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“兩硬”煤層下分層火區(qū)啟封與安全復(fù)采技術(shù)研究

康福鈞 

(山西大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037042)

摘要：為了確保“兩硬”煤層下分層開采時火區(qū)的安全啟封和工作面的安全復(fù)采，基于煤峪口礦307盤區(qū)的發(fā)火特征，分析了盤區(qū)發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)的成因，通過分析氣體濃度變化率，確定了封閉火區(qū)的燃燒狀態(tài)，采用氣體組分率RT定量分析法，判斷火區(qū)啟封復(fù)燃的可能性。結(jié)果表明：盤區(qū)內(nèi)各密閉氣體的組分比率均超過1.0，表明火區(qū)啟封有復(fù)燃的可能性，火區(qū)啟封后必須采用防復(fù)燃措施。同時，現(xiàn)場確定了“先縮封、后啟封”的均壓縮封火區(qū)法，制定了火區(qū)啟封和“兩硬”煤層下分層工作面復(fù)采的安全保障措施，保障了大區(qū)域復(fù)雜條件下火區(qū)的成功啟封和工作面的安全復(fù)采。

關(guān)鍵詞：“兩硬”煤層；火區(qū)啟封；復(fù)燃量化判別；安全復(fù)采

中圖分類號  TD322       文獻(xiàn)表識碼  A

目前，國內(nèi)外關(guān)于撲滅、縮封以及啟封特大型火區(qū)的研究相對較少。當(dāng)煤礦發(fā)生特大型火區(qū)時，一般多采用密閉法和均壓法控制火區(qū)，使其不影響下部煤層或鄰近工作面的開采，但至今多數(shù)火區(qū)仍未啟封^[1~3]。同時，國內(nèi)啟封火區(qū)一般范圍較小，且多為單一煤層火區(qū)啟封，在“兩硬”特殊條件下、下分層火區(qū)啟封風(fēng)險高、復(fù)采技術(shù)難度大，研究相對較少。大同煤田主采侏羅系含煤地層大同組，含有可采煤層或局部可采煤層21層，多為易自燃煤層，由于開采煤層層數(shù)多、歷史長、規(guī)模大，開采情況復(fù)雜，長期以來一直存在嚴(yán)重的煤炭自燃發(fā)火問題。大同煤礦集團(tuán)公司井田范圍內(nèi)先后因自然發(fā)火形成火區(qū)93處，通過治理滅掉火區(qū)32處。嚴(yán)重的火災(zāi)擾亂了礦井的正常生產(chǎn)，造成巨大的生命和財產(chǎn)損失，以及大量資源燒毀和凍結(jié)，采（盤）區(qū)、工作面接替緊張。尤其在“兩硬”分層開采特殊條件下，工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，頂板冒落難以壓實(shí)充填采空區(qū)，上、下分層間存在直接的漏風(fēng)通道，工作面間的隔離煤柱受集中應(yīng)力作用，煤體易被壓碎形成裂隙，使采空區(qū)漏風(fēng)通道多，造成采空區(qū)發(fā)火嚴(yán)重。“兩硬”分層開采特殊條件下，火區(qū)的安全啟封和下分層工作面的安全復(fù)采，其關(guān)鍵技術(shù)在于，一是封閉火區(qū)內(nèi)燃燒狀態(tài)的分析與判斷；二是啟封火區(qū)后煤層復(fù)燃可能性的分析與判斷；三是啟封后煤層復(fù)燃的預(yù)處理及過火煤的安全復(fù)采^[4]。   

本文通過研究煤峪口礦307盤區(qū)“兩硬”分層開采特殊條件下，下分層火區(qū)的啟封與安全復(fù)采技術(shù)，不僅為煤峪口礦307盤區(qū)的安全開采提供技術(shù)保障，而且也可為其它類似礦井火區(qū)的啟封提供科學(xué)依據(jù)，有較為廣泛的應(yīng)用和推廣價值，對我國煤炭資源的有效利用和可持續(xù)發(fā)展有重大意義。

1 307盤區(qū)火區(qū)概況

同煤集團(tuán)煤峪口礦307盤區(qū)位于井田西部，主采11、12#合并層，近水平煤層，煤層厚度5.3～7.8m，為典型的“兩硬”煤層，主要采用預(yù)采頂分層網(wǎng)下放頂煤和分層綜合機(jī)械化開采。307盤區(qū)開采下分層一直存在嚴(yán)重的自然發(fā)火問題，盤區(qū)巷道多次發(fā)現(xiàn)在頂煤、煤幫處出現(xiàn)高溫、冒煙甚至明火現(xiàn)象。307盤區(qū)?；?/span>2704_下系統(tǒng)巷口密閉前上部出現(xiàn)藍(lán)煙，采取調(diào)風(fēng)、灌滅火材料、堵漏、灌漿等措施控制。5705_下系統(tǒng)巷有藍(lán)煙冒出，隨后307輔助軌道巷5705_下系統(tǒng)巷風(fēng)橋以里出現(xiàn)明火。災(zāi)后采取直接滅火、封堵、打孔注水注漿等，由于火勢發(fā)展迅猛，而且有繼續(xù)蔓延的趨勢，不得已對307全盤區(qū)實(shí)施了封閉?；饏^(qū)封閉時確認(rèn)的明火區(qū)域有3處，即2704_下火區(qū)、8708煤柱火區(qū)和8705火區(qū)，發(fā)火面積達(dá)2.4km²。

307盤區(qū)下分層發(fā)生火區(qū)的主要原因?yàn)椋捎?/span>“兩硬”分層開采特殊條件，307盤區(qū)集中壓力大，沖擊地壓顯現(xiàn)頻繁，特別是盤區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷(307?；?、307輔助軌道巷)從307第二材料斜井至307第三材料斜井段，正處于兩翼開采的應(yīng)力集中區(qū)，多次受到?jīng)_擊地壓的影響，巷道支護(hù)變形、片幫垮落嚴(yán)重，煤柱破壞嚴(yán)重，煤體裂隙帶多且呈松碎狀態(tài)，與工作面巷道相交區(qū)域頂煤多處發(fā)生大面積冒落，上下層形成漏風(fēng)裂縫，漏風(fēng)通道增多，長時間向煤柱裂縫通風(fēng)供氧，使煤柱內(nèi)部發(fā)生緩慢氧化，積蓄的大量熱量導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生內(nèi)因火災(zāi)^[5]。

2 封閉火區(qū)內(nèi)火勢燃燒狀態(tài)分析與判斷

對于封閉火區(qū)火勢狀態(tài)的分析，應(yīng)首先測量氣樣時間范圍內(nèi)氣體濃度的變化速率^[6、7]。307盤區(qū)1#密閉內(nèi)火區(qū)封閉后各指標(biāo)氣體濃度隨時間的變化曲線，如圖1所示。計算得出1#、4#、8#、9#、10#密閉內(nèi)各指標(biāo)氣體濃度的變化速率，如表1所示。

                                                                   (a)O₂濃度                                      (b)CO₂濃度

                                                                             (c)CH₄濃度                                    (d)N₂濃度

圖1 1#密閉封閉火區(qū)指標(biāo)氣體濃度變化曲線

表1 不同密閉內(nèi)氣體濃度變化速率

從表1可知，氧濃度總體穩(wěn)定，變化趨勢不明顯；現(xiàn)場數(shù)據(jù)中CO始終為0，而CO₂濃度穩(wěn)定，故可以基本判斷火區(qū)已近熄滅。但因火區(qū)內(nèi)存在的殘留氧氣及少量漏風(fēng)，仍可能存在高溫陰燃點(diǎn)。同時，由于火區(qū)巷道密集、貫通，氣流難以完全割斷，造成火區(qū)氣流擾動，在啟封過程中可能產(chǎn)生復(fù)燃，復(fù)燃點(diǎn)與排放的瓦斯重疊后，甚至可能造成瓦斯爆炸，因此，必須進(jìn)行火區(qū)復(fù)燃可能性研究。

3火區(qū)啟封復(fù)燃可能性研究

采用氣體組分率RT定量分析計算法，研究封閉區(qū)內(nèi)火區(qū)開啟及通風(fēng)時復(fù)燃的可能性，是一種行之有效的方法^[8、9]。該方法運(yùn)用時須監(jiān)測4種氣體：氧氣、一氧化碳、瓦斯和乙烷。同時，封閉火區(qū)狀態(tài)的氣體組分比率RT為：

                 (1)     

氣體組分比率RT的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)RT＞1時，火區(qū)空氣尚未達(dá)到環(huán)境正常溫度，可能存在陰燃或高于環(huán)境正常溫度的氧化現(xiàn)象，此時開啟密閉火區(qū)不安全；當(dāng)RT≤1時，火區(qū)空氣達(dá)到環(huán)境正常溫度，但只有當(dāng)RT穩(wěn)定在1以下時間并持續(xù)一段時間，才認(rèn)為封閉火區(qū)內(nèi)空氣處于平衡狀態(tài)。

現(xiàn)場測定某日307盤區(qū)各密閉內(nèi)氧氣、一氧化碳、瓦斯和乙烷監(jiān)測的數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同密閉氣體成分監(jiān)測數(shù)據(jù)

將監(jiān)測數(shù)據(jù)代入公式(1)中，可以計算得出1#、4#、8#、9#、10#各密閉內(nèi)氣體的組分比率分別為：1.18、1.13、1.08、1.15和1.09。因此，可以說明火區(qū)啟封有復(fù)燃的可能性，所以，在啟封后一段時間內(nèi)，必須采取防復(fù)燃措施。

4火區(qū)安全啟封方案和現(xiàn)場實(shí)施

在火區(qū)啟封之前，必須首先組織礦山救護(hù)隊(duì)進(jìn)行偵察，探明災(zāi)區(qū)情況，進(jìn)而安全快速地實(shí)施災(zāi)區(qū)縮封和火區(qū)啟封措施^[10]。考慮到307火區(qū)發(fā)生范圍較大，不具備對火區(qū)進(jìn)行近距離治理的情況，現(xiàn)場確定了“先縮封、后啟封”的總體思路。結(jié)合11、12#合并層307盤區(qū)氣體的監(jiān)測結(jié)果，經(jīng)分析決定采取調(diào)風(fēng)、排瓦斯、偵察、清除和灌注滅火材料預(yù)防復(fù)燃、堵漏、縮封、啟封的綜合方案，采取逐段、逐巷、逐步啟封的均壓縮封火區(qū)法。

4.1 307盤區(qū)火區(qū)啟封方案

結(jié)合煤峪口礦采掘銜接計劃，有計劃、有步驟地由307盤區(qū)14#層向11、12#層掘進(jìn)巷道。當(dāng)14#層307盤區(qū)軌道巷、皮帶巷、回風(fēng)巷到位后，307火區(qū)啟封條件已全部具備。為保證啟封工作的安全，在啟封過程中先實(shí)施5702下巷貫通，后實(shí)施5702下系統(tǒng)巷的貫通，最后實(shí)施2702下巷的貫通，最后達(dá)到全面啟封。具體實(shí)施方案為：（1）在8705火區(qū)打鉆孔進(jìn)行預(yù)探，然后在鉆孔內(nèi)注羅克休；（2）啟封9#密閉，解放307軌道巷，然后再啟封6#密閉，排放307回風(fēng)巷、307輔助軌道巷下部未封閉區(qū)以及2702下分層上、下順槽瓦斯；（3）在14#層掘進(jìn)巷道與11、12#層8702下工作面的兩順槽貫通，在2702下、5702下巷外圍分別施工一道羅克休墻，將巷道與火區(qū)隔絕。隔絕墻采用深距離鉆孔后，安放雙液管充填羅克休，使其形成一段厚度為2m的密閉墻，如圖2所示；（4）在兩巷道貫通處分別灌注一段羅克休，使其形成有效寬度不小于7.0m的羅克休墻，然后在羅克休墻體中間貫通，貫通巷寬為3.0m，貫通過程中與巷道內(nèi)有害氣體完全隔絕，從而防止瓦斯事故的發(fā)生，如圖3所示。

                                                                                                             圖2 隔絕墻示意圖                         圖3 貫通墻示意圖        

4.2 火區(qū)啟封安全保障和施工措施

為防止火區(qū)啟封時發(fā)生瓦斯爆炸和復(fù)燃，現(xiàn)場火區(qū)啟封前采取了一系列安全保障措施，主要包括：（1）注氮：繼續(xù)通過鉆孔向可能高溫點(diǎn)注氮；（2）堵漏：加固密閉；（3）打觀察孔：當(dāng)14#層皮帶巷掘進(jìn)至11、12#合并層8705火區(qū)下部時，由14#層向8705封閉區(qū)內(nèi)打1個φ57mm鉆孔，觀察其溫度和氣體變化；（4）構(gòu)筑鎖風(fēng)門：貫通后，由14#層掘進(jìn)巷道與8702下工作面兩巷貫通后，封閉307盤區(qū)舊系統(tǒng),在原通向11、12#合并層的巷道構(gòu)筑防火密閉。

同時，現(xiàn)場制定了一系列的安全施工措施：（1）對未打通的廢棄鉆孔必須充填嚴(yán)密；（2）對已打通但未注羅克休的鉆孔，先封口，防止氣體泄出；（3）巷道貫通時必須采用風(fēng)鎬作業(yè)，嚴(yán)禁放炮；（4）巷道貫通后，用手將羅克休墻拆除，嚴(yán)禁使用鐵質(zhì)工具。

4.3 307火區(qū)啟封效果

根據(jù)現(xiàn)場火區(qū)啟封前后的氣體監(jiān)測表和變化圖對比，在啟封期間，各種氣體組分變化很小，尤其是6#密閉的氣體監(jiān)測，與啟封巷道臨近的2704下火區(qū)狀態(tài)穩(wěn)定，8#及其他密閉的氣體監(jiān)測同樣沒有發(fā)生異常。表明啟封方案和采取的技術(shù)手段是科學(xué)有效的，沒有對封閉區(qū)內(nèi)火區(qū)產(chǎn)生不良影響，火區(qū)啟封取得了圓滿成功。

5 307盤區(qū)安全復(fù)采保障技術(shù)及復(fù)采效果

5.1 307盤區(qū)安全復(fù)采保障技術(shù)

為了保證307盤區(qū)火區(qū)啟封后工作面的安全開采，防止有害氣體侵入和復(fù)燃，現(xiàn)場制定了相應(yīng)的安全保障技術(shù)：（1）工作面開采前和開采過程中，在巷道不同區(qū)域使用羅克休對2702下巷道進(jìn)行堵漏和加固，防止有害氣體侵入；（2）調(diào)節(jié)工作面通風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)風(fēng)調(diào)壓、減小向采空區(qū)漏風(fēng)；（3）回風(fēng)巷5702下巷口向里15m處，通過頂板向上層采空區(qū)鉆進(jìn)一個觀測孔，定期抽取氣樣化驗(yàn)檢測，同時利用該孔安設(shè)壓差計，觀測工作面與上分層采空區(qū)之間的壓差；（4）工作面開采過程中，為了防止漏風(fēng)和有害氣體下漏，工作面留設(shè)完整頂煤；（5）防止工作面漏冒頂事故的發(fā)生，工作面移架后應(yīng)及時移溜；（6）保持工作面較快的推進(jìn)速度，每天推進(jìn)不小于3m，防止采空區(qū)遺留頂煤自燃；（7）工作面開采過程中，繼續(xù)通過鉆孔向密閉內(nèi)注氮，降低封閉區(qū)內(nèi)氧氣濃度，防止火區(qū)復(fù)燃；（8）嚴(yán)密監(jiān)測封閉火區(qū)和工作面進(jìn)回風(fēng)巷內(nèi)相關(guān)氣體的變化情況，通過繪制發(fā)火趨勢圖，對封閉火區(qū)和工作面發(fā)火情況進(jìn)行預(yù)測預(yù)報；（9）工作面開采期間，加強(qiáng)瓦斯防治、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和防滅火等日常安全管理。

5.2 復(fù)采效果

307盤區(qū)8702工作面上分層已開采完畢，8702下工作面走向長760m，平均采高2.0m，采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化開采。8702下工作面采用兩巷布置，兩順槽均沿11、12#層煤層底板掘進(jìn)。2702下巷為運(yùn)煤和進(jìn)風(fēng)順槽，采用U29五節(jié)拱型棚支護(hù)。工作面開切眼巷垂直于2702下巷和5702下巷布置，采用金屬棚支護(hù)和錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)。由于采用了有效的火區(qū)啟封和安全復(fù)采的技術(shù)，8702下工作面順利采出煤炭資源30萬噸，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1.56億元。同時，煤峪口礦307盤區(qū)封閉火區(qū)安全啟封后，及時撤出被封閉的EBY－160型掘進(jìn)機(jī)一臺和皮帶運(yùn)輸機(jī)等價值250萬元的設(shè)備，回收2702下、5702下巷道1500m支護(hù)的U29型金屬棚。工作面開采期間，啟封區(qū)域氣體取樣分析結(jié)果表明，氣體成分中無CO，火區(qū)溫度也無上升跡象，雖發(fā)現(xiàn)有二氧化碳侵入問題，但由于采取的安全保障方法技術(shù)全面，針對性強(qiáng)，各項(xiàng)指標(biāo)都在安全范圍之內(nèi)。

6 小結(jié)

煤峪口礦307火區(qū)的啟封與復(fù)采的成功經(jīng)驗(yàn)，既可借鑒8702下工作面巷道布置技術(shù)，將8708下、8710下工作面采出，從而為減少資源浪費(fèi)、延長礦井開采壽命起到積極作用。同時，保證了307盤區(qū)其它煤層開采期間的安全，還可將307火區(qū)啟封的成功技術(shù)向全集團(tuán)公司推廣應(yīng)用，對其它類似礦井的火區(qū)啟封提供寶貴經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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Research on Fire-Zone Open and Safety Repeated Mining in Lower Slice of Two-Hard Coal Seam

Kang Fu-jun 

(WA Jin-wan Colliery Company for Datong Mine Group of Shanxi, Datong, Shanxi 037042, China)

Abstract: In order to ensure that the "two hard" coal mining under the layer of security when the fire zone unsealed and the safety of re-mining face, based on coal mine 307 area Meiyukou ignition characteristics, analysis of the panel occur causes of internal fire, through the analysis of rate of change of gas concentration to determine the closed state of the fire burning area, using quantitative RT rate of gas composition analysis, to determine the likelihood of recurrence of the fire district unsealed. The results showed that: disk area ratio

of the component gases are confined more than 1.0, indicating that the fire district has unsealed the possibility of recurrence of the fire district must be unsealed measures to prevent recrudescence. At the same time, on-site to determine the "first shrink sealed, unsealed after the" bank up a fire area of all compression method, developed a fire zone unsealed and "two hard" coal face under the complex layering of security measures taken to protect a large area complex conditions the success of the fire area under unsealed and the safety of re-mining face.

Key words: "Two Hard" coal seam; fire zone unsealed; resurgence of quantitative discrimination; security complex mining

作者簡介：康福鈞（1965－），男，山西省陽高縣人，高級工程師，現(xiàn)任大同煤礦集團(tuán)挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司黨委書記、副董事長，之前從事生產(chǎn)管理工作20多年。

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