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 吳  磊  白永萌

 （棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東省滕州市，277500）

摘  要  針對(duì)瓦斯與自然發(fā)火防治中存在的顧此失彼、治理措施相互干擾影響大等問(wèn)題，結(jié)合3- 219半孤島工作面的實(shí)際情況，確定了預(yù)防為主的自然發(fā)火治理思路，重點(diǎn)采用了采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)、采空區(qū)預(yù)防性注漿和噴灑阻化劑、工作面煤體超前惰化、鄰側(cè)采空區(qū)堵漏風(fēng)等預(yù)防措施，在此基礎(chǔ)上，采用了鄰近采空區(qū)抽放和高位鉆孔瓦斯抽放的瓦斯治理技術(shù)措施，瓦斯抽放參數(shù)、抽放時(shí)間根據(jù)工作面自然發(fā)火情況及時(shí)優(yōu)化調(diào)整，有效防止了工作面開(kāi)采期間瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害的發(fā)生，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞  易燃厚煤層  半孤島工作面  自然發(fā)火  瓦斯抽放

中圖分類號(hào)  TD712.6  TD752.2 

 隨著礦井開(kāi)采深度和強(qiáng)度的不斷加大，采空區(qū)遺煤增多，煤層瓦斯含量增大，礦井的瓦斯涌出量增加，同時(shí)煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)性也明顯增大，許多礦井開(kāi)始面臨瓦斯、自然發(fā)火雙重災(zāi)害防治的問(wèn)題，特別是采空區(qū)等遺煤量大、漏風(fēng)嚴(yán)重且容易積聚大量瓦斯的區(qū)域。周福寶通過(guò)對(duì)我國(guó)229對(duì)大型礦井進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其中32. 3%的礦井存在瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害問(wèn)題。瓦斯與自然發(fā)火共生災(zāi)害已成為一種威脅礦井安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害模式。

 目前礦井應(yīng)用的瓦斯和自然發(fā)火災(zāi)害的防治措施大多是針對(duì)其中的一類災(zāi)害，對(duì)兩類災(zāi)害防治中的相互影響和聯(lián)系往往缺乏考慮，因此在災(zāi)害防治過(guò)程中容易出現(xiàn)顧此失彼的問(wèn)題，使礦井的瓦斯與自然發(fā)火的災(zāi)害防治工作陷于被動(dòng)，不僅不能有效解決目前正在發(fā)生的災(zāi)害問(wèn)題，還會(huì)使另一類災(zāi)害的危險(xiǎn)性增加，使礦井的安全形勢(shì)更加嚴(yán)峻。因此，對(duì)瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害的耦合防治技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)于存在瓦斯與自然發(fā)火共生礦井的災(zāi)害防治具有重要意義。

1  礦井概況

 3 上煤層是付村煤礦的主采煤層，最短自然發(fā)火期僅為46 d，屬易自燃煤層。付村煤礦的東二采區(qū)及東二輔助采區(qū)是3 上煤層的瓦斯異常區(qū)，3上 219綜放工作面位于付村煤礦東二采區(qū)，是半孤島工作面，鄰側(cè)為3上 216工作面采空區(qū)，隔離煤柱寬5m。該工作面走向長(zhǎng)度1086 m，傾斜長(zhǎng)度148 m，采高5.1～5.6 m，煤層傾角30～90。3上219工作面的瓦斯絕對(duì)涌出量為19. 0735m3／min，相對(duì)涌出量為8. 323 m3/t，周期來(lái)壓期間瓦斯涌出量會(huì)明顯增大。工作面回采期間回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葧r(shí)常高達(dá)0. 8%以上，由于巖漿巖侵入、地質(zhì)構(gòu)造、鄰近采空區(qū)瓦斯涌人等因素使得3上 219工作面回采期間時(shí)常發(fā)生瓦斯涌出異常、瓦斯涌出量增大的問(wèn)題，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)。

 對(duì)3上219工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)測(cè)分析，得出工作面落煤、煤壁和采空區(qū)的瓦斯涌出量分別為6. 5439 m3/min、4.5609 m 3／min和8.7252 m3/min，分別占瓦斯總涌出量的33%、23%和44%。采空區(qū)瓦斯涌出是3上219工作面的主要瓦斯涌出源，是該工作面瓦斯防治的重點(diǎn)區(qū)域。由于3上219工作面后部采空區(qū)和鄰側(cè)的3上216采空區(qū)存在大量遺煤，具有很大的自然發(fā)火危險(xiǎn)性。該工作面存在瓦斯與自然發(fā)火的雙重災(zāi)害威脅，對(duì)工作面的安全生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

 為此，根據(jù)該工作面的瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害的實(shí)際情況，在自然發(fā)火的防治方面，以預(yù)防為主，在自然發(fā)火監(jiān)測(cè)的同時(shí)，全面做好采空區(qū)惰化處理，盡可能避免采用注氮等對(duì)采空區(qū)氣壓影響較大的治理措施，以防發(fā)生瓦斯涌出異常；在瓦斯治理方面，以瓦斯抽放為主，用高位鉆孔取代工作面后部采空區(qū)抽放，瓦斯抽放期間的參數(shù)設(shè)置、時(shí)間安排兼顧工作面與采空區(qū)間的漏風(fēng)、采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性等情況，盡可能避免瓦斯治理對(duì)工作面自然發(fā)火防治的負(fù)面影響。

2  自然發(fā)火防治技術(shù)方案

2,1  采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)

 為全面掌握3上219后部采空區(qū)及其鄰側(cè)的3上216采空區(qū)的自然發(fā)火情況，采用監(jiān)測(cè)鉆孔與束管監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)方案在3上219運(yùn)輸巷向3上216采空區(qū)施工監(jiān)測(cè)鉆孔，鉆孔間距50 m，距巷道底板高度1.5 m，同時(shí)在3上219工作面的運(yùn)輸巷、材料巷及工作面設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)1#～4#，4個(gè)孔的位置見(jiàn)圖1，每個(gè)監(jiān)測(cè)鉆孔和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均布置溫度傳感器和取氣束管各一路。每天安排專人記錄各監(jiān)測(cè)鉆孔和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度并采集氣樣，采用氣相色譜分析儀對(duì)所取氣樣進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注CO和C2H4氣體的濃度情況。隨著工作面推進(jìn)，4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面100 m后，在原位置重新布設(shè)測(cè)點(diǎn)。

2.2  采空區(qū)注漿、噴灑阻化劑

 在3上219工作面的運(yùn)輸巷、材料巷和工作面中部布置注漿管路，在注漿管路進(jìn)入采空區(qū)20 m后開(kāi)始注漿，注漿管路隨工作面推進(jìn)而前移。采用粉煤灰作為主要注漿材料，水灰比為2:1，并配以6%～8%的阻化劑，每天連續(xù)注漿4 h以上。注入采空區(qū)的漿體可包裹在遺煤的表面，將其與氧氣隔絕，延緩其氧化速度，同時(shí)漿體的水分蒸發(fā)可以吸收大量的采空區(qū)熱量，減少采空區(qū)的熱量積聚。為防止注漿盲區(qū)發(fā)生自然發(fā)火危險(xiǎn)，每天向后部采空區(qū)噴灑阻化劑（水中配以10%的阻化劑），從而可起到全面惰化采空區(qū)的目的。

2.3  其他技術(shù)措施

 (1)在3上219運(yùn)輸巷、材料巷施工鉆孔對(duì)煤體進(jìn)行注水，水中配以5%的阻化劑，注水鉆孔間距20 m，長(zhǎng)度70 m，兩側(cè)鉆孔間隔布置，在超前工作面100 m的卸壓區(qū)范圍內(nèi)注水，注水壓力設(shè)定為15 M Pa，每天連續(xù)注水4h以上，起到超前惰 化煤體的作用。

 (2)在3上 219運(yùn)輸巷向鄰側(cè)采空區(qū)的隔離煤柱噴涂堵漏風(fēng)材料馬麗散，噴層厚度30 mm以上，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)3上219工作面的漏風(fēng)監(jiān)測(cè)，對(duì)主要的漏風(fēng)源區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)噴涂。

 (3)當(dāng)3上216采空區(qū)監(jiān)測(cè)鉆孔的CO濃度和溫度持續(xù)升高，或者出現(xiàn)C2H4，氣體時(shí)，說(shuō)明3上216采空區(qū)已經(jīng)發(fā)生煤炭自燃，此時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆孔向3上216采空區(qū)進(jìn)行間歇性注氮，要確保注入采空區(qū)的氮?dú)鉂舛仍?7%以上。

3  瓦斯治理技術(shù)方案

3.1  鄰近采空區(qū)瓦斯抽放

 由于3上 219工作面鄰近的3上216采空區(qū)瓦斯含量高，大量瓦斯會(huì)隨漏風(fēng)進(jìn)入3上219工作面，通過(guò)降低3上216采空區(qū)的瓦斯?jié)舛瓤捎行�減少其向3上 219工作面的瓦斯涌人。根據(jù)工作面實(shí)際情況，通過(guò)在3 上 219運(yùn)輸巷向3上216采空區(qū)施工平行鉆孔，利用該礦的214瓦斯抽放泵站對(duì)3上 216采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽放，自工作面切眼向外依次布置鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置3個(gè)鉆孔，鉆場(chǎng)間距20 m。鉆孔的具體布置如圖2所示。

 鉆孔長(zhǎng)度為5m，采用ϕ127 mm鉆頭開(kāi)孔，ϕ108 mm鋼管和花管封孔．封孔長(zhǎng)度不小于1 m。選用2BEl- 303 -0型水環(huán)式真空泵配以110 kW電機(jī)進(jìn)行瓦斯抽放，瓦斯抽排管路選用0219 mm聚乙烯管。管路具體敷設(shè)路線為：3上219運(yùn)輸巷道鉆場(chǎng)→3上219運(yùn)輸巷道→3上219運(yùn)輸巷道聯(lián)巷→214泵站→東二輔采煤倉(cāng)聯(lián)巷→東二輔助回風(fēng)巷。

 首先利用1#鉆場(chǎng)對(duì)3上216采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽放，在1#鉆場(chǎng)距工作面不足5m時(shí)啟用2#鉆場(chǎng)進(jìn)行抽放，以此類推。鄰近采空區(qū)抽放效果考察情況見(jiàn)表1，由表1可知，在3上216采空區(qū)瓦斯抽放期間，抽放流量達(dá)26～32 m3／min，抽放純量為4.4～4.7 m3/min，對(duì)鄰近采空區(qū)的抽放效果顯著。

3.2  高位鉆孔瓦斯抽放

 高位鉆孔是在工作面巷道向煤層頂板裂隙帶施工的鉆孔，在工作面推進(jìn)前后，裂隙帶巖層壓實(shí)之前進(jìn)行瓦斯抽放，可將冒落帶和裂隙帶內(nèi)積聚的瓦斯抽出，以減少采空區(qū)向工作面的瓦斯涌出；并且可在工作面后部采空區(qū)形成一個(gè)低壓區(qū)，改變采空區(qū)瓦斯的原始運(yùn)移方向，有效減少回風(fēng)隅角的瓦斯涌出與積聚。

 3上219工作面的高位鉆孔布置于材料巷，共布置有11個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為50 m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置4個(gè)鉆孔，具體布置如圖3所示。鉆孔終孔與材料巷水平間距控制在5～23 m范圍，距頂板高度控制在15～25 m范圍。鉆孔采用127 mm鉆頭開(kāi)孔，108 mm巖芯管封孔，終孔直徑約94 mm。瓦斯抽放選用2BEl- 253 -0型水環(huán)式真空泵配75 kW電機(jī)，抽排管路采用ϕ 159 mm聚乙烯管。管路具體敷設(shè)路線為：3上 219材料巷鉆場(chǎng)→3上219材料巷→3上219材料巷泵站硐室（泵站）→3上219材料巷→東二輔助回風(fēng)巷→3上219瓦斯抽放專用釋放巷。

 當(dāng)工作面推進(jìn)位置接近鉆孔終孔位置時(shí)，瓦斯?jié)舛群统榉帕棵黠@升高，瓦斯?jié)舛群统榉帕侩S工作面推進(jìn)依次經(jīng)歷緩慢增加階段、穩(wěn)定階段和衰減階段3個(gè)階段。在高位鉆孔抽放期間，抽放流量比較穩(wěn)定，抽放瓦斯?jié)舛然�本維持在10%左右，抽放效果非常明顯。

4  瓦斯與自然發(fā)火耦合防治的關(guān)鍵

 (1)嚴(yán)格控制瓦斯抽放負(fù)壓和流量，并及時(shí)根據(jù)3上219工作面的自然發(fā)火、漏風(fēng)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)抽放負(fù)壓和流量進(jìn)行調(diào)整。在確�？山鉀Q工作面瓦斯問(wèn)題的前提下，可通過(guò)適當(dāng)縮短單次抽放時(shí)間、抽放負(fù)壓、減少抽放次數(shù)等方法將瓦斯抽放對(duì)工作面自然發(fā)火防治的負(fù)面影響降到最低。

 (2)當(dāng)3上216采空區(qū)存在自然發(fā)火隱患時(shí)，應(yīng)立即停止瓦斯抽放，并通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆孔向采空區(qū)間歇性注入氮?dú)�，但是注氮壓力不可太大，單次注入量也不可太多，�?dāng)確保采空區(qū)無(wú)自然發(fā)火隱患時(shí)，方可重新開(kāi)始瓦斯抽放。

 (3)要對(duì)工作面的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化完善，特別是通風(fēng)負(fù)壓和風(fēng)量，必要時(shí)可采用開(kāi)區(qū)均壓通風(fēng)，盡可能利用通風(fēng)在瓦斯治理中的作用，增大風(fēng)排瓦斯量，同時(shí)要減少工作面與采空區(qū)間的漏風(fēng)量，以防給自然發(fā)火防治工作帶來(lái)壓力。

5結(jié)論

 (1)瓦斯與自然發(fā)火共生災(zāi)害已成為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要災(zāi)害模式，兩者的治理工作應(yīng)結(jié)合考慮，既要避免顧此失彼，同時(shí)要將兩者之間的相互影響降到最低。

 (2)3上219工作面自然發(fā)火的防治采用了預(yù)防為主的思路，采用了采空區(qū)自然發(fā)火監(jiān)測(cè)、采空區(qū)注漿、采空區(qū)噴灑阻化劑、工作面煤體超前惰化、鄰側(cè)采空區(qū)堵漏風(fēng)等技術(shù)措施，有效防止了自然發(fā)火事故的發(fā)生。

 (3)鄰近采空區(qū)瓦斯抽放和高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)在3上219工作面的應(yīng)用取得了顯著的瓦斯抽放效果，同時(shí)結(jié)合自然發(fā)火的防治情況確定瓦斯抽放參數(shù)設(shè)置、抽放時(shí)間的選擇，有效避免了瓦斯抽放對(duì)工作面自然發(fā)火防治的影響，確保了工作面的安全生產(chǎn)。