吳海軍

（中煤能源黑龍江煤化工有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

瓦斯災害與煤層自燃是煤礦生產較為突出的兩種災害[1-2]，煤礦瓦斯賦存狀況復雜、瓦斯災害防治難度大。煤炭自燃過程復雜，火源地點不易發(fā)現(xiàn)，一旦發(fā)生火災，極易與瓦斯產生耦合災害[3]。綜放工作面采高大、丟煤較多，高強度瓦斯抽采導致采空區(qū)氣體運移規(guī)律與常規(guī)情況不同[4]，自然發(fā)火危險區(qū)域判斷復雜化，給自燃防治帶來較大困難，形成了瓦斯與火耦合災害治理難題[5]。

1 概況

中煤龍化公司依蘭三礦位于黑龍江省依蘭縣境內，新建礦井，設計生產能力2.40 Mt/a，2020 年鑒定為突出礦井。S101 首采工作面為俯采綜放工藝，開采上保護層，切眼長度220 m，傾斜長度850 m。上保護層即上1、上2 煤層間距1.63～8.51 m，埋深407.30～787.80 m，煤層厚度2.29～4.65 m，平均傾角16°，儲量94.23 萬t。被保護層即下鄰近的中煤層為突出煤層，厚度6.06 m，與上2 煤層間距12.43 m；下煤層厚度1.28 m，與中煤層間距11.23 m。各煤層夾矸以油頁巖與粉細砂巖為主，直接頂、底板以油頁巖為主。

工作面所采上1、上2 煤層原始瓦斯含量3.46～3.88 m3/t，瓦斯壓力0.26～0.62 MPa，煤層透氣性系數(shù)1.031 7～7.943 1 m2/MPa2·d，位于非突出區(qū)。煤種為長焰煤，最短自然發(fā)火期56 d，屬容易自燃煤層。煤層頂、底板油頁巖自燃傾向性為類煤Ⅲ類。工作面采用“U”型通風方法，運輸順槽進風，回風順槽回風，供風量1000 m3/min。預測工作面絕對瓦斯涌出量13.81m3/min，相對瓦斯涌出量7.29 m3/t。

2 瓦斯治理技術

針對S101工作面特殊地質條件、煤層賦存特點，集成了順（穿）層鉆孔預抽回采區(qū)域與鄰近層、采空區(qū)瓦斯抽采技術工藝，建立了“通風可靠、抽采達標、監(jiān)控有效、管理到位”的治理體系。

2.1 順（穿）層鉆孔預抽回采區(qū)域與鄰近層瓦斯

工作面采用鉆場集中布置扇形鉆孔預抽方法。運輸順槽布置11 個鉆場，回風順槽布置10 個鉆場，單鉆場向回采區(qū)域施工11 個順層鉆孔預抽上1、上2煤層瓦斯。鉆孔終孔水平間距20 m，傾向間距18 m，孔徑94 mm，共計28 008 m 鉆孔。單鉆場施工24 個穿層鉆孔預抽下鄰近中煤層瓦斯，且利用開采卸壓作用攔截中、下煤層瓦斯。鉆孔終孔水平間距30 m，傾向間距20 m，孔徑94 mm，共計37 758 m鉆孔。

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采

采用高位鉆孔抽采采空區(qū)及鄰近層涌出的瓦斯。1 號高位鉆場采用普通鉆機施工5 個扇形鉆孔，鉆孔長度80～98 m，2 號高位鉆場采用ZYWL6000定向鉆機施工3 個平行鉆孔，鉆孔長度360～402 m。高位鉆孔終孔與回風順槽平距25～80 m，距工作面高度25～35 m，鉆孔布置如圖1。在工作面上隅角預埋DN300 抽采管路，每20 m 預留三通與DN350低負壓管路相接，抽采采空區(qū)瓦斯。

圖1 順（穿）層扇形鉆孔布置圖

2.3 瓦斯超前預警機制

當工作面瓦斯?jié)舛冗_到0.60%時發(fā)出預警，同時切斷工作面及回風流電源，工作面立即停止作業(yè)。礦每天組織通風部門對工作面瓦斯進行分析，出現(xiàn)瓦斯涌出異常、臨界或預警，及時采取對策。

2.4 小結

經(jīng)采前預抽，可解吸瓦斯含量降至2.25～2.78 m3/t，實現(xiàn)抽采達標。生產期間，瓦斯涌出量5.08～11.96 m3/min， 風 排 瓦 斯 量2.08～3.90 m3/min， 瓦 斯 抽 采 量3.00～8.06 m3/min， 瓦 斯 抽采率59.06%～67.39%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.29%～0.43%，回風流瓦斯?jié)舛?.17%～0.32%。如圖2。

圖2 瓦斯?jié)舛扰c涌出量曲線圖

3 防滅火技術

3.1 煤層自熱氧化機理

通過測試煤和油頁巖自燃過程中微觀結構的動態(tài)分布特征，開展掃描電鏡測試、熱重分析、紅外光譜掃描、比表面積與孔隙率測試，揭示煤和油頁巖共生互層浮煤自熱氧化機理[2]，確定了所采煤層自然發(fā)火期與自然發(fā)火標志性氣體（CO、C2H2、C2H4、C2H6）。以上述實驗數(shù)據(jù)為基礎，確定煤層自然發(fā)火標志性氣體臨界值。

3.2 自然發(fā)火預測預報系統(tǒng)集成

采用人工檢測、安全監(jiān)控、束管監(jiān)測與光纖測溫方式，實時監(jiān)測工作面上隅角、回風流、防火觀測站、抽采管道、高冒處存在自燃危險區(qū)的自然發(fā)火標志性氣體與采空區(qū)溫度。定期進行系統(tǒng)分析，出現(xiàn)異常情況，立即采取防治措施。

（1）人工檢測方式

建立工作面自然發(fā)火觀測點及預測預報制度，對自燃危險區(qū)進行系統(tǒng)和定期觀測。主要觀測工作面回風隅角、回風流、采空區(qū)、防火觀測站、兩巷高冒處及附近密閉等地點。工作面和高冒處每班、密閉每周進行觀測。

（2）安全監(jiān)控系統(tǒng)

采用KJ95X 型安全監(jiān)控系統(tǒng)進行不間斷監(jiān)測。在工作面回風隅角、工作面及回風流處，安設一氧化碳與溫度傳感器，實時監(jiān)測一氧化碳與溫度參數(shù)變化情況。

（3）束管監(jiān)測系統(tǒng)

工作面建立KQF8 型火災束管監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測基站安裝在供液泵站，沿運輸、回風順槽各敷設一組3 芯束管，每組束管布置3 個分別間距30 m 的氣體采集器。束管采用DN50 鋼管、采集器采用木垛予以防護。從工作面推進30 m 起，利用基站氣相色譜儀，每小班分析采空區(qū)各測點氣體成分，掌握氣體濃度及變化規(guī)律。

（4）光纖測溫系統(tǒng)

工作面建立KJ893 型光纖測溫系統(tǒng)。測溫基站設在礦調度室，沿工作面回風順槽布置一路光纖，并在切眼側敷設180 m。光纖測溫系統(tǒng)實時監(jiān)測工作面采空區(qū)溫度，出現(xiàn)溫度異?；蛏咦兓瑢崟r預警，及時采取針對性措施。

圖3 束管監(jiān)測與光纖系統(tǒng)圖（m）

3.3 采空區(qū)“三帶”測試與注氮抑氧技術研究

（1）采空區(qū)“三帶”測試

采空區(qū)遺煤自燃大體可劃分為散熱帶、氧化升溫帶與窒息帶。隨著工作面推進，采空區(qū)自燃“三帶”呈現(xiàn)動態(tài)變化，推進過程中采空區(qū)氧氣濃度變化曲線如圖4。

圖4 采空區(qū)氧氣濃度變化曲線圖

初步確定工作面散熱帶寬度25 m，氧化帶寬度50～70 m，窒息帶≥70 m 寬度。如圖5。

圖5 采空區(qū)“三帶”分布情況

（2）注氮抑氧惰化技術

礦工業(yè)廣場制氮站裝備兩臺PSA1600 型碳分子篩制氮機，單臺制氮能力1600 m3/h，氮氣純度>97%。輸?shù)晒転镈N150 鋼管，支管路為DN100鋼管，沿運輸順槽敷設至切眼進風隅角，末端壓力不低于0.20 MPa。輸?shù)苈贩植硖幵O截止閥與壓力表，低洼處設放水閥，末端設氮氣釋放三通。

工作面采出切眼30 m 以后，開始向采空區(qū)連續(xù)注入氮氣。工作面開采初期、推進緩慢或撤架期間，持續(xù)增大注氮量，注氮量≥2000 m3/h。

（3）采空區(qū)固氮技術

注氮期間，采取固氮輔助手段，即進風隅角懸掛擋風幛，采煤工作面每推進20 m 在兩巷采空區(qū)側施工擋風隔離墻。擋風墻使用經(jīng)阻化處理的巖粉堆砌，墻體厚度不低于1 m。

開展工作面采空區(qū)瓦斯抽采與防滅火關系研究。采空區(qū)瓦斯抽采量以保證工作面生產集中期間工作面及回風流瓦斯不臨界為宜，避免采空區(qū)所注氮氣被采空區(qū)所進風流大量稀釋。

3.4 煤層注水與壓注阻化劑技術

自工作面切眼以外100 m 范圍內兩巷平行布置煤層注水孔，鉆孔間距10 m，深度100 m，孔徑為94 mm，采用煤層注水泵進行高壓注水。兩端頭超前20 m 段巷道，每隔5 m 施工1 組（3 個）注水鉆孔，開孔間距1 m，孔深11～25 m，傾角+30°，與巷道夾角0～30°，鉆孔施工至上1 煤層頂板，采用15%（MgCl2·6H2O）阻化液循環(huán)壓注。每天利用阻化劑泵向工作面采空區(qū)側留有浮煤地點壓注≥15%阻化液，每次壓注不小于0.35 t 阻化劑。

3.5 注膠與液態(tài)CO2 直注應急技術

工作面遇地質構造或推進緩慢，出現(xiàn)自然發(fā)火隱患時，采取向采空區(qū)打鉆注膠與注液態(tài)CO2措施。在兩巷隅角采空區(qū)側巷道頂板，分別施工4～5 個注膠孔，傾角+25°，孔深8～12 m，開孔間距1 m。每組支架頂與后側布置2 個注膠孔，支架頂鉆孔與巷頂夾角15°～20°，孔深8～10 m，后尾梁鉆孔與巷頂夾角40°～50°，孔深8 m。

4 結論

（1）在工作面生產期間，平均瓦斯涌出量為8.17 m3/min，瓦斯抽采率63.04%。工作面上隅角平均瓦斯?jié)舛?.36%，回風流平均瓦斯?jié)舛?.26%，未出現(xiàn)瓦斯臨界或超限現(xiàn)象。

（2）工作面生產期間，采空區(qū)CO 濃度穩(wěn)定在5.3×10-5以下，工作面及回風流沒有出現(xiàn)CO 氣體臨界或超限，采空區(qū)沒有出現(xiàn)自然發(fā)火事故。

（3）建立了以保護層開采、順（穿）層鉆孔預抽、采空區(qū)抽采瓦斯技術與以自然發(fā)火預測預報為基礎，以常規(guī)注氮為核心，以液態(tài)CO2直注為應急手段的綜合防治體系。

（4）自2021 年8 月生產以來，工作面安全生產原煤60 萬t，直接經(jīng)濟效益1.95 億元，實現(xiàn)了瓦斯與火耦合災害綜合治理目標。