半孤岛综放工作面采空区自然发火监测及治理技术研究

郭兴明（山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003）



半孤岛综放工作面采空区自然发火监测及治理技术研究

郭兴明
（山西大同大学煤炭工程学院,山西省大同市,037003）

摘要在对半孤岛综放工作面采空区发生自然发火的特点进行分析的基础上,根据岱庄煤矿2108半孤岛综放工作面的实际情况,研究确定了工作面邻侧、后部采空区监测技术及工作面通风压能监测技术相结合的采空区自然发火监测方案,对于及时发现自然发火隐患及漏风源起到了重要作用,有效提高了自然发火预测预报的准确性和时效性,同时有针对性地提出了采空区自然发火的治理对策,保障了工作面的安全生产。

关键词半孤岛综放工作面 自然发火 采空区 监测技术 隐患 漏风源

煤炭自燃是我国煤矿开采期间的主要灾害之一,矿井一旦发生煤炭自燃,会危及井下作业人员的身体健康和生命安全,造成煤炭资源的大量损失,对矿井的安全生产构成严重威胁。随着矿井开采深度和强度的不断加大以及高产高效新技术的发展和应用,采空区遗煤量增多、漏风量增大、漏风规律更加复杂、自然发火期缩短,采空区发生自然发火的危险性大大增加。而半孤岛综放工作面的应力更加集中,特别是邻近采空区的巷道区域,更易造成工作面矿压显现强烈、巷道变形破坏严重,同时由于工作面邻侧采空区存在大量遗煤,而留设的煤柱在采动影响和集中应力影响下极易发生变形和破坏,形成裂隙,产生漏风通道,故邻侧采空区存在很大的自然发火危险性。

自然发火监测技术是煤炭自燃防治中的首要环节,对于及时发现自然发火隐患,进而采取及时有效的治理措施具有重要的参考价值。因此,对半孤岛综放工作面自然发火监测技术进行研究,对于防止自然发火事故的发生,降低自然发火的防治成本,保障工作面的安全生产具有重要意义。

1　工作面概况

山东岱庄煤矿主采3＃煤层,煤层构造较简单,倾角为10°左右,平均厚度8.73 m,采用综采放顶煤开采工艺。该煤层具有强烈的自然发火倾向性。2108工作面位于3＃煤层,是典型的半孤岛工作面,邻侧为2107工作面采空区,巷道与邻侧采空区的隔离煤柱为6 m,工作面走向长度904 m,倾斜长度82 m,该工作面的自然发火倾向性等级为I 类,在该工作面取样实测得出最短自然发火期仅为36 d。

2　半孤岛综放工作面采空区自然发火特点分析

（1）采空区漏风规律复杂。综放工作面的开采高度和强度大,采空区的冒落高度和范围明显大于综采工作面,从而造成采空区上覆岩层中的离层裂隙和采动裂隙更多、范围更广,更容易沟通邻近的煤层和相邻的工作面空间,形成复杂的漏风通道条件。半孤岛综放工作面与邻侧采空区的隔离煤柱存在严重的应力集中情况,特别是在采动集中应力作用下,隔离煤柱极易被压酥,产生大量漏风裂隙,甚至发生破坏,从而使工作面后部采空区与邻近采空区连通在一起,使工作面与邻近采空区具备漏风通道条件。在工作面通风负压和漏风通道条件下,使得工作面、其后部采空区及邻近采空区三者之间产生漏风,且漏风通道复杂,漏风强度多变。在复杂的漏风条件和较大漏风量下,采空区的大量遗煤发生自然发火的危险性和自然发火不确定性大为增加。

（2）采空区自燃高温区域动态变化。半孤岛工作面采空区的漏风规律复杂,采空区自燃带内的大量遗煤在漏风供氧条件下,会发生煤氧复合作用,并产生大量氧化放热,在热量集聚到一定程度后,就会发生煤炭自燃,并形成高温火源点。由于半孤岛工作面的漏风流场会发生动态变化,进而造成高温火源点位置和范围发生动态变化,同时由于采空区自燃三带随工作面推进而不断前移,不断地形成新的自燃高温区域,高温火源区域随工作面推进始终处于动态变化状态,增大了采空区自然发火的监测难度和发生自然发火的危险性。

（3）采空区周边和两道两线发火率高。综放工作面回采期间,老顶会发生周期破断,老顶岩块间会产生立体咬合关系,形成砌体梁结构,老顶的四周裂缝贯通后会形成O形圈,导致老顶周围裂隙的发育和贯通程度大,所以采空区周边是重要的漏风通道,且其漏风强度较大,造成采空区周边区域自然发火率居高不下。

综放开采工艺的进、回风巷道支架处的放煤率低,在采动影响下,顶煤受压而发生破碎、压酥、离层等现象,具备良好的漏风条件和氧化蓄热环境;综放工作面初采期间推进速度较慢,回采率低,导致开切眼区域的遗煤量大且较松散破碎,遗煤氧化作用时间长;在距停采线一定距离时,工作面不放顶煤,该区域存在大量遗煤,故综放工作面在末采和回撤期间容易发生煤炭自燃。因此,综放工作面的进、回风巷道、开切眼及停采线区域的自然发火危险性大。

（4）巷道邻侧采空区自然发火危险性高于工作面后部采空区。综放工作面回采期间,其后部采空区遗煤处于初次氧化阶段,而邻近采空区遗煤处于二次氧化阶段,邻近采空区的遗煤往往已经发生过氧化作用,集聚了一定热量,煤体温度较高,试验研究表明,煤体在二次氧化期间的耗氧速率和放热强度均较初次氧化期间明显增大,所以二次氧化期间的自然发火期明显缩短,自然发火的发生率增加,故工作面巷道邻侧采空区较工作面后部采空区更容易发生自然发火。

3　半孤岛工作面采空区自然发火监测技术

通过上述分析认为应加强对半孤岛综放工作面采空区（特别是邻近采空区）自然发火的监测,以提高自然发火预测预报的准确性和实效性。为此,根据2108工作面的实际情况,确定了工作面邻近采空区、后部采空区的自然发火监测方案以及工作面通风压能监测方案。

3.1邻侧采空区自然发火监测方案

在2108工作面回风巷向其邻侧的2107采空区施工自然发火监测钻孔,钻孔沿工作面走向布置,钻孔间距20 m,钻孔长度6 m,钻孔高度为距煤层底板1.5 m,监测钻孔的具体布置如图1所示。

每个监测钻孔布置温度传感器和取样束管各一路,通过钢管将温度传感器和取样束管送入预定位置,同时钢管可起到防护作用。在取气束管前端安设粉尘过滤器以防止采空区的煤尘将束管堵塞,钢管的两端头用快速水泥进行封堵,并对其密封效果进行检验,以确保通过束管所取气样为2107采空区内气体,监测钻孔结构如图2所示。随着2108工作面推进,每天采集并记录各防灭火监测钻孔的温度数据,同时采集气样,并通过气相色谱分析仪对各监测钻孔气样进行分析。

图1　邻侧采空区监测钻孔布置

图2　监测钻孔结构示意图

3.2工作面后部采空区自然发火监测方案

在2108工作面的后部采空区预先埋设束管和温度传感器,共布置了7个束管取样和温度监测点,其中1＃、2＃监测点布置于进风巷,3＃、4＃监测点布置于回风巷,在工作面20＃、40＃和60＃支架后依次布置5＃、6＃、7＃监测点,其中1＃、3＃监测点距5＃、6＃、7＃监测点15 m,距2＃、4＃监测点30 m,每个监测点都安设温度传感器和束管装置,温度传感器采用铂电阻温度传感器。束管取样和温度监测点的布置如图3所示。

各监测点的温度传感器和取样束管均放入钢管中加以保护,同样在取气束管前端安设粉尘过滤器。每天对各监测点的温度进行记录,并通过气相色谱分析仪对各监测点所取气样进行分析,根据束管监测结果,确定2108工作面自燃三带的分布规律,同时加强对工作面回风隅角、支架后部采空区和回风流的气体监测。

图3　束管取样和温度监测点布置

3.3工作面通风压能监测方案

2108工作面通风压能监测的测点布置如图4所示,在2108进风巷的风流入口、巷道中部和进风隅角各布置一个测点,在距进风隅角30 m、60 m处的工作面区域均布置一个测点,在2108回风巷的回风隅角、风流出口、距回风隅角每隔50 m的位置均布置测点,每天采用精密气压计对工作面区域各测点的气体压力进行测点,并对进、回风巷和工作面的风速、风量等风流基本参数进行测定;同时通过2107采空区监测钻孔,每天对各钻孔连通的2107采空区气压进行监测。根据监测结果,对2108工作面采空区和邻侧采空区的漏风状况进行分析,并对漏风量进行估计。

图4　工作面通风压能测点布置

4　半孤岛工作面采空区自然发火治理对策

（1）对2108工作面邻侧及后部采空区进行预防性灌浆,采用以粉煤灰为主的注浆材料,水灰比为2.5∶1,同时配以5%～10%的阻化剂。在2107采空区的监测钻孔间施工注浆钻孔,在工作面中部、进回风巷道布置3路注浆管路,工作面的注浆口距工作面约35 m,且随工作面推进而前移,每天在检修班持续注浆3 h以上。

（2）若2108工作面邻侧的2107采空区的CO浓度异常升高或出现C2H2气体,同时温度也在持续升高,说明2107采空区已经存在自然发火迹象,采用DT－700型制氮机通过预防性注浆钻孔向2107采空区间断性注入氮气,注氮压力设定为1.0 MPa,氮气纯度必须达到97%以上,根据采空区的监测结果及时调整注氮频率和注氮量,直至采空区的气体浓度和温度恢复正常,同时要采取措施防止注氮管口堵塞。若工作面后部采空区的CO、C2H2气体浓度及温度出现异常,则通过注浆管路向工作面后部采空区注入氮气。

（3）若工作面与其邻侧、后部采空区存在漏风,应首先对工作面的风量和风压进行调节,采用沙袋充填进、回风侧采空区巷道,减少工作面与采空区间的漏风量。同时在2108回风巷向2107采空区一侧喷涂艾格劳尼快速堵漏风泡沫材料,该材料由树脂和发泡剂等两种成分组成,两种材料按20∶15的比例混合。该材料可快速生成泡沫,具有良好的膨胀能力,使用量少、抗静电,使用简单且经济。

5　结论

（1）半孤岛综放工作面的采空区存在很高的自然发火危险性,具有采空区漏风通道多、强度大、漏风规律复杂,自燃高温区域随漏风及工作面推进会发生动态变化,采空区的周边、两道两线是自然发火的高危区域,工作面邻近采空区自然发火率要高于后部采空区的特点。工作面的邻侧采空区和后部采空区应作为自然发火监测预报的重点区域。

（2）为确保能及时发现工作面后部及邻侧采空区的自然发火隐患和漏风源,在2108工作面采用了工作面后部、邻侧采空区监测和工作面通风压能监测相结合的自然发火监测技术,有效提高了工作面自然发火隐患及漏风监测的效率和准确性。

（3）根据半孤岛综放工作面的特殊实际,结合自然发火监测结果,提出了包括采空区预防性灌浆、采空区注氮、喷涂堵漏风材料和调节通风系统等治理对策,有效降低了采空区自然发火的发生率和危险性,确保可及时有效地处理自然发火隐患。

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（责任编辑张艳华）

Study of the monitoring and control technology of coal spontaneous combustion in the goaf of half isolated island fully mechanized caving face

Guo Xingming
（College of Coal Engineering,Datong University of Shanxi,Datong,Shanxi 037003,China）

AbstractBased on the analysis of the features of coal spontaneous combustion in the goaf of half isolated island fully mechanized caving face,according to the actual situations of 2108 half isolated island fully mechanized caving face,the monitoring plan of coal spontaneous combustion in the goaf,which combined the gas monitoring in the neighbor and back goaf of working face and air pressure monitoring of working face,was determined.The monitoring plan had an important effect on the finding the hidden danger of coal spontaneous combustion and air leakage source in time and effectively increased the accuracy and timeliness of prediction and forecast of coal spontaneous combustion,and presented the targeted treatment countermeasures of coal spontaneous combustion in goaf and ensured safety production of working face.

Key wordshalf isolated island fully mechanized caving face,spontaneous combustion,goaf, monitoring technology,hidden danger,air leakage source

作者简介:郭兴明（1965－）,男,山西省怀仁人,硕士研究生,主要从事教学和教学管理工作,研究方向为煤矿井下掘进支护。

中图分类号TD75

文献标识码A