近距离煤层复合采空区煤自燃综合防治技术

秦波涛, 高远, 史全林, 时国庆

(1.中国矿业大学 煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室， 江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学 安全工程学院， 江苏 徐州 221116)

0 引言

煤自燃是煤炭开采面临的重大自然灾害之一，严重威胁矿井安全生产及矿工生命安全[1-4]。采空区是煤矿井下最易发生煤炭自然发火的区域，占煤自燃发生总数的60%以上[5-6]。由于我国近距离煤层赋存比重大，煤层开采过程顶板垮落产生大量的层间裂隙，使得多层、相邻的新老采空区相互连通，形成大面积复合采空区。近距离煤层开采形成的复合采空区遗煤分布范围广，大量遗煤呈现空间立体分布特点，因此煤自燃隐患点隐蔽性更强；同时，复合采空区存在本煤层相邻采空区的漏风及不同煤层的层间漏风，漏风量大，漏风规律难以掌握，使得复合采空区煤自燃灾害尤为频繁，危害十分严重。

为了掌握近距离煤层复合采空区煤炭自然发火规律，国内外学者主要围绕复合采空区遗煤反复氧化特性、裂隙发育过程、漏风路线及规律等方面开展了相关研究[7-11]，为复合采空区煤自燃防治提供了一定的理论指导。在复合采空区煤自燃防治技术方面，目前主要采用堵漏、注浆、注惰气、喷洒阻化剂、灌注凝胶等方式[12-15]，部分学者研究了复合采空区定向注浆、复合注惰气协同等技术[16-17]，并在煤矿现场进行了应用。但现阶段仍缺乏有针对性的复合采空区煤自燃综合防治技术体系的研究。为此，本文以某矿近距离煤层复合采空区煤自燃高温隐患综合治理为背景，基于现场实际与理论分析，对复合采空区煤自燃高温隐患区域进行快速判别，在此基础上提出了隐患应急控制与隐患高效治理的“两步走”综合治理方案，构建“堵漏控风-惰化降温-覆盖隔氧”三位一体的近距离煤层复合采空区煤自燃综合防治技术体系(图1)，有效治理了该矿复合采空区煤自燃。

图1 复合采空区煤自燃综合防治技术体系Fig.1 Technical framework of comprehensive prevention and control of coal spontaneous combustion in compound goaf

1 复合采空区煤自燃隐患概述

1.1 复合采空区基本情况

某矿二水平东翼下煤层22310综采工作面采后形成的采空区如图2所示。东部为矿井边界；西部为二水平东专回下延保护煤柱；南部为22290回采工作面；北部为未采实体煤；上覆为21310和21290相邻连通采空区，21310采空区北部为32010回采工作面，21290采空区南部为即将回采结束的21270工作面。二水平下煤层，即2019年8月已回采结束的22310工作面所采煤层，厚度为2.2～3.8 m，平均厚度为3.0 m，平均煤层倾角为5°30″，属于自燃煤层，地温31 ℃，属于地温偏高区，煤层原始瓦斯含量为3.7 m3/t，瓦斯压力为0.3 MPa。2016年1月已回采结束的21310采空区和2017年12月已回采结束的21290采空区所处煤层具有自燃倾向性，为Ⅱ级自燃。由于二水平东翼上下煤层近距离布置，层间距为1.5～10 m，导致本煤层22310采空区与上覆21290采空区、21310采空区连通，形成大面积连通复合采空区。

图2 22310复合采空区平面Fig.2 Plane of 22310 compound goaf

1.2 22310复合采空区煤自燃气体异常涌出

22310综采工作面于2019年8月回撤完毕，并完成永久密闭。其南部相邻22290备采工作面于2020年2月2日贯通形成全负压通风。2020年2月20日晚班，22310风巷密闭处出现CO异常情况，对密闭内气体多次采样化验后发现，22310风巷密闭内CO体积分数在1 000×10-6～3 000×10-6之间有较大波动，C2H4体积分数为19×10-6～48×10-6。因局部通风系统不稳定，密闭风流时进时出，22290机巷外段处CO体积分数达12×10-6。由此可见， 22310复合采空区及其连通区域已经出现了高温自燃隐患，严重影响矿井安全生产。

2 复合采空区煤自燃隐患区域分析

通过连续观测采空区密闭内气体浓度变化、附近永久密闭压差变化与进出风状态，根据采空区漏风源、漏风汇情况及各个已回收结束工作面的层位关系、层间距、地质构造，区段煤柱尺寸，终采线位置及回采期间丢煤情况等地质资料，经分析研判后确定22310复合采空区煤自燃高温隐患点在22310终采线、22310机巷与21310终采线间垮落的破碎保护煤柱及22310终采线附近区域(图3)，原因如下。

图3 22310复合采空区煤自燃高温隐患区域位置Fig.3 Location of high temperature hidden danger area of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 复合采空区遗煤量大。由图2及上下煤层工作面位置垂向关系(图4)可看出，上下煤层终采线走向外错距离大，层位垂距短。该区域下煤层22310终采线沿走向方向外错上煤层21310终采线90 m，倾向跨距为140 m，层间距只有1.5 m，上煤层平均厚度为2.2 m。下煤层22310工作面推过上煤层21310终采线90 m，导致上覆采空区约27 700 m3的遗留煤柱垮落至下煤层22310采空区，遗煤量大，极易造成煤自燃隐患。

图4 上下煤层工作面位置垂向关系Fig.4 Vertical relation of upper and lower coal seam working faces

(2) 复合采空区漏风严重。采用SF6示踪技术探测复合采空区周边漏风通道，并根据22290机巷外段500 m范围内CO涌出量变化，判断22310复合采空区漏风源主要为32010机巷及周边密闭，漏风汇主要位于22290机巷自外口段往里500 m范围内。基于漏风源与漏风汇主要位置及采空区采动裂隙O形圈分布特征，得到22310复合采空区漏风路线，如图5所示。复合采空区堆积的大量松散遗煤位于主要风流扩散路线中，有利于该区域内煤体氧化自热。

图5 22310复合采空区主要漏风路线Fig.5 Main air leakage routes in 22310 compound goaf

(3) 复合采空区蓄热良好。该矿21310工作面、22310工作面终采线外错，造成上覆煤层采空区的遗留煤柱充分垮落，呈立体松散堆积状态，具备良好的氧化蓄热条件。同时，22310工作面停采后回撤周期长，导致复合采空区漏风供氧条件充足、遗煤氧化时间长，在大面积煤柱破碎带中存在漏风供氧条件适中、热量易于集聚的区域，为煤的氧化升温创造了条件。

3 复合采空区煤自燃综合防治技术

为了快速控制复合采空区煤自燃隐患，防止高温区域进一步扩大引发采空区瓦斯爆炸等次生灾害，笔者及研究团队提出隐患应急控制与隐患高效治理的“两步走”综合治理方案，采用均压与喷浆相结合减小漏风、注氮惰化采空区的控制措施，达到隐患应急控制的效果；在此基础上，划分出治理煤自燃隐患的有效措施区域，分区域进行复合泥浆堵漏、液态CO2冷却降温、三相泡沫覆盖隔氧高效治理措施，构建了“堵漏控风-惰化降温-覆盖隔氧”三位一体的复合采空区煤自燃综合防治技术体系。

3.1 煤自燃高温隐患的应急控制技术

(1) 均压与喷浆减小漏风。为降低复合采空区漏风源与漏风汇两端之间的压差，减小漏风对高温隐患区域的影响，在22310复合采空区主要漏风源处采取均压措施，如图6所示。主要通过在22310机巷出煤道施工2道永久风门，在21310机巷与32010机巷间进风道施工2道临时风门，并将21310机巷回风道密闭墙拆除，达到减小采空区漏风目的。

(a) 均压措施前

(b) 均压措施后图6 22310复合采空区均压措施Fig.6 Pressure equalization measure of 22310 compound goaf

为减小22290机巷CO涌出量并增大漏风通道风阻，对采空区周围密闭进行喷涂加固，再贴打密闭，密闭墙之间注罗克休充填；在32010机巷由21310终采线向里100 m至外口段向上帮及顶板喷浆，并壁后注浆，22290机巷由22310终采线以外20 m至以里200 m全断面喷浆，喷浆厚度不低于6 cm，以保证封堵效果。全断面喷浆如图7所示。

图7 全断面喷浆Fig.7 Full section shotcrete

(2) 大流量封闭式注氮。利用井下移动式注氮设备在22310机巷密闭进行封闭式大流量注氮：一方面可迅速稀释高温隐患区域O2浓度，并使可燃气失爆，保证防灭火区域安全；另一方面，由于N2属于正压大流量注入，可使密闭内及隐患区域气压升高，配合均压措施能有效减小高温隐患区域漏风。

3.2 煤自燃高温隐患的高效治理技术

应用上述应急控制技术后，采空区内C2H4体积分数下降至48×10-6，表明复合采空区内煤自燃隐患得到初步控制，但未被完全消除。由于复合采空区煤自燃高温隐患位置较深，难以在本煤层布置钻场向高温隐患区域施工常规防灭火钻孔。为彻底消除高温隐患，笔者进一步提出采用分区治理高温隐患的思路，区域划分如图8所示，在采空区隐患区域上方丁组煤层(层间距约为80 m)丁522190风巷延伸开拓消火道并布置钻场，采用多级护管施工工艺向高温隐患重点区域施工长距离大直径下行穿层防灭火钻孔，能够准确覆盖目标区域，充分发挥防灭火材料堵漏、冷却降温、覆盖隔氧作用，从而实现高温隐患区域的彻底消除。

图8 22310复合采空区煤自燃高温隐患治理区域划分Fig.8 Area division of high temperature hidden danger control of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 水泥-粉煤灰复合泥浆堵漏。为进一步减少采空区漏风及邻近22290工作面机巷CO涌出量，采用水泥-粉煤灰复合泥浆对Ⅰ区进行堵漏控风。通过在22290机巷终采线位置里外各10 m向22310采空区废弃巷道及上覆21290采空区施工防灭火钻孔，利用钻孔灌注水泥-粉煤灰复合泥浆。由于注浆位置地势较高，一部分浆液会沿22310终采线区域流向22310机巷区域，对22310终采线附近遗煤达到润湿降温效果。Ⅰ区防灭火钻孔布置如图9所示。

(2) 液态CO2冷却降温。为快速消除采空区煤自燃隐患，采取液态CO2冷却降温技术重点治理Ⅱ区。通过丁组煤层钻场施工的长距离防灭火钻孔向采空区高温隐患目标区域压注液态CO2，实现目标区域大范围快速惰化与冷却降温，加快隐患区域冷热对流，阻止热量积聚，达到快速熄灭煤自燃的目的。Ⅱ区部分防灭火钻孔布置如图10所示，钻孔参数见表1。

(a) 平面

(b) 剖面图10 Ⅱ区部分防灭火钻孔布置Fig.10 Partial fire prevention boreholes layout in area Ⅱ

表1 Ⅱ区部分防灭火钻孔参数Table 1 Parameters of fire prevention boreholes in area Ⅱ

(3) 大流量三相泡沫覆盖隔氧。对采空区高温隐患目标区域采取复合泥浆堵漏、液态CO2冷却降温技术后，为进一步彻底消除煤自燃隐患并防止遗煤复燃，通过Ⅱ区防灭火钻孔大流量灌注三相泡沫防灭火材料，充分利用三相泡沫对采空区高处遗煤进行覆盖包裹、充填煤体裂隙、隔绝O2的优势，使得煤自燃因缺氧而窒息，彻底消除复合采空区煤自燃隐患。

采用上述技术后，复合采空区C2H4和CO体积分数出现明显波动下降趋势，分别由初期最大值72.1×10-6和3 912.6×10-6下降至0和20×10-6以下并保持稳定，如图11所示。可见经过前期隐患应急控制与隐患高效治理的“两步走”综合治理方案，彻底消除了22310复合采空区煤自燃隐患，保障了矿井安全生产。

图11 22310复合采空区煤自燃治理过程中气体浓度变化曲线Fig.11 Change curves of gas concentration during coal spontaneous combustion control process in 22310 compound goaf

4 结语

(1) 针对某矿复合采空区CO，C2H4等煤自燃气体大量涌出的异常情况，基于该矿近距离煤层开采地质条件及复合采空区漏风规律等因素，判定煤自燃高温隐患位于22310终采线、22310机巷与21310终采线之间垮落的破碎煤柱及22310终采线附近区域。

(2) 为高效治理复合采空区煤自燃高温隐患，提出隐患应急控制与隐患高效治理的“两步走”综合治理方案。采用均压与喷浆减小漏风、大流量封闭式注氮措施后，有效控制了煤自燃区域进一步扩大，在此基础上划分出治理采空区煤自燃隐患的有效措施区域，分区域进行复合泥浆堵漏、液态CO2冷却降温、三相泡沫覆盖隔氧高效治理措施，构建了“堵漏控风-惰化降温-覆盖隔氧”三位一体的复合采空区煤自燃综合防治技术体系，达到彻底消除煤自燃隐患的效果。

(3) 应用上述治理方案与综合防灭火技术后，该矿复合采空区内C2H4体积分数由72.1×10-6降至0，CO体积分数由3 912.6×10-6显著下降并长期稳定在20×10-6以下，表明有效消除了复合采空区煤自燃高温隐患，保障了邻近工作面安全开采。