韓 明 唐 禮

（1.山東唐口煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272100；2.山東科技大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590）

目前，注惰防滅火技術(shù)是最主要的井下防火技術(shù)之一，邵昊、張春等學(xué)者就對(duì)注惰防滅火技術(shù)及其防滅火機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。但受工作面負(fù)壓通風(fēng)的影響，惰性氣體注入采空區(qū)之后極易被采空區(qū)風(fēng)流所帶出，同時(shí)在采用兩隅角埋管注惰防火技術(shù)時(shí)，靠近注惰口附近區(qū)域遺煤自燃危險(xiǎn)得以消除，但期間工作面中部區(qū)域氧化帶寬度通常較大，自然發(fā)火情況較為嚴(yán)重，且架間遺煤自燃災(zāi)害難易防控。因此，針對(duì)上述問題，提出了注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)，在兩隅角埋管注惰的基礎(chǔ)之上，于工作面中部架間CO濃度較高的區(qū)域，采取高位孔注凝膠、低位孔注惰氣的方式，在支架后面形成惰氣隔離墻，有效阻止工作面向采空區(qū)漏風(fēng)及減少惰性氣體向工作面漏失，并實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)中部及架間遺煤自燃的有效防控，達(dá)到快速、高效抑制采空區(qū)煤自然發(fā)火災(zāi)害的目的。

1 礦井概況

唐口煤礦位于山東省濟(jì)寧市境內(nèi)，屬于山東能源集團(tuán)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限為71.2 a。5305工作面是530采區(qū)的第5個(gè)回采工作面，5305工作面（軌順里段）為沿空掘巷，北面與5304采空區(qū)留有5 m隔離煤柱，東面為南部回風(fēng)、南部膠帶、南部軌道大巷，西面、南面為未開拓的實(shí)炭區(qū)。該工作面煤層厚度3.0～5.5 m，平均煤厚4.5 m，煤層傾角在1°～14°之間，平均6°，埋深為-936.3～ -879.0 m，面長110 m。工作面煤體以氣煤為主，硬度為2～3。5305煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期范圍為69～159 d，最短自然發(fā)火期為69 d，屬于深井自燃厚煤層。

2 采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性分析

受特殊的地質(zhì)賦存條件的影響，5305工作面采空區(qū)遺煤易發(fā)生自燃的主要因素體現(xiàn)為：

2.1 煤層自身具有自然發(fā)火傾向性

5305煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期范圍為69～159 d，最短自然發(fā)火期為69 d。工作面遺留煤體自身具有較強(qiáng)的自然發(fā)火傾向性是導(dǎo)致該工作面易發(fā)生自燃火災(zāi)的根本原因。

2.2 千米深井加劇遺煤自燃危險(xiǎn)性

5305煤層埋藏深度近千米，煤層所受地壓較大，煤體在高地壓、高應(yīng)力的作用下破碎情況加劇，加大了煤氧接觸的面積。同時(shí)，煤體及煤壁在高地壓采掘活動(dòng)下容易產(chǎn)生壓塑變形，從而產(chǎn)生大量漏風(fēng)通道，加強(qiáng)了采空區(qū)內(nèi)氧氣的供應(yīng)。伴隨著深度的增加，地溫逐漸增加，5305工作面采空區(qū)后部溫度為30°～40°。高地溫使得采空區(qū)內(nèi)部具有較好的氧化蓄熱條件，進(jìn)一步增大了采空區(qū)內(nèi)發(fā)生自然發(fā)火的危險(xiǎn)性。尤其是在停采撤面期間，采空區(qū)遺煤長時(shí)間處于供氧充分的條件下，極易誘發(fā)遺煤自燃災(zāi)害。

3 注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)

開采有自燃傾向性的煤層時(shí)，常采取注惰為主的綜合防滅火措施。現(xiàn)有常見的惰性氣體包括CO2、N2。N2密度與空氣相近，注入采空區(qū)后容易隨著風(fēng)流而被帶出采空區(qū)。CO2密度為空氣密度的1.5倍，受采空區(qū)負(fù)壓通風(fēng)影響相對(duì)較小，且CO2的吸附性要優(yōu)于N2，注入CO2后CO2能夠更多地吸附于煤體表面，占據(jù)更多的吸附位，從而抑制煤氧反應(yīng)。對(duì)于低階煤而言，煤對(duì)CO2及N2兩種氣體吸附量的差異最大可達(dá)到10倍。因此相對(duì)而言，CO2具有更好的防滅火效果，故選用CO2用于采空區(qū)遺煤自燃的防治工作。

由上述對(duì)于5305工作面采空區(qū)自燃災(zāi)害的特點(diǎn)及僅采用隅角注惰的不足分析可知，5305工作面在停采撤面期間自然發(fā)火災(zāi)害較為嚴(yán)重，而僅采用隅角注惰的防火方式存在對(duì)工作面中部遺煤自燃防治效果差、架間遺煤自燃災(zāi)害難以控制等缺點(diǎn)。因此為了加強(qiáng)防滅火效果，在常規(guī)隅角注惰防滅火措施的基礎(chǔ)之上，提出了注惰-凝膠協(xié)同防控措施，即在架間設(shè)置高位和低位鉆孔，采取高位孔注凝膠、低位孔注CO2的方式進(jìn)行防火，其示意圖如圖1。

圖1 注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)示意圖

高位孔壓注凝膠：煤層開采之后，在支架后方存在著大量的破碎矸石，成為重要的漏風(fēng)通道。高位孔壓注凝膠后凝膠在重力作用下不斷下移，從而逐漸填實(shí)、封堵支架后方垮落矸石裂隙，有效地減少惰性氣體由于負(fù)壓通風(fēng)而外溢至工作面的情況。并且工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)情況也將由于架間孔隙的減少而得到有效控制，采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度將得到進(jìn)一步降低。

低位孔壓注CO2：高位孔注凝膠已經(jīng)使得支架后方矸石孔隙得到了有效封堵，漏風(fēng)及惰氣流失情況得到了有效的控制，因此架間CO2注入后能更長時(shí)間且更有效地發(fā)揮其防滅火作用，在支架后方形成惰氣氣體隔離墻，增大采空區(qū)內(nèi)部壓強(qiáng)，進(jìn)一步減小采空區(qū)內(nèi)部壓差，控制采空區(qū)漏風(fēng)情況。同時(shí)，低位孔壓注CO2地點(diǎn)更為靈活，針對(duì)架間及采空區(qū)中部的自然發(fā)火，可以在隅角注惰的同時(shí)依靠架間留設(shè)的低位鉆孔向架間CO產(chǎn)生量高的區(qū)域附近進(jìn)行注CO2，從而有效地對(duì)工作面中部區(qū)域、架間遺煤自然發(fā)火進(jìn)行更有針對(duì)性的控制。相對(duì)于僅采用隅角注惰而言，其防火地點(diǎn)更具有針對(duì)性，防火效果更佳。因此該技術(shù)要求在常規(guī)隅角注CO2的基礎(chǔ)之上，在工作面架間每隔一段距離設(shè)置高位及低位鉆孔，如圖2。

圖2 架間鉆孔設(shè)置圖

4 防滅火效果分析

唐口煤礦5305工作面于2018年12月28日開始撤面，撤面期間工作面回風(fēng)流中CO濃度如圖3所示。由圖3可以看出，工作面12月28日停采后，回風(fēng)流CO濃度不斷升高，至1月14日CO濃度達(dá)到13.8 ppm，說明此時(shí)采空區(qū)后方遺煤自燃威脅已十分嚴(yán)重。故自1月15日開始采取了注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)，工作面回風(fēng)流中CO濃度迅速下降，5天后工作面CO濃度已降至0 ppm左右。且通過對(duì)工作面架間的CO監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采用該技術(shù)后，架間CO量始終處于0～1 ppm左右。上述數(shù)據(jù)說明注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)有效地控制了采空區(qū)內(nèi)部尤其是中部的遺煤自然發(fā)火災(zāi)害。

圖3 架間鉆孔設(shè)置圖

5 結(jié)論

（1）分析了唐口煤礦5305工作面停采撤面期間采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性，并根據(jù)其采空區(qū)自然發(fā)火防治的需要及現(xiàn)有注惰防滅火技術(shù)的不足，提出了注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)。

（2）唐口煤礦5305工作面停采撤面期間工作面回風(fēng)流中CO濃度數(shù)據(jù)表明，采用注惰-凝膠協(xié)同防滅火技術(shù)5 d后，回風(fēng)流中CO濃度迅速降低至安全水平，且架間CO量始終處于極低的水平，說明采空區(qū)內(nèi)部尤其是中部、架間處自然發(fā)火危險(xiǎn)均得到了有效控制，保證了工人和設(shè)備的安全，確保了工作面的正常接續(xù)。該技術(shù)對(duì)類似深井自燃煤層采空區(qū)自然發(fā)火的防治工作具有借鑒意義。