使其處于Ⅲ區(qū)或Ⅴ區(qū)狀態(tài)。

Ⅱ區(qū)：該區(qū)為不存在的混合區(qū)域。

Ⅲ區(qū)：ABEF—CH4濃度過(guò)低不爆區(qū)。當(dāng)該區(qū)域內(nèi)的CH4濃度增加時(shí)，該區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入爆炸區(qū)。為預(yù)防該區(qū)域發(fā)生瓦斯爆炸，可向其內(nèi)部注入惰性氣體，使其進(jìn)入Ⅴ區(qū)狀態(tài)。

Ⅳ區(qū)：CH4濃度過(guò)高不爆區(qū)。當(dāng)該區(qū)域流入一定的空氣之后，該區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入爆炸區(qū)狀態(tài)。因此，為了避免發(fā)生瓦斯爆炸，可向該區(qū)域注入惰性氣體，使其進(jìn)入Ⅴ區(qū)狀態(tài)。

Ⅴ區(qū)：安全區(qū)。該區(qū)域內(nèi)CH4濃度和O2濃度都過(guò)低，向該區(qū)域加入空氣可使其進(jìn)入Ⅲ區(qū)不爆狀態(tài)，向該區(qū)內(nèi)注入CH4，該區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入Ⅳ區(qū)不爆狀態(tài)。

3 可爆區(qū)域分布規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立物理模型，對(duì)工作面開(kāi)采過(guò)程中爆炸區(qū)域的情況進(jìn)行模擬，所建的物理模型如圖2。

圖2 三維物理模型圖Fig.2 The three-dimensional physical model figure

根據(jù)瓦斯爆炸三角形區(qū)域，并結(jié)合所模擬的采空區(qū)氣體濃度分布情況，對(duì)采空區(qū)內(nèi)可爆區(qū)域進(jìn)行劃分。采空區(qū)垂直高度分別為z=0.5 m、z=6 m、z=12 m、z=18 m 等情況下可爆區(qū)域的劃分如圖3。

由圖3 可知，瓦斯爆炸三角形區(qū)域主要位于工作面及沿空留巷區(qū)域，在該區(qū)域混合氣體濃度適宜，一旦遇到有足夠能量的點(diǎn)火源時(shí)，就有可能發(fā)生爆炸。而位于采空區(qū)深部區(qū)域，CH4濃度比較高，該區(qū)域位于CH4濃度過(guò)高的不爆區(qū)。

由圖3（a）可以看出，在距采空區(qū)底板 0.5 m 的高度上，采空區(qū)內(nèi)可爆區(qū)域與工作面相距9～38 m，該區(qū)域?qū)挾燃s為29 m。在鄰近沿空留巷區(qū)域，氧化帶區(qū)域與沿空留巷相距 12～37.5 m。通過(guò)對(duì)圖3（a）～圖3（d）進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著層位高度的不斷增加，采空區(qū)內(nèi)可爆區(qū)域范圍不斷增大。通過(guò)對(duì)同層位的采空區(qū)氧化帶范圍和可爆區(qū)域范圍進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)二者之間存在部分區(qū)域重合。當(dāng)位于重合區(qū)域內(nèi)采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化發(fā)應(yīng)時(shí)，會(huì)使煤體及其周圍溫度升高，一旦超過(guò)CH4著火點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。

圖3 可爆區(qū)域劃分Fig.3 The division of explosive

向采空區(qū)注入氮?dú)?，不僅能夠惰化采空區(qū)，而且能使采空區(qū)瓦斯可爆區(qū)域范圍減小。這是由于高濃度氮?dú)庾⑷氲讲煽諈^(qū)，降低了采空區(qū)內(nèi)CH4濃度及O2濃度，因而注氮口附近區(qū)域形成安全區(qū)。

4 耦合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域改進(jìn)工藝

4.1 高位瓦斯抽放與防滅火一體化鉆孔

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，高位鉆孔改進(jìn)前后參數(shù)見(jiàn)表1。瓦斯有效抽采距離僅為25 m，抽放距離較小，且2 組高位鉆孔之間有近40 m 范圍未進(jìn)行瓦斯抽放。在瓦斯抽采過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采效果差，瓦斯抽放濃度較低，平均僅為3.4%，難以對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行有效抽放，因而需要對(duì)瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行改進(jìn)，以提高瓦斯抽采效果。

表1 高位鉆孔改進(jìn)前后參數(shù)Table 1 The parameters before and after improvement of high drilling

為有效防控瓦斯與煤自燃耦合災(zāi)害，對(duì)高位瓦斯抽放鉆孔參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。從表1 中可以看出，1號(hào)、2 號(hào)鉆孔終孔與煤間距增加至30 m。應(yīng)用該鉆孔，提高了瓦斯抽放濃度，達(dá)到25%。當(dāng)抽采鉆孔末端進(jìn)入采空區(qū)水平距離超過(guò)60 m 后，將瓦斯抽采鉆孔變?yōu)榉罍缁疸@孔，向鉆孔內(nèi)部注入防滅火材料。防滅火材料可對(duì)鉆孔周圍的裂隙進(jìn)行有效封堵，提高鉆孔密封效果，降低采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)量。防滅火材料還可滲流到采空區(qū)內(nèi)部，將采空區(qū)內(nèi)遺煤進(jìn)行很好的包裹，從而降低遺煤自燃的可能性，進(jìn)而對(duì)瓦斯爆炸與煤自燃耦合災(zāi)害進(jìn)行有效防控。

4.2 采空區(qū)動(dòng)態(tài)隔離控制技術(shù)

對(duì)工作面隅角注防滅火材料工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用工作面采空區(qū)動(dòng)態(tài)隔離防治技術(shù)。向液壓支架間隙內(nèi)注入高分子材料，對(duì)間隙進(jìn)行充填。當(dāng)鉆孔終端與采空區(qū)底板間距為2 m 時(shí)，采用間隔式壓注的方法，利用充填材料黏結(jié)較好的特性，使采空區(qū)后方垮落矸石形成封堵墻。在工作面周期來(lái)壓期間，向鉆孔內(nèi)壓注充填材料。工作面動(dòng)態(tài)隔離系統(tǒng)鉆孔布置如圖4。隔離結(jié)構(gòu)共分為3 排，每個(gè)封堵墻寬度為5 個(gè)支架寬度，隔離墻間距為25 m，形成非連續(xù)性隔離。從進(jìn)風(fēng)側(cè)開(kāi)始，第1 排鉆孔1 號(hào)支架、第2排鉆孔2 號(hào)支架、第3 排鉆孔3 號(hào)支架同時(shí)進(jìn)行壓注。壓注充填材料過(guò)程中，不受工作面生產(chǎn)的影響。隨著工作面推采，隨時(shí)進(jìn)行壓注充填材料。

圖4 工作面動(dòng)態(tài)隔離系統(tǒng)鉆孔布置示意圖Fig.4 The drill hole arrangement of dynamic isolation systems

應(yīng)用上述措施之后，對(duì)工作面回風(fēng)隅角CH4濃度、CO 濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，工作面回風(fēng)隅角CH4、CO 濃度變化曲線如圖5。從圖5 看出，在未改進(jìn)措施之前，3 月 1 日工作面隅角處 CO 濃度為 24×10-6，最大可達(dá)到40×10-6。當(dāng)應(yīng)用措施10 d 以后，工作面隅角CO 濃度出現(xiàn)顯著下降，再未發(fā)生超限。CH4濃度也呈現(xiàn)同CO 相同的變化趨勢(shì)，出現(xiàn)明顯降低。因而，應(yīng)用上述措施后，有效防控了工作面瓦斯爆炸與煤自燃耦合災(zāi)害。

圖5 工作面回風(fēng)隅角CH4、CO 濃度變化曲線Fig.5 The CH4, CO concentration curves of working face return corner

5 結(jié) 論

1）瓦斯爆炸三角形區(qū)域主要位于工作面及沿空留巷區(qū)域，在該區(qū)域混合氣體濃度適宜，一旦遇到有足夠能量的點(diǎn)火源時(shí)，就有可能發(fā)生爆炸。而位于采空區(qū)深部區(qū)域，CH4濃度比較高，該區(qū)域位于CH4濃度過(guò)高的不爆區(qū)。

2）隨著層位高度的不斷增加，采空區(qū)內(nèi)可爆區(qū)域范圍不斷增大。同層位的采空區(qū)氧化帶范圍和可爆區(qū)域范圍存在部分區(qū)域重合。當(dāng)重合區(qū)域內(nèi)采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化發(fā)應(yīng)時(shí)，會(huì)使煤體及其周圍溫度升高，一旦超過(guò)CH4著火點(diǎn)溫度時(shí)，就會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸。

3）采用高位瓦斯抽放與防滅火一體化鉆孔及采空區(qū)動(dòng)態(tài)隔離控制技術(shù)可使工作面隅角CO 濃度、CH4濃度呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，使工作面瓦斯爆炸與煤自燃耦合災(zāi)害得到有效防控。