近距离煤层群瓦斯与火耦合灾害防治技术应用

吴海军

（中煤能源黑龙江煤化工有限公司，黑龙江 哈尔滨 150000）

瓦斯灾害与煤层自燃是煤矿生产较为突出的两种灾害[1-2]，煤矿瓦斯赋存状况复杂、瓦斯灾害防治难度大。煤炭自燃过程复杂，火源地点不易发现，一旦发生火灾，极易与瓦斯产生耦合灾害[3]。综放工作面采高大、丢煤较多，高强度瓦斯抽采导致采空区气体运移规律与常规情况不同[4]，自然发火危险区域判断复杂化，给自燃防治带来较大困难，形成了瓦斯与火耦合灾害治理难题[5]。

1 概况

中煤龙化公司依兰三矿位于黑龙江省依兰县境内，新建矿井，设计生产能力2.40 Mt/a，2020 年鉴定为突出矿井。S101 首采工作面为俯采综放工艺，开采上保护层，切眼长度220 m，倾斜长度850 m。上保护层即上1、上2 煤层间距1.63～8.51 m，埋深407.30～787.80 m，煤层厚度2.29～4.65 m，平均倾角16°，储量94.23 万t。被保护层即下邻近的中煤层为突出煤层，厚度6.06 m，与上2 煤层间距12.43 m；下煤层厚度1.28 m，与中煤层间距11.23 m。各煤层夹矸以油页岩与粉细砂岩为主，直接顶、底板以油页岩为主。

工作面所采上1、上2 煤层原始瓦斯含量3.46～3.88 m3/t，瓦斯压力0.26～0.62 MPa，煤层透气性系数1.031 7～7.943 1 m2/MPa2·d，位于非突出区。煤种为长焰煤，最短自然发火期56 d，属容易自燃煤层。煤层顶、底板油页岩自燃倾向性为类煤Ⅲ类。工作面采用“U”型通风方法，运输顺槽进风，回风顺槽回风，供风量1000 m3/min。预测工作面绝对瓦斯涌出量13.81m3/min，相对瓦斯涌出量7.29 m3/t。

2 瓦斯治理技术

针对S101工作面特殊地质条件、煤层赋存特点，集成了顺（穿）层钻孔预抽回采区域与邻近层、采空区瓦斯抽采技术工艺，建立了“通风可靠、抽采达标、监控有效、管理到位”的治理体系。

2.1 顺（穿）层钻孔预抽回采区域与邻近层瓦斯

工作面采用钻场集中布置扇形钻孔预抽方法。运输顺槽布置11 个钻场，回风顺槽布置10 个钻场，单钻场向回采区域施工11 个顺层钻孔预抽上1、上2煤层瓦斯。钻孔终孔水平间距20 m，倾向间距18 m，孔径94 mm，共计28 008 m 钻孔。单钻场施工24 个穿层钻孔预抽下邻近中煤层瓦斯，且利用开采卸压作用拦截中、下煤层瓦斯。钻孔终孔水平间距30 m，倾向间距20 m，孔径94 mm，共计37 758 m钻孔。

2.2 采空区瓦斯抽采

采用高位钻孔抽采采空区及邻近层涌出的瓦斯。1 号高位钻场采用普通钻机施工5 个扇形钻孔，钻孔长度80～98 m，2 号高位钻场采用ZYWL6000定向钻机施工3 个平行钻孔，钻孔长度360～402 m。高位钻孔终孔与回风顺槽平距25～80 m，距工作面高度25～35 m，钻孔布置如图1。在工作面上隅角预埋DN300 抽采管路，每20 m 预留三通与DN350低负压管路相接，抽采采空区瓦斯。

图1 顺（穿）层扇形钻孔布置图

2.3 瓦斯超前预警机制

当工作面瓦斯浓度达到0.60%时发出预警，同时切断工作面及回风流电源，工作面立即停止作业。矿每天组织通风部门对工作面瓦斯进行分析，出现瓦斯涌出异常、临界或预警，及时采取对策。

2.4 小结

经采前预抽，可解吸瓦斯含量降至2.25～2.78 m3/t，实现抽采达标。生产期间，瓦斯涌出量5.08～11.96 m3/min， 风 排 瓦 斯 量2.08～3.90 m3/min， 瓦 斯 抽 采 量3.00～8.06 m3/min， 瓦 斯 抽采率59.06%～67.39%，工作面上隅角瓦斯浓度0.29%～0.43%，回风流瓦斯浓度0.17%～0.32%。如图2。

图2 瓦斯浓度与涌出量曲线图

3 防灭火技术

3.1 煤层自热氧化机理

通过测试煤和油页岩自燃过程中微观结构的动态分布特征，开展扫描电镜测试、热重分析、红外光谱扫描、比表面积与孔隙率测试，揭示煤和油页岩共生互层浮煤自热氧化机理[2]，确定了所采煤层自然发火期与自然发火标志性气体（CO、C2H2、C2H4、C2H6）。以上述实验数据为基础，确定煤层自然发火标志性气体临界值。

3.2 自然发火预测预报系统集成

采用人工检测、安全监控、束管监测与光纤测温方式，实时监测工作面上隅角、回风流、防火观测站、抽采管道、高冒处存在自燃危险区的自然发火标志性气体与采空区温度。定期进行系统分析，出现异常情况，立即采取防治措施。

（1）人工检测方式

建立工作面自然发火观测点及预测预报制度，对自燃危险区进行系统和定期观测。主要观测工作面回风隅角、回风流、采空区、防火观测站、两巷高冒处及附近密闭等地点。工作面和高冒处每班、密闭每周进行观测。

（2）安全监控系统

采用KJ95X 型安全监控系统进行不间断监测。在工作面回风隅角、工作面及回风流处，安设一氧化碳与温度传感器，实时监测一氧化碳与温度参数变化情况。

（3）束管监测系统

工作面建立KQF8 型火灾束管监测系统。监测基站安装在供液泵站，沿运输、回风顺槽各敷设一组3 芯束管，每组束管布置3 个分别间距30 m 的气体采集器。束管采用DN50 钢管、采集器采用木垛予以防护。从工作面推进30 m 起，利用基站气相色谱仪，每小班分析采空区各测点气体成分，掌握气体浓度及变化规律。

（4）光纤测温系统

工作面建立KJ893 型光纤测温系统。测温基站设在矿调度室，沿工作面回风顺槽布置一路光纤，并在切眼侧敷设180 m。光纤测温系统实时监测工作面采空区温度，出现温度异常或升高变化，实时预警，及时采取针对性措施。

图3 束管监测与光纤系统图（m）

3.3 采空区“三带”测试与注氮抑氧技术研究

（1）采空区“三带”测试

采空区遗煤自燃大体可划分为散热带、氧化升温带与窒息带。随着工作面推进，采空区自燃“三带”呈现动态变化，推进过程中采空区氧气浓度变化曲线如图4。

图4 采空区氧气浓度变化曲线图

初步确定工作面散热带宽度25 m，氧化带宽度50～70 m，窒息带≥70 m 宽度。如图5。

图5 采空区“三带”分布情况

（2）注氮抑氧惰化技术

矿工业广场制氮站装备两台PSA1600 型碳分子筛制氮机，单台制氮能力1600 m3/h，氮气纯度>97%。输氮干管为DN150 钢管，支管路为DN100钢管，沿运输顺槽敷设至切眼进风隅角，末端压力不低于0.20 MPa。输氮管路分岔处设截止阀与压力表，低洼处设放水阀，末端设氮气释放三通。

工作面采出切眼30 m 以后，开始向采空区连续注入氮气。工作面开采初期、推进缓慢或撤架期间，持续增大注氮量，注氮量≥2000 m3/h。

（3）采空区固氮技术

注氮期间，采取固氮辅助手段，即进风隅角悬挂挡风幛，采煤工作面每推进20 m 在两巷采空区侧施工挡风隔离墙。挡风墙使用经阻化处理的岩粉堆砌，墙体厚度不低于1 m。

开展工作面采空区瓦斯抽采与防灭火关系研究。采空区瓦斯抽采量以保证工作面生产集中期间工作面及回风流瓦斯不临界为宜，避免采空区所注氮气被采空区所进风流大量稀释。

3.4 煤层注水与压注阻化剂技术

自工作面切眼以外100 m 范围内两巷平行布置煤层注水孔，钻孔间距10 m，深度100 m，孔径为94 mm，采用煤层注水泵进行高压注水。两端头超前20 m 段巷道，每隔5 m 施工1 组（3 个）注水钻孔，开孔间距1 m，孔深11～25 m，倾角+30°，与巷道夹角0～30°，钻孔施工至上1 煤层顶板，采用15%（MgCl2·6H2O）阻化液循环压注。每天利用阻化剂泵向工作面采空区侧留有浮煤地点压注≥15%阻化液，每次压注不小于0.35 t 阻化剂。

3.5 注胶与液态CO2 直注应急技术

工作面遇地质构造或推进缓慢，出现自然发火隐患时，采取向采空区打钻注胶与注液态CO2措施。在两巷隅角采空区侧巷道顶板，分别施工4～5 个注胶孔，倾角+25°，孔深8～12 m，开孔间距1 m。每组支架顶与后侧布置2 个注胶孔，支架顶钻孔与巷顶夹角15°～20°，孔深8～10 m，后尾梁钻孔与巷顶夹角40°～50°，孔深8 m。

4 结论

（1）在工作面生产期间，平均瓦斯涌出量为8.17 m3/min，瓦斯抽采率63.04%。工作面上隅角平均瓦斯浓度0.36%，回风流平均瓦斯浓度0.26%，未出现瓦斯临界或超限现象。

（2）工作面生产期间，采空区CO 浓度稳定在5.3×10-5以下，工作面及回风流没有出现CO 气体临界或超限，采空区没有出现自然发火事故。

（3）建立了以保护层开采、顺（穿）层钻孔预抽、采空区抽采瓦斯技术与以自然发火预测预报为基础，以常规注氮为核心，以液态CO2直注为应急手段的综合防治体系。

（4）自2021 年8 月生产以来，工作面安全生产原煤60 万t，直接经济效益1.95 亿元，实现了瓦斯与火耦合灾害综合治理目标。