秦波濤, 高遠, 史全林, 時國慶

(1.中國礦業(yè)大學 煤礦瓦斯與火災防治教育部重點實驗室， 江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學 安全工程學院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

煤自燃是煤炭開采面臨的重大自然災害之一，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)及礦工生命安全[1-4]。采空區(qū)是煤礦井下最易發(fā)生煤炭自然發(fā)火的區(qū)域，占煤自燃發(fā)生總數(shù)的60%以上[5-6]。由于我國近距離煤層賦存比重大，煤層開采過程頂板垮落產(chǎn)生大量的層間裂隙，使得多層、相鄰的新老采空區(qū)相互連通，形成大面積復合采空區(qū)。近距離煤層開采形成的復合采空區(qū)遺煤分布范圍廣，大量遺煤呈現(xiàn)空間立體分布特點，因此煤自燃隱患點隱蔽性更強；同時，復合采空區(qū)存在本煤層相鄰采空區(qū)的漏風及不同煤層的層間漏風，漏風量大，漏風規(guī)律難以掌握，使得復合采空區(qū)煤自燃災害尤為頻繁，危害十分嚴重。

為了掌握近距離煤層復合采空區(qū)煤炭自然發(fā)火規(guī)律，國內(nèi)外學者主要圍繞復合采空區(qū)遺煤反復氧化特性、裂隙發(fā)育過程、漏風路線及規(guī)律等方面開展了相關研究[7-11]，為復合采空區(qū)煤自燃防治提供了一定的理論指導。在復合采空區(qū)煤自燃防治技術方面，目前主要采用堵漏、注漿、注惰氣、噴灑阻化劑、灌注凝膠等方式[12-15]，部分學者研究了復合采空區(qū)定向注漿、復合注惰氣協(xié)同等技術[16-17]，并在煤礦現(xiàn)場進行了應用。但現(xiàn)階段仍缺乏有針對性的復合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術體系的研究。為此，本文以某礦近距離煤層復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患綜合治理為背景，基于現(xiàn)場實際與理論分析，對復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患區(qū)域進行快速判別，在此基礎上提出了隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，構建“堵漏控風-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的近距離煤層復合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術體系(圖1)，有效治理了該礦復合采空區(qū)煤自燃。

圖1 復合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術體系Fig.1 Technical framework of comprehensive prevention and control of coal spontaneous combustion in compound goaf

1 復合采空區(qū)煤自燃隱患概述

1.1 復合采空區(qū)基本情況

某礦二水平東翼下煤層22310綜采工作面采后形成的采空區(qū)如圖2所示。東部為礦井邊界；西部為二水平東專回下延保護煤柱；南部為22290回采工作面；北部為未采實體煤；上覆為21310和21290相鄰連通采空區(qū)，21310采空區(qū)北部為32010回采工作面，21290采空區(qū)南部為即將回采結束的21270工作面。二水平下煤層，即2019年8月已回采結束的22310工作面所采煤層，厚度為2.2～3.8 m，平均厚度為3.0 m，平均煤層傾角為5°30″，屬于自燃煤層，地溫31 ℃，屬于地溫偏高區(qū)，煤層原始瓦斯含量為3.7 m3/t，瓦斯壓力為0.3 MPa。2016年1月已回采結束的21310采空區(qū)和2017年12月已回采結束的21290采空區(qū)所處煤層具有自燃傾向性，為Ⅱ級自燃。由于二水平東翼上下煤層近距離布置，層間距為1.5～10 m，導致本煤層22310采空區(qū)與上覆21290采空區(qū)、21310采空區(qū)連通，形成大面積連通復合采空區(qū)。

圖2 22310復合采空區(qū)平面Fig.2 Plane of 22310 compound goaf

1.2 22310復合采空區(qū)煤自燃氣體異常涌出

22310綜采工作面于2019年8月回撤完畢，并完成永久密閉。其南部相鄰22290備采工作面于2020年2月2日貫通形成全負壓通風。2020年2月20日晚班，22310風巷密閉處出現(xiàn)CO異常情況，對密閉內(nèi)氣體多次采樣化驗后發(fā)現(xiàn)，22310風巷密閉內(nèi)CO體積分數(shù)在1 000×10-6～3 000×10-6之間有較大波動，C2H4體積分數(shù)為19×10-6～48×10-6。因局部通風系統(tǒng)不穩(wěn)定，密閉風流時進時出，22290機巷外段處CO體積分數(shù)達12×10-6。由此可見， 22310復合采空區(qū)及其連通區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了高溫自燃隱患，嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。

2 復合采空區(qū)煤自燃隱患區(qū)域分析

通過連續(xù)觀測采空區(qū)密閉內(nèi)氣體濃度變化、附近永久密閉壓差變化與進出風狀態(tài)，根據(jù)采空區(qū)漏風源、漏風匯情況及各個已回收結束工作面的層位關系、層間距、地質構造，區(qū)段煤柱尺寸，終采線位置及回采期間丟煤情況等地質資料，經(jīng)分析研判后確定22310復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患點在22310終采線、22310機巷與21310終采線間垮落的破碎保護煤柱及22310終采線附近區(qū)域(圖3)，原因如下。

圖3 22310復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患區(qū)域位置Fig.3 Location of high temperature hidden danger area of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 復合采空區(qū)遺煤量大。由圖2及上下煤層工作面位置垂向關系(圖4)可看出，上下煤層終采線走向外錯距離大，層位垂距短。該區(qū)域下煤層22310終采線沿走向方向外錯上煤層21310終采線90 m，傾向跨距為140 m，層間距只有1.5 m，上煤層平均厚度為2.2 m。下煤層22310工作面推過上煤層21310終采線90 m，導致上覆采空區(qū)約27 700 m3的遺留煤柱垮落至下煤層22310采空區(qū)，遺煤量大，極易造成煤自燃隱患。

圖4 上下煤層工作面位置垂向關系Fig.4 Vertical relation of upper and lower coal seam working faces

(2) 復合采空區(qū)漏風嚴重。采用SF6示蹤技術探測復合采空區(qū)周邊漏風通道，并根據(jù)22290機巷外段500 m范圍內(nèi)CO涌出量變化，判斷22310復合采空區(qū)漏風源主要為32010機巷及周邊密閉，漏風匯主要位于22290機巷自外口段往里500 m范圍內(nèi)?；诼╋L源與漏風匯主要位置及采空區(qū)采動裂隙O形圈分布特征，得到22310復合采空區(qū)漏風路線，如圖5所示。復合采空區(qū)堆積的大量松散遺煤位于主要風流擴散路線中，有利于該區(qū)域內(nèi)煤體氧化自熱。

圖5 22310復合采空區(qū)主要漏風路線Fig.5 Main air leakage routes in 22310 compound goaf

(3) 復合采空區(qū)蓄熱良好。該礦21310工作面、22310工作面終采線外錯，造成上覆煤層采空區(qū)的遺留煤柱充分垮落，呈立體松散堆積狀態(tài)，具備良好的氧化蓄熱條件。同時，22310工作面停采后回撤周期長，導致復合采空區(qū)漏風供氧條件充足、遺煤氧化時間長，在大面積煤柱破碎帶中存在漏風供氧條件適中、熱量易于集聚的區(qū)域，為煤的氧化升溫創(chuàng)造了條件。

3 復合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術

為了快速控制復合采空區(qū)煤自燃隱患，防止高溫區(qū)域進一步擴大引發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸等次生災害，筆者及研究團隊提出隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，采用均壓與噴漿相結合減小漏風、注氮惰化采空區(qū)的控制措施，達到隱患應急控制的效果；在此基礎上，劃分出治理煤自燃隱患的有效措施區(qū)域，分區(qū)域進行復合泥漿堵漏、液態(tài)CO2冷卻降溫、三相泡沫覆蓋隔氧高效治理措施，構建了“堵漏控風-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的復合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術體系。

3.1 煤自燃高溫隱患的應急控制技術

(1) 均壓與噴漿減小漏風。為降低復合采空區(qū)漏風源與漏風匯兩端之間的壓差，減小漏風對高溫隱患區(qū)域的影響，在22310復合采空區(qū)主要漏風源處采取均壓措施，如圖6所示。主要通過在22310機巷出煤道施工2道永久風門，在21310機巷與32010機巷間進風道施工2道臨時風門，并將21310機巷回風道密閉墻拆除，達到減小采空區(qū)漏風目的。

(a) 均壓措施前

(b) 均壓措施后圖6 22310復合采空區(qū)均壓措施Fig.6 Pressure equalization measure of 22310 compound goaf

為減小22290機巷CO涌出量并增大漏風通道風阻，對采空區(qū)周圍密閉進行噴涂加固，再貼打密閉，密閉墻之間注羅克休充填；在32010機巷由21310終采線向里100 m至外口段向上幫及頂板噴漿，并壁后注漿，22290機巷由22310終采線以外20 m至以里200 m全斷面噴漿，噴漿厚度不低于6 cm，以保證封堵效果。全斷面噴漿如圖7所示。

圖7 全斷面噴漿Fig.7 Full section shotcrete

(2) 大流量封閉式注氮。利用井下移動式注氮設備在22310機巷密閉進行封閉式大流量注氮：一方面可迅速稀釋高溫隱患區(qū)域O2濃度，并使可燃氣失爆，保證防滅火區(qū)域安全；另一方面，由于N2屬于正壓大流量注入，可使密閉內(nèi)及隱患區(qū)域氣壓升高，配合均壓措施能有效減小高溫隱患區(qū)域漏風。

3.2 煤自燃高溫隱患的高效治理技術

應用上述應急控制技術后，采空區(qū)內(nèi)C2H4體積分數(shù)下降至48×10-6，表明復合采空區(qū)內(nèi)煤自燃隱患得到初步控制，但未被完全消除。由于復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患位置較深，難以在本煤層布置鉆場向高溫隱患區(qū)域施工常規(guī)防滅火鉆孔。為徹底消除高溫隱患，筆者進一步提出采用分區(qū)治理高溫隱患的思路，區(qū)域劃分如圖8所示，在采空區(qū)隱患區(qū)域上方丁組煤層(層間距約為80 m)丁522190風巷延伸開拓消火道并布置鉆場，采用多級護管施工工藝向高溫隱患重點區(qū)域施工長距離大直徑下行穿層防滅火鉆孔，能夠準確覆蓋目標區(qū)域，充分發(fā)揮防滅火材料堵漏、冷卻降溫、覆蓋隔氧作用，從而實現(xiàn)高溫隱患區(qū)域的徹底消除。

圖8 22310復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患治理區(qū)域劃分Fig.8 Area division of high temperature hidden danger control of coal spontaneous combustion in 22310 compound goaf

(1) 水泥-粉煤灰復合泥漿堵漏。為進一步減少采空區(qū)漏風及鄰近22290工作面機巷CO涌出量，采用水泥-粉煤灰復合泥漿對Ⅰ區(qū)進行堵漏控風。通過在22290機巷終采線位置里外各10 m向22310采空區(qū)廢棄巷道及上覆21290采空區(qū)施工防滅火鉆孔，利用鉆孔灌注水泥-粉煤灰復合泥漿。由于注漿位置地勢較高，一部分漿液會沿22310終采線區(qū)域流向22310機巷區(qū)域，對22310終采線附近遺煤達到潤濕降溫效果。Ⅰ區(qū)防滅火鉆孔布置如圖9所示。

(2) 液態(tài)CO2冷卻降溫。為快速消除采空區(qū)煤自燃隱患，采取液態(tài)CO2冷卻降溫技術重點治理Ⅱ區(qū)。通過丁組煤層鉆場施工的長距離防滅火鉆孔向采空區(qū)高溫隱患目標區(qū)域壓注液態(tài)CO2，實現(xiàn)目標區(qū)域大范圍快速惰化與冷卻降溫，加快隱患區(qū)域冷熱對流，阻止熱量積聚，達到快速熄滅煤自燃的目的。Ⅱ區(qū)部分防滅火鉆孔布置如圖10所示，鉆孔參數(shù)見表1。

(a) 平面

(b) 剖面圖10 Ⅱ區(qū)部分防滅火鉆孔布置Fig.10 Partial fire prevention boreholes layout in area Ⅱ

表1 Ⅱ區(qū)部分防滅火鉆孔參數(shù)Table 1 Parameters of fire prevention boreholes in area Ⅱ

(3) 大流量三相泡沫覆蓋隔氧。對采空區(qū)高溫隱患目標區(qū)域采取復合泥漿堵漏、液態(tài)CO2冷卻降溫技術后，為進一步徹底消除煤自燃隱患并防止遺煤復燃，通過Ⅱ區(qū)防滅火鉆孔大流量灌注三相泡沫防滅火材料，充分利用三相泡沫對采空區(qū)高處遺煤進行覆蓋包裹、充填煤體裂隙、隔絕O2的優(yōu)勢，使得煤自燃因缺氧而窒息，徹底消除復合采空區(qū)煤自燃隱患。

采用上述技術后，復合采空區(qū)C2H4和CO體積分數(shù)出現(xiàn)明顯波動下降趨勢，分別由初期最大值72.1×10-6和3 912.6×10-6下降至0和20×10-6以下并保持穩(wěn)定，如圖11所示?？梢娊?jīng)過前期隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案，徹底消除了22310復合采空區(qū)煤自燃隱患，保障了礦井安全生產(chǎn)。

圖11 22310復合采空區(qū)煤自燃治理過程中氣體濃度變化曲線Fig.11 Change curves of gas concentration during coal spontaneous combustion control process in 22310 compound goaf

4 結語

(1) 針對某礦復合采空區(qū)CO，C2H4等煤自燃氣體大量涌出的異常情況，基于該礦近距離煤層開采地質條件及復合采空區(qū)漏風規(guī)律等因素，判定煤自燃高溫隱患位于22310終采線、22310機巷與21310終采線之間垮落的破碎煤柱及22310終采線附近區(qū)域。

(2) 為高效治理復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患，提出隱患應急控制與隱患高效治理的“兩步走”綜合治理方案。采用均壓與噴漿減小漏風、大流量封閉式注氮措施后，有效控制了煤自燃區(qū)域進一步擴大，在此基礎上劃分出治理采空區(qū)煤自燃隱患的有效措施區(qū)域，分區(qū)域進行復合泥漿堵漏、液態(tài)CO2冷卻降溫、三相泡沫覆蓋隔氧高效治理措施，構建了“堵漏控風-惰化降溫-覆蓋隔氧”三位一體的復合采空區(qū)煤自燃綜合防治技術體系，達到徹底消除煤自燃隱患的效果。

(3) 應用上述治理方案與綜合防滅火技術后，該礦復合采空區(qū)內(nèi)C2H4體積分數(shù)由72.1×10-6降至0，CO體積分數(shù)由3 912.6×10-6顯著下降并長期穩(wěn)定在20×10-6以下，表明有效消除了復合采空區(qū)煤自燃高溫隱患，保障了鄰近工作面安全開采。