白皎矿掘进期间火与瓦斯耦合灾害综合防治技术

汤 平 ，王 帅 ，谢先明 ，陈 洋

（1.四川芙蓉集团实业有限责任公司，四川 宜宾 644002；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

随着我国煤矿技术装备水平的不断提高，煤矿安全形势不断好转，但重特大火灾及其引发的瓦斯爆炸等次生灾害事仍时有发生[1-4]。特别是随着我国煤炭行业开采深度和开采强度的不断增大，瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井不断增多，由于内因火灾和环境及人为因素等导致的外因火灾问题也越发严重，导致火与瓦斯2 种灾害共存的不利局面[5-6]。例如黑龙江、山西、淮北、川南等多地区矿井均出现了2 种灾害耦合的情况，影响了安全生产甚至导致了惨重的经济损失。据统计[7-10]，我国大约 230 个矿井中 1/3 出现了火灾和瓦斯爆炸共生的灾害且这种复合灾害叠加模式成了一种较难调转的趋势。

采空区作为井下最容易发生着火和积聚瓦斯甚至发生爆炸的地点之一，虽然单独对待一种灾害的方法和技术措施比较完善，但是对待这2 种灾害耦合影响作用的情况，现有的多数技术手段还是显得有些薄弱，甚至在治理一种灾害的同时会加重另一种灾害的影响[11-13]。以白皎矿2274 工作面掘进过程中上覆2273 采空区内出现的火与瓦斯耦合共生的灾害为研究对象，基于现场实际情况找到两者耦合影响范围，采取了加强掘进巷道支护、全断面喷浆及上邻近层采空区注浆与瓦斯抽放钻孔一体化的综合技术措施，保证了该矿井安全生产[14-15]。

1 矿井概况及火与瓦斯情况

四川省宜宾市珙县白皎矿采用主、副平硐加暗斜井的开拓方式，工作面走向长壁后退式、采区前进式的开采方法，矿井为抽出式通风方法，核定生产能力为0.75 Mt/a，平均绝对瓦斯涌出量为80.71 m3/min，平均相对瓦斯涌出量为 53.99 m3/min，属于煤与瓦斯突出矿井，该矿百万吨发火率为6 次且矿井近年来发生火与瓦斯耦合灾害渐多。

2274 掘进工作面平均走向长680 m，平均倾斜长120 m，煤层自然发火期3～8 个月，最短仅有18 d，属于Ⅱ类自燃煤层。本煤层4#距离上覆2#煤层平均5.7 m，距离上覆3#煤层平均距离2.67 m，其中3#煤层曾发生过自然发火事故，由于近距离煤层群赋的影响，3#煤层常与4#煤层发生贯穿，状态较不稳定且受采动影响、采空区近距离煤层间漏风和采空区内赋存遗煤释放瓦斯等综合因素影响，促成了3#煤层采空区内火与瓦斯灾害共存且互相影响的局面。4#煤层掘进工作面与3#煤层采空区位置关系如图1。

图1 4#煤层与3#煤层工作面位置关系图Fig.1 Position relation diagram of 4# coal seam and 3# coal seam working surface

2 火与瓦斯耦合区域的定位

2.1 定位原理

耦合区域的定位即在工作面或采空区设置监测设备和布置探测点，通过各探测点监测到的各指标气体浓度取交集得到的就是发生耦合的区域。一般来说，当采空区内满足遗煤自然发火条件且CH4混合气体处于易燃易爆浓度值域时就会产生火灾与瓦斯爆炸共生灾害危险；当采空区内遗煤自然发火条件不满足，既使CH4混合气体处于易燃易爆浓度值域时也不会产生火灾与瓦斯爆炸共生灾害危险；同理，采空区内满足遗煤自然发火条件但CH4混合气体处于煤矿安全规定的允许浓度区间即无易爆易燃的可能则也不会有2 种灾害共生的风险。因此对于2273 煤层采空区内可能发生耦合灾害区域的定位要先找到采空区自燃带范围，再通过爆炸界限公式计算出CH4混合气体易燃易爆浓度范围区间，两者叠加即构成易发生火灾与瓦斯灾害的耦合区域。为了研究和计算方便，假设瓦斯混合气体爆炸主要为CH4，对于氧化带的范围确定采用氧气浓度指标来划分。甲烷混合气体的爆炸界限计算公式如下：

式中：y 为 CH4混合气体爆炸界限；Q1、Q2、…、Qi为多种可燃气体（CO、C2H4、C2H6、C2H2等） 浓度值；n1、n2、…、ni为多种可燃气体的爆炸界限。

2.2 各标志浓度气体监测及分析

随着2274 工作面的不断掘进，对2273 采空区进行了约60 d 的数据（氧气浓度、气体温度、一氧化碳浓度等）监测。

2.2.1 采空区升温速率的监测与分析

采空区进风侧升温速率曲线如图2，采空区回风侧升温速率曲线如图3。

图2 采空区进风侧升温速率曲线Fig.2 Temperature rising rate curves of intake air side of goaf

从图2 与图3 可以看出，进风侧0～50 m，升温速率一直是增加状态，50～75 m 升温速率降低，但是采空区内温度总体依然处于升高状态，升温速率超过1 ℃/d 的测点距离工作面40 m 左右，因此可以认为采空区进风侧热量积聚在工作面40 m 之后的范围开始显现。回风侧0～80 m 左右，升温速率一直是增加状态，80 m 达到最高值，之后升温速率降低，升温速率超过1 ℃/d 的测点距离工作面25 m 左右，因此可以认为采空区回风侧热量积聚在工作面25 m 之后的范围显现。综上所述，2273 采空区内距工作面0～25 m 范围热量不易聚集，25 m 之后容易出现热量积聚现象。

图3 采空区回风侧升温速率曲线Fig.3 Temperature rising rate curves of return air side in goaf

2.2.2 CO 气体监测与分析

采空区进风侧CO 浓度曲线如图4，采空区回风侧CO 浓度曲线如图5。从图4 与图5 可以看出，采空区内遗煤在距离工作面40～80 m 范围内容易出现缓慢氧化，65 m 左右氧化显现比较强烈。

图4 采空区进风侧CO 浓度曲线Fig.4 CO concentration curves on the intake air side of goaf

2.2.3 O2浓度监测与分析

采空区进风侧氧气浓度曲线如图6，采空区回风侧氧气浓度曲线如图7。从图6 与图7 可以看出，采空区内氧气浓度逐渐降低，监测完成时最终氧气浓度为9%，但0～30 m 范围内氧气浓度变化均不太显著。进风侧采空区内测点距离工作面0～115 m 为散热带和氧化带范围，回风侧采空区内测点距离工作面0～100 m 为散热带和氧化带范围。

图5 采空区回风侧CO 浓度曲线Fig.5 CO concentration curves on the return air side of Goaf

图6 采空区进风侧O2 浓度曲线Fig.6 Oxygen concentration curves on the intake air side of goaf

图7 采空区回风侧O2 浓度曲线Fig.7 Oxygen concentration curves on the return air side of goaf

2.3 CH4 易燃易爆浓度区域的确定

基于之前为了方便研究做出的假设和CH4爆炸界限计算公式，公式中的可燃气体认为只有CH4和CO，根据监测数据可知CO 最高浓度为47×10-6，故不考虑CO 对爆炸影响，CH4最大值取0.052，运用公式计算得CH4爆炸界限值约为0.049 2。运用MATLAB 数据分析软件可知自燃带和CH4易爆区间叠加区域为采空区内靠近回风侧方向距离工作面76～100 m。

3 火与瓦斯耦合灾害区域的综合防治技术

3.1 加强2273工作面采空区气体监测与预防

在2274 掘进工作面运输巷和回风巷内施工观测孔，对2273 采空区内定位的火与瓦斯耦合灾害危险区域进行监测，以人工色谱取样为主，外围密闭监测为辅，观测孔间隔平均25 m，在接近危险区域的地方间隔为15 m 左右，1 排1 孔，钻孔角度为90°垂直向上，终孔透穿2273 采空区底板并下套管，每班至少抽气1 次送至地面对各指标气体浓度和温度进行色谱分析，以便更好地预测危险区域情况。

3.2 掘进期间采空区内耦合危险区域的防治

1）加强掘进巷道支护，减少向上覆2273 采空区内危险区域漏风。在极近距离煤层2274 掘进期间尽量保证巷道一次成形，降低巷道维修工作对上覆采空区扰动影响，基于煤岩体力学性质和地质条件，掘进巷道采用工字钢梯形支护方式。

2）巷道全断面喷浆，减少掘进期间正压通风向危险区域漏风。期对掘进巷道整体喷浆厚度为10 m，封堵漏风效果差，确定危险区域后，将喷浆厚度改为40 m，减少掘进期间漏风对耦合危险区域的影响。

3）对上覆2273 采空区耦合灾害风险区域及周围进行注浆操作。2274 工作面运输巷、回风巷内向2273巷道及危险区域施工28 个注浆钻孔兼做瓦斯泄放孔和观测孔，注浆时直到钻孔注不进去为止，同时在危险区域和异常高温区域补打注浆钻孔，保持连续注浆状态，并通过未注浆的钻孔观测危险区域情况。

3.3 危险区域的防治效果

通过上述技术措施，有效地预防和控制了上覆2273 采空区内隐藏的火与瓦斯耦合灾害，掘进期间通过检测得到的CH4含量小于8 m3/t，绝对瓦斯涌出量能维持在 0.5 m3/min，CO 浓度从 1 800×10-6逐渐降到 1 200×10-6，最终稳定在 20×10-6。

4 结 论

1）近距离煤层群开采，下煤层掘进期间易产生层间漏风，增大了上覆采空区自然发火威胁。

2）基于火与瓦斯耦合灾害定位原理，划定自燃带和CH4易爆区间叠加区域为2273 采空区内靠近回风侧方向距离工作面76～100 m。

3）通过加强巷道支护、全断面喷浆、施工观测钻孔、注浆钻孔兼做泄放瓦斯孔等综合技术措施，有效的消除了2273 采空区内火与瓦斯耦合灾害区域的威胁。