沈 鑫，閆萬(wàn)俊，何啟林，李金亮，陸 偉

（1.安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，安徽淮南 232001；2.山西汾西中興煤業(yè)有限責(zé)任公司中興煤礦，山西呂梁 030599）

高瓦斯礦井發(fā)生火災(zāi)后，容易產(chǎn)生瓦斯與火共存的現(xiàn)象，且易導(dǎo)致在礦井滅火與救災(zāi)過(guò)程中易發(fā)生爆炸事故，對(duì)礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)煤礦爆炸事故有近60%是發(fā)生在高瓦斯自燃煤層中，死亡人數(shù)約占煤礦事故總死亡人數(shù)的50%[1-2]。國(guó)內(nèi)對(duì)于煤炭自燃防治或瓦斯治理技術(shù)比較成熟，常規(guī)的防滅火措施有均壓通風(fēng)、注氮惰化、噴灑阻化劑等[3-7]。針對(duì)瓦斯防治技術(shù)，研發(fā)了高低位抽巷抽采、順層鉆孔抽采、采空區(qū)埋管抽采等瓦斯治理技術(shù)[8-11]。但是上述治理技術(shù)主要是針對(duì)單方面的治理，而針對(duì)瓦斯與火共存條件下的治理技術(shù)較少。董強(qiáng)[12]等針對(duì)綜放開采中瓦斯抽采同自然發(fā)火防治互相矛盾的難題，提出了上隅角埋管抽采瓦斯與篩管注氮防治遺煤自燃的共治方法；程建圣[13]采取了交錯(cuò)鉆孔抽采瓦斯、回風(fēng)巷施工高位鉆孔、采空區(qū)埋管抽采、均壓通風(fēng)等綜合治理技術(shù)；李修磊[14]等通過(guò)研究鹿洼煤礦4301 煤層上覆采空區(qū)瓦斯賦存、煤自燃特點(diǎn)，選擇采用噴漿、注膠封堵防滅火，封堵-排放-稀釋防治瓦斯，取得了顯著的瓦斯與火共存治理效果。但是上述研究成果未考慮工作面停采期間如何防治瓦斯與火共存的問(wèn)題，為此以中興礦1413 綜采工作面停采期間發(fā)火為研究對(duì)象，提出了“網(wǎng)狀監(jiān)測(cè)+注氮+調(diào)壓+阻漏+降溫”綜合抑爆防滅火技術(shù)，確保高瓦斯工作面停采期間采空區(qū)滅火工作的安全進(jìn)行。

1 工作面概況

中興煤礦1413 綜放工作面位于中興礦4#煤層，工作面可采走向長(zhǎng)度1 470 m，傾向長(zhǎng)度180 m，4#煤層傾角為2°～10°，平均厚度1.6～2.3 m，含夾矸1～2 層，煤類以中灰、低中硫的瘦煤、焦煤為主，經(jīng)山西省煤炭工業(yè)局鑒定，4#煤層的自燃傾向等級(jí)為II類，煤塵具有爆炸性，最短自然發(fā)火期為84 d。1413工作面采用“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，巷道布置為一面四巷：高抽巷斷裂帶抽采；材料巷為主進(jìn)風(fēng)巷，風(fēng)量1 100 m3/min；運(yùn)輸巷輔助進(jìn)風(fēng)，風(fēng)量為500 m3/min；沿空留巷回風(fēng)，風(fēng)量為2 000 m3/min，回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.45%，回采后期因瓦斯涌出量減小，調(diào)整回風(fēng)量為1 500 m3/min，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.35%，停采后調(diào)整回風(fēng)量為892 m3/min，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.2%。調(diào)整回風(fēng)量11 d 后，采空區(qū)瓦斯抽采支管管路內(nèi)CO 傳感器報(bào)警，CO 體積分?jǐn)?shù)為48×10-6，次日在留墻末端預(yù)埋孔內(nèi)檢測(cè)到CO 體積分?jǐn)?shù)為2 200×10-6，C2H6體積分?jǐn)?shù)為106.2×10-6，表明采空區(qū)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生遺煤自燃。

2 煤自燃原因分析

1）采空區(qū)遺煤堆積。工作面與上部煤層的平均間距為2.7 m，上部煤層煤體易垮落至采空區(qū)，隨著回采工作的進(jìn)行，部分采空區(qū)上部煤層煤體發(fā)生垮落，這些浮煤暴露在氧化升溫帶中發(fā)生氧化，導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)CO 超限現(xiàn)象。

2）采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重。工作面沿空留巷壁面采用柔模作為支護(hù)材料，柔模材料抗變形能力低，支護(hù)受力不均勻，頂板壓力較大，沿空留巷壁面上幫煤壁容易產(chǎn)生裂隙形成漏風(fēng)通道；施工高抽巷導(dǎo)致沿空留巷周圍煤巖體破碎容易漏風(fēng)，且高抽巷工作形成的風(fēng)向剛好和回風(fēng)相反，兩者共同作用使得采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)流紊亂，加劇了工作面漏風(fēng)。

3）瓦斯抽采負(fù)壓較高。過(guò)高的負(fù)壓使得抽采口附近風(fēng)流運(yùn)移加快，通過(guò)抽采鉆孔周邊裂隙形成多方位漏風(fēng)，由于煤層裂隙通道兩側(cè)存在溫度差、能位差，促進(jìn)了對(duì)流傳熱，浮煤氧化后無(wú)法散熱，熱量累積提高了周圍煤體溫度，而較高溫度又催化了采空區(qū)遺煤氧化，形成惡性循環(huán)，最終致使采空區(qū)發(fā)火。

3 瓦斯環(huán)境下抑爆與滅火技術(shù)

為了保證1413 工作面采空區(qū)滅火工程安全進(jìn)行，需要在采空區(qū)布置走向、傾向相結(jié)合的網(wǎng)狀測(cè)溫測(cè)氣系統(tǒng)，能大范圍、多層次實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)溫度和氣體體積分?jǐn)?shù)，確定火區(qū)大致范圍與變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，采取“注氮+調(diào)壓+阻漏”抑爆技術(shù)，技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technology roadmap

3.1 網(wǎng)狀測(cè)溫測(cè)氣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)火區(qū)

中興煤業(yè)井下束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用沿空留巷瓦斯抽采管和施工平行于開切眼埋入采空區(qū)測(cè)溫與抽氣束管，每隔20 m 放置1 根束管頭與測(cè)溫探頭，用于監(jiān)測(cè)采空區(qū)溫度和氣體體積分?jǐn)?shù)；從開切眼每個(gè)抽采瓦斯管內(nèi)放置1 根單芯束管與測(cè)溫探頭，抽采瓦斯管間距為20 m，形成火區(qū)周圍走向與傾向結(jié)合的多方位網(wǎng)狀測(cè)溫測(cè)氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，束管用φ25～φ50 mm 鋼管加以保護(hù)，防止損壞，束管測(cè)定由實(shí)驗(yàn)室每3 d 取樣分析，1413 網(wǎng)狀束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖如圖2。

圖2 1413 網(wǎng)狀束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of 1413 mesh beam tube monitoring system

3.2 注氮降氧惰化

在處理高瓦斯區(qū)煤炭自燃過(guò)程中，選取φ（O2）≤8%作為火區(qū)環(huán)境中安全滅火的關(guān)鍵指標(biāo)，由于采空區(qū)氣體中檢測(cè)到C2H6體積分?jǐn)?shù)為106.2×10-6，將3.75%≤φ（CH4）≤15.45%作為瓦斯爆炸的參考指標(biāo)[15]。1413 工作面采取注氮惰化火區(qū)進(jìn)行滅火和抑爆，2 臺(tái)井下移動(dòng)制氮機(jī)安裝在東軌道大巷，注氮時(shí)選取1413 沿空留巷4 個(gè)瓦斯抽采預(yù)埋孔為注氮點(diǎn)，工作面采空區(qū)注氮布置圖如圖3。

圖3 工作面采空區(qū)注氮布置圖Fig.3 Nitrogen injection layout in goaf of working face

連續(xù)注氮12 h 后，通過(guò)束管測(cè)得火區(qū)周圍φ（O2）<5%，采空區(qū)向里10～30 m 范圍內(nèi)φ（O2）為5%～8%，通過(guò)網(wǎng)狀測(cè)溫測(cè)氣系統(tǒng)選取5 個(gè)探頭，注氮惰化后火區(qū)由爆炸危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樨氀醪槐瑓^(qū)，處于失爆狀態(tài)。注氮前后爆炸三角形分析圖如圖4。

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

3.3 調(diào)壓系統(tǒng)降低采空區(qū)漏風(fēng)壓差

1413 工作面采取均壓措施以減少采空區(qū)漏風(fēng)，在1413 回風(fēng)巷處布置調(diào)節(jié)風(fēng)門，在1413 進(jìn)風(fēng)巷道密閉墻處建立1 個(gè)連通管調(diào)壓氣室，另外2 個(gè)連通管調(diào)壓氣室分別布置在1413 工作面和采空區(qū)高抽巷封閉口，均壓密閉氣室結(jié)構(gòu)圖如圖5，均壓氣室位置布置圖如圖6。

圖5 均壓密閉氣室結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of the equalizing air chamber

圖6 均壓氣室位置布置圖Fig.6 Position layout diagram of equalizing air chamber

通過(guò)測(cè)壓管測(cè)出采空區(qū)壓力h3、巷道壓力h2、氣室與采空區(qū)壓差h1，通過(guò)調(diào)壓管盡量使采空區(qū)內(nèi)外壓力相等，即使h3=h2+h1實(shí)現(xiàn)均壓。通過(guò)“連通管+調(diào)節(jié)氣室”方法，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)氣室密閉墻內(nèi)外壓差小于15 Pa，大大減小采空區(qū)漏風(fēng)壓差。結(jié)合3 個(gè)氣室的結(jié)果測(cè)出工作面能位差為305 Pa，根據(jù)瓦斯涌出量計(jì)算出材料巷和運(yùn)輸巷的配風(fēng)量為539、328 m3/min，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)門改變風(fēng)量后工作面能位差降至173 Pa，說(shuō)明工作面的均壓防漏風(fēng)措施效果明顯。

3.4 噴漿注漿堵漏

為了增加漏風(fēng)風(fēng)阻，在沿空留巷內(nèi)靠近1413 側(cè)巷壁進(jìn)行壁面噴漿（水泥砂漿+化學(xué)添加劑），噴漿厚度在0.8 m 左右，且清理和噴漿過(guò)程中檢測(cè)巷道內(nèi)氣體情況。待采空區(qū)留墻噴漿工作完成后通過(guò)1413 材料巷密閉措施孔及1413 材料巷留墻預(yù)埋孔分別對(duì)1413 終采線附近采空區(qū)內(nèi)由里向外進(jìn)行全面注漿（粉煤灰），工作面噴漿注漿示意圖如圖7。

圖7 工作面噴漿注漿示意圖Fig.7 Sketch map of working face shotcreting

3.5 注高固水吸能滅火膠體

為了進(jìn)行采空區(qū)火源進(jìn)行撲滅工作，從開切眼向工作面方向260 m 范圍內(nèi)向采空區(qū)注高固水吸能滅火膠體，在留墻埋管上方0.5 m 處施工1 排共13 個(gè)高位鉆孔，鉆孔終孔位于距工作面底板上方3.1 m 的垮落帶區(qū)域，水平間距20 m；施工第2、第3排鉆孔，每排鉆孔終孔高度向下平移0.6 m，這2 排鉆孔位于遺煤中，注膠鉆孔布置和膠體充填示意圖如圖8。

圖8 注膠鉆孔布置和膠體充填示意圖Fig.8 Schematic diagram of glue injection drilling layout and glue filling

由于垮落矸石與采空區(qū)遺煤都比較破碎，每個(gè)鉆孔施工完畢后，立即下金屬花管，用注漿泵，通過(guò)軟管與鉆孔花管將高效固水強(qiáng)塑性防滅火膠體壓注到著火區(qū)域，直到滅火膠體從鉆孔溢出，確保所有煤的孔洞與裂隙都被充填，并有效包裹火源，隔斷著火煤體與O2接觸，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、失結(jié)晶水和熔化持續(xù)著火煤體降溫。

3.6 應(yīng)用效果

1413 采空區(qū)累計(jì)注氮量為8.76×106m3、累計(jì)注漿量1.24×105m3，通過(guò)網(wǎng)狀測(cè)溫測(cè)氣系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)測(cè)定，采空區(qū)內(nèi)CH4、O2體積分?jǐn)?shù)均不高于5%，CO 體積分?jǐn)?shù)為0，溫度均低于25 ℃，且以上數(shù)據(jù)已持續(xù)1個(gè)月以上，火區(qū)周圍鉆孔氣體溫度情況分布圖如圖9。

圖9 火區(qū)周圍鉆孔氣體溫度情況分布圖Fig.9 Distribution of borehole gas temperature around the fire area

4 結(jié) 語(yǔ)

1）針對(duì)瓦斯環(huán)境下火區(qū)治理問(wèn)題，布置了網(wǎng)狀測(cè)溫測(cè)氣系統(tǒng)，結(jié)合走向和傾向?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)不同深度下采空區(qū)的溫度和氣體體積分?jǐn)?shù)變化情況，擴(kuò)大了監(jiān)控范圍，提高了監(jiān)測(cè)密度；提出了“注氮+調(diào)壓+阻漏”綜合降氧抑爆措施，以及高位鉆孔注膠降溫防滅火技術(shù)，較好完成了工作面停采期間在瓦斯環(huán)境下采空區(qū)先抑爆后滅火工作，杜絕了瓦斯與火共存復(fù)合災(zāi)害的出現(xiàn)。

2）實(shí)施上述技術(shù)措施后，1413 工作面沒(méi)有再次出現(xiàn)瓦斯超限或熄滅火區(qū)復(fù)燃事故，停采的鄰近工作面也恢復(fù)正?；夭?，避免了礦井接替計(jì)劃的變更和沿空留巷及其它巷道的維護(hù)問(wèn)題。