防冲卸压爆破与密闭墙气体异常耦合分析研究

刘大虎 秦 鹏 孔 雷

（山东省天安矿业集团业有限公司，山东 曲阜 273100）

1 概述

星村煤矿3 煤层为易自燃煤层，实验最短自然发火期为24d。以往工作面回采及回撤过程中时常会出现自然发火隐患，防火密闭墙内由于服务年限较长会出现高氧气、高一氧化碳情况。中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室对三采区3煤岩层进行了冲击倾向性鉴定，结论为强冲击倾向性煤层。星村煤矿掘进煤巷及回采综放工作面均发生过冲击地压事故。冲击地压重大风险与自然发火重大风险并存。

矿井按照《煤矿安全规程》要求对所有永久性密闭墙每周进行一次人工束管抽样分析，分析结果均未发现异常。2019 年9 月25 日束管采样分析3303 轨道顺槽密闭墙内气体时出现高浓度一氧化碳（1156ppm）、乙烯（27.10ppm）、乙烷（2347ppm）情况。

2 防冲卸压爆破与密闭墙气体异常耦合分析研究

2.1 3303 轨道顺槽密闭墙简介

（1）3303 轨道顺槽（集中辅助进风巷至运煤巷）沿3 煤顶板布置，采用锚网索+钢带联合支护。3 煤上距2 煤22.2 ～38.8m，平均26.0m。2 煤平均厚度0.5m，沉积不稳定。工作面回采结束后根据《煤矿安全规程》要求及煤矿安全生产标准化要求在45d 内完成了最外侧两顺槽密闭（与集中辅助进风巷交叉地点去往两顺槽不大于6m 地点）。密闭采用砖墙施工，掏槽卧底300mm，密闭墙厚度500mm，密闭施工完成后对墙体进行喷涂新型材料堵漏处理。

（2）鉴于星村煤矿存在冲击地压及自然发火重大风险，为了有效消除采空区自然发火重大风险及冲击地压重大风险，矿井对采空区空巷采取充填的方式进行处理。充填材料主要为超高水材料、粉煤灰等。据统计3303 轨道顺槽密闭内空巷累计充填超高水材料23.65t、粉煤灰1180m3，充填空间估算535m3，基本上3303 两顺槽空巷已经充满。

（3）前期每周一次3303 顺槽密闭墙采样分析数据正常，一氧化碳浓度维持在10ppm 以下，氧气维持在2%以下，未出现乙烯气体。

2.2 3303 轨道顺槽密闭墙处煤体卸压爆破

由于集中辅助进风巷布置在煤巷中，留有一定顶煤，根据矿井卸压需要，集中辅助进风巷顶板需要实施深孔爆破卸压。如图1 所示。

图1 爆破卸压装药结构示意图

（1）钻孔间距为10m（不得超过10m），每组2 个钻孔，钻孔直径90mm，钻孔垂直于巷帮，分别在顶板两侧肩窝处开孔，与水平方向夹角60°(±5°)，深度不小于30m。

（2）每孔装药量：每孔装90 卷煤矿许用二级水胶炸药，共27kg，装药长度12m。炸药规格：使用煤矿许用二级水胶炸药，Φ27mm×400mm×300g。

（3）药卷包裹：每3 卷炸药绑扎成一捆（使用脚线或胶带），将成捆炸药放入PE 管中，装药时PE 管两端要用水泥药卷或炮泥封堵严，封堵长度不小于400mm。

2.3 耦合分析

根据9 月25 日3303 轨道顺槽密闭墙内束管分析报表：密闭墙内出现高浓度一氧化碳（1156ppm）、乙烯（27.10ppm）、乙烷（2347ppm），但二氧化碳 （0.04%）、氧气(1.06%)数值极小，判断在氧气低于3%下不可能发生煤层自燃隐患。集中辅助进风巷正在实施顶板深孔卸压爆破，且出现抽炮、邻近空眼出现气体的现象，冲击地压卸压爆破与密闭墙内气体异常形成耦合因素造成上述结果。

（1）集中辅助进风巷在3303 轨顺顺槽中间位置施工一顶板深孔卸压孔，水平方向距开门点26.4m，垂直方向炸药距巷道顶板最小距离14.12m。此处巷道支护锚索长度6m（端头锚固），距支护空隙8m 多，且单孔装药量达27kg。此自由面距爆破孔段较弱，容易破坏。爆破导致裂隙造成漏风通道，抽炮残留气体随漏风通道进入密闭墙内。如图2 所示。

图2 深孔卸压孔与巷道距离示意图

（2）3303 轨道顺槽施工时间较长，密闭墙服务年限超过3 年，密闭内空巷周围顶板下沉产生裂隙，密闭内充填的超高水材料承压低，后期充填粉煤灰含大量水。且此段巷道基本为水平巷道，水分浸泡顶板和水的流失都造成密闭内局部地点存在孔隙，为爆破产生的气体、抽炮产生的气体涌出提供了通道。

（3）9 月25 日束管采样时检测人员未发现3303 轨道顺槽密闭墙出现烟雾且无明显漏风等自然发火迹象，同时发现密闭墙内空气压差显示外侧高，数据显示气体与密闭内自然发火指标气体不同，氧气浓度小于2%，二氧化碳浓度0.04%。

3 治理过程及效果

3.1 治理过程

由于判定上述密闭墙内气体异常情况在氧气低于3%下不可能发生煤层自燃隐患。集中辅助进风巷的顶板深孔卸压为爆破产生的气体、抽炮产生的气体涌出提供了裂隙通道，冲击地压卸压爆破与密闭墙内自然发火隐患形成耦合因素造成上述结果。

（1）对3303 轨道顺槽密闭墙间歇性注充填材料（超高水材料、粉煤灰、其他充填材料等），对密闭墙体进一步喷涂堵漏处理。

（2）密闭墙周围施工的深孔卸压爆破孔已经完成，每班安排专人加强密闭墙周边抽炮区域、异常区域的采样分析。

（3）安排专人每天三班对密闭墙进行抽样分析直至气体采样结果正常。

3.2 治理效果

9 月25 日至10 月4 日轨道顺槽密闭墙内束管分析报表如表1 所示。

表1 束管分析报表

4 结语

防冲卸压爆破应尽可能地减少对采空区防治自然发火的影响。

（1）冲击地压矿井应从整体采区及工作面设计上将综放工作面停采线外巷道、集中巷等主要风巷布置在岩层中，避免布置在煤层中因卸压造成的自然发火干扰因素。

（2）永久性密闭墙布置在煤巷中的应采取以下措施防止卸压与密闭内自然发火耦合。

① 永久性密闭墙附近不应有爆破活动，卸压造成的空洞应及时采取措施进行封堵，否则应考虑爆破对周边巷道的破坏以及可能产生新的裂隙造成漏风，采取措施防止采空区发火、瓦斯爆炸、冲毁密闭墙。

② 永久性密闭墙内空巷充填后仍存在一些空隙，密闭墙外巷道失修，采用锚网支护修复后需采取喷浆封闭围岩，防止漏风。

③ 永久性密闭墙附近施工卸压大孔等活动，应避开巷道压力和支护影响区域，防止大孔与巷道裂隙沟通产生漏风。

④ 与采空区连通的密闭墙布置在煤层中时充填空巷长度不低于20m，且应充实顶板破碎区。

（3）深部矿产资源的开采面临着冲击地压、自然发火、高温等难题。冲击地压防治与管控大部分通过煤体卸压的手段来实施，但卸压爆破作业残留的气体极易与煤体自然发火的指标性气体混淆。冲击地压矿井密闭墙内忽然出现高浓度一氧化碳及乙烯等自然发火指标性气体时应进行认真分析，优先考虑卸压爆破的影响。