易燃厚煤层半孤岛综放工作面瓦斯与火耦合防治技术

吴 磊 白永萌（枣庄科技职业学院，山东省滕州市，277500）



易燃厚煤层半孤岛综放工作面瓦斯与火耦合防治技术

吴 磊 白永萌
（枣庄科技职业学院，山东省滕州市，277500）

摘 要针对瓦斯与自然发火防治中存在的顾此失彼、治理措施相互干扰影响大等问题，结合3上219半孤岛工作面的实际情况，确定了预防为主的自然发火治理思路，重点采用了采空区自然发火监测、采空区预防性注浆和喷洒阻化剂、工作面煤体超前惰化、邻侧采空区堵漏风等预防措施，在此基础上，采用了邻近采空区抽放和高位钻孔瓦斯抽放的瓦斯治理技术措施，瓦斯抽放参数、抽放时间根据工作面自然发火情况及时优化调整，有效防止了工作面开采期间瓦斯与自然发火灾害的发生，保障了工作面的安全生产。

关键词易燃厚煤层 半孤岛工作面 自然发火 瓦斯抽放

随着矿井开采深度和强度的不断加大，采空区遗煤增多，煤层瓦斯含量增大，矿井的瓦斯涌出量增加，同时煤层的自然发火危险性也明显增大，许多矿井开始面临瓦斯、自然发火双重灾害防治的问题，特别是采空区等遗煤量大、漏风严重且容易积聚大量瓦斯的区域。周福宝通过对我国229对大型矿井进行调研，发现其中32.3%的矿井存在瓦斯与自然发火灾害问题。瓦斯与自然发火共生灾害已成为一种威胁矿井安全生产的重要灾害模式。

目前矿井应用的瓦斯和自然发火灾害的防治措施大多是针对其中的一类灾害，对两类灾害防治中的相互影响和联系往往缺乏考虑，因此在灾害防治过程中容易出现顾此失彼的问题，使矿井的瓦斯与自然发火的灾害防治工作陷于被动，不仅不能有效解决目前正在发生的灾害问题，还会使另一类灾害的危险性增加，使矿井的安全形势更加严峻。因此，对瓦斯与自然发火灾害的耦合防治技术进行研究，对于存在瓦斯与自然发火共生矿井的灾害防治具有重要意义。

1　矿井概况

3上煤层是付村煤矿的主采煤层，最短自然发火期仅为46 d，属易自燃煤层。付村煤矿的东二采区及东二辅助采区是3上煤层的瓦斯异常区，3上219综放工作面位于付村煤矿东二采区，是半孤岛工作面，邻侧为3上216工作面采空区，隔离煤柱宽5 m。该工作面走向长度1086 m，倾斜长度148 m，采高5.1～5.6 m，煤层倾角3°～9°。3上219工作面的瓦斯绝对涌出量为19.0735 m3/min，相对涌出量为8.323 m3/t，周期来压期间瓦斯涌出量会明显增大。工作面回采期间回风隅角和回风流瓦斯浓度时常高达0.8%以上，由于岩浆岩侵入、地质构造、邻近采空区瓦斯涌入等因素使得3上219工作面回采期间时常发生瓦斯涌出异常、瓦斯涌出量增大的问题，严重影响工作面的正常生产。

对3上219工作面瓦斯浓度进行实测分析，得出工作面落煤、煤壁和采空区的瓦斯涌出量分别为6.5439 m3/min、4.5609 m3/min和8.7252 m3/ min，分别占瓦斯总涌出量的33%、23%和44%。采空区瓦斯涌出是3上219工作面的主要瓦斯涌出源，是该工作面瓦斯防治的重点区域。由于3上219工作面后部采空区和邻侧的3上216采空区存在大量遗煤，具有很大的自然发火危险性。该工作面存在瓦斯与自然发火的双重灾害威胁，对工作面的安全生产构成了严重威胁。

为此，根据该工作面的瓦斯与自然发火灾害的实际情况，在自然发火的防治方面，以预防为主，在自然发火监测的同时，全面做好采空区惰化处理，尽可能避免采用注氮等对采空区气压影响较大的治理措施，以防发生瓦斯涌出异常；在瓦斯治理方面，以瓦斯抽放为主，用高位钻孔取代工作面后部采空区抽放，瓦斯抽放期间的参数设置、时间安排兼顾工作面与采空区间的漏风、采空区自然发火危险性等情况，尽可能避免瓦斯治理对工作面自然发火防治的负面影响。

2　自然发火防治技术方案

2.1 采空区自然发火监测

为全面掌握3上219后部采空区及其邻侧的3上216采空区的自然发火情况，采用监测钻孔与束管监测相结合的方式对采空区进行监测，具体监测方案在3上219运输巷向3上216采空区施工监测钻孔，钻孔间距50 m，距巷道底板高度1.5 m，同时在3上219工作面的运输巷、材料巷及工作面设置4个监测点，编号1#～4#，4个孔的位置见图1，每个监测钻孔和监测点均布置温度传感器和取气束管各一路。每天安排专人记录各监测钻孔和监测点的温度并采集气样，采用气相色谱分析仪对所取气样进行分析，重点关注CO和C2H4气体的浓度情况。随着工作面推进，4个监测点逐渐进入采空区，当测点距工作面100 m后，在原位置重新布设测点。

图1　自然发火监测方案布置

2.2 采空区注浆、喷洒阻化剂

在3上219工作面的运输巷、材料巷和工作面中部布置注浆管路，在注浆管路进入采空区20 m后开始注浆，注浆管路随工作面推进而前移。采用粉煤灰作为主要注浆材料，水灰比为2∶1，并配以6%～8%的阻化剂，每天连续注浆4 h以上。注入采空区的浆体可包裹在遗煤的表面，将其与氧气隔绝，延缓其氧化速度，同时浆体的水分蒸发可以吸收大量的采空区热量，减少采空区的热量积聚。为防止注浆盲区发生自然发火危险，每天向后部采空区喷洒阻化剂（水中配以10%的阻化剂），从而可起到全面惰化采空区的目的。

2.3 其他技术措施

（1）在3上219运输巷、材料巷施工钻孔对煤体进行注水，水中配以5%的阻化剂，注水钻孔间距20 m，长度70 m，两侧钻孔间隔布置，在超前工作面100 m的卸压区范围内注水，注水压力设定为15 MPa，每天连续注水4 h以上，起到超前惰化煤体的作用。

（2）在3上219运输巷向邻侧采空区的隔离煤柱喷涂堵漏风材料马丽散，喷层厚度30 mm以上，同时加强对3上219工作面的漏风监测，对主要的漏风源区域进行重点喷涂。

（3）当3上216采空区监测钻孔的CO浓度和温度持续升高，或者出现C2H4气体时，说明3上216采空区已经发生煤炭自燃，此时通过监测钻孔向3上216采空区进行间歇性注氮，要确保注入采空区的氮气浓度在97%以上。

3　瓦斯治理技术方案

3.1 邻近采空区瓦斯抽放

由于3上219工作面邻近的3上216采空区瓦斯含量高，大量瓦斯会随漏风进入3上219工作面，通过降低3上216采空区的瓦斯浓度可有效减少其向3上219工作面的瓦斯涌入。根据工作面实际情况，通过在3上219运输巷向3上216采空区施工平行钻孔，利用该矿的214瓦斯抽放泵站对3上216采空区内瓦斯进行抽放，自工作面切眼向外依次布置钻场，每个钻场布置3个钻孔，钻场间距20 m。钻孔的具体布置如图2所示。

图2　邻近采空区瓦斯抽放钻孔布置

钻孔长度为5 m，采用ø127 mm钻头开孔，ø108 mm钢管和花管封孔，封孔长度不小于1 m。选用2BE1－303－0型水环式真空泵配以110 k W电机进行瓦斯抽放，瓦斯抽排管路选用ø219 mm聚乙烯管。管路具体敷设路线为:3上219运输巷道钻场→3上219运输巷道→3上219运输巷道联巷→214泵站→东二辅采煤仓联巷→东二辅助回风巷。

首先利用1#钻场对3上216采空区的瓦斯进行抽放，在1#钻场距工作面不足5 m时启用2#钻场进行抽放，以此类推。邻近采空区抽放效果考察情况见表1，由表1可知，在3上216采空区瓦斯抽放期间，抽放流量达26～32 m3/min，抽放纯量为4.4～4.7 m3/ min，对邻近采空区的抽放效果显著。

表1　邻近采空区抽放效果

3.2 高位钻孔瓦斯抽放

高位钻孔是在工作面巷道向煤层顶板裂隙带施工的钻孔，在工作面推进前后，裂隙带岩层压实之前进行瓦斯抽放，可将冒落带和裂隙带内积聚的瓦斯抽出，以减少采空区向工作面的瓦斯涌出；并且可在工作面后部采空区形成一个低压区，改变采空区瓦斯的原始运移方向，有效减少回风隅角的瓦斯涌出与积聚。

3上219工作面的高位钻孔布置于材料巷，共布置有11个钻场，钻场间距为50 m，每个钻场布置4个钻孔，具体布置如图3所示。钻孔终孔与材料巷水平间距控制在5～23 m范围，距顶板高度控制在15～25 m范围。钻孔采用127 mm钻头开孔，108 mm岩芯管封孔，终孔直径约94 mm。瓦斯抽放选用2BE1－253－0型水环式真空泵配75 k W电机，抽排管路采用ø159 mm聚乙烯管。管路具体敷设路线为:3上219材料巷钻场→3上219材料巷→3上219材料巷泵站硐室（泵站）→3上219材料巷→东二辅助回风巷→3上219瓦斯抽放专用释放巷。

当工作面推进位置接近钻孔终孔位置时，瓦斯浓度和抽放量明显升高，瓦斯浓度和抽放量随工作面推进依次经历缓慢增加阶段、稳定阶段和衰减阶段3个阶段。在高位钻孔抽放期间，抽放流量比较稳定，抽放瓦斯浓度基本维持在10%左右，抽放效果非常明显。

图3　高位钻孔布置示意图

4　瓦斯与自然发火耦合防治的关键

（1）严格控制瓦斯抽放负压和流量，并及时根据3上219工作面的自然发火、漏风监测结果对抽放负压和流量进行调整。在确保可解决工作面瓦斯问题的前提下，可通过适当缩短单次抽放时间、抽放负压、减少抽放次数等方法将瓦斯抽放对工作面自然发火防治的负面影响降到最低。

（2）当3上216采空区存在自然发火隐患时，应立即停止瓦斯抽放，并通过监测钻孔向采空区间歇性注入氮气，但是注氮压力不可太大，单次注入量也不可太多，当确保采空区无自然发火隐患时，方可重新开始瓦斯抽放。

（3）要对工作面的通风系统进行优化完善，特别是通风负压和风量，必要时可采用开区均压通风，尽可能利用通风在瓦斯治理中的作用，增大风排瓦斯量，同时要减少工作面与采空区间的漏风量，以防给自然发火防治工作带来压力。

5　结论

（1）瓦斯与自然发火共生灾害已成为威胁矿井安全生产的重要灾害模式，两者的治理工作应结合考虑，既要避免顾此失彼，同时要将两者之间的相互影响降到最低。

（2）3上219工作面自然发火的防治采用了预防为主的思路，采用了采空区自然发火监测、采空区注浆、采空区喷洒阻化剂、工作面煤体超前惰化、邻侧采空区堵漏风等技术措施，有效防止了自然发火事故的发生。

（3）邻近采空区瓦斯抽放和高位钻孔瓦斯抽放技术在3上219工作面的应用取得了显著的瓦斯抽放效果，同时结合自然发火的防治情况确定瓦斯抽放参数设置、抽放时间的选择，有效避免了瓦斯抽放对工作面自然发火防治的影响，确保了工作面的安全生产。

参考文献：

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［2］ 马曙，杨明涛，李晓华.高瓦斯自燃煤层采空区瓦斯抽采及防灭火技术实践［J］.煤矿开采，2012（1）

［3］ 刘红.半孤岛综放工作面采空区瓦斯治理技术［J］.中国煤炭，2015（8）

［4］ 周福宝.瓦斯与煤自燃共存研究（Ⅰ）:致灾机理［J］.煤炭学报，2012（5）

［5］ 徐亚民.易燃厚煤层煤炭自燃与瓦斯综合防治技术［J］.煤炭科学技术，2013（8）

［6］ 李宗翔，吴强，肖亚宁.采空区瓦斯涌出与自燃耦合基础研究［J］.中国矿业大学学报，2008（1）

［7］ 高洋，赵志强，丁自伟等.高位钻孔瓦斯抽放技术在开滦矿区的应用［J］.中国煤炭，2011（2）

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（责任编辑 张艳华）

The technology of coupled prevention and control of gas and fire for long wall top coal caving half isolated island working face of thick and prone to spontaneous combustion coal seam

Wu Lei，Bai Yongmeng
（Zaozhuang Vocational College of Science& Technology，Tengzhou，Shandong 277500，China）

AbstractAiming at the issues that the countermeasures of gas and fire prevention and control interfered with each other and had great impact and cared for this and lose that，and combining with the actual situations of No.219 half isolated island working face of 3 up coal seam，the prevention first idea of coal spontaneous combustion prevention and control was determined，the key countermeasures，which were monitoring the goaf gas，prevention slurry injection and retarder spraying in the goaf，advanced inerting of working face coal，air leakage blocking of adjacent goaf，were adopted，on that basis，the gas control countermeasures that were gas drainage from the adjacent goaf and high level boreholes were employed and the parameters and time of gas drainage optimized and adjusted in time according to the goaf situations of coal spontaneous combustion，which effectively prevented the occurrence of gas and fire hazards during the working face mining and ensured the safety production.

Key wordsthick and prone to spontaneous combustion coal seam，half isolated island working face，coal spontaneous combustion，gas drainage

中图分类号TD712.6 TD752.2

文献标识码A

作者简介：吴磊（1980－），男，山东曲阜人，讲师，研究生学历，现任枣庄科技职业学院采矿工程专业教师。主要从事煤矿开采技术方面的教学和科研工作。