“两硬”煤层下分层火区启封与安全复采技术研究

康福钧 

(山西大同煤矿集团挖金湾煤业公司，山西 大同 037042)

摘要：为了确保“两硬”煤层下分层开采时火区的安全启封和工作面的安全复采，基于煤峪口矿307盘区的发火特征，分析了盘区发生内因火灾的成因，通过分析气体浓度变化率，确定了封闭火区的燃烧状态，采用气体组分率RT定量分析法，判断火区启封复燃的可能性。结果表明：盘区内各密闭气体的组分比率均超过1.0，表明火区启封有复燃的可能性，火区启封后必须采用防复燃措施。同时，现场确定了“先缩封、后启封”的均压缩封火区法，制定了火区启封和“两硬”煤层下分层工作面复采的安全保障措施，保障了大区域复杂条件下火区的成功启封和工作面的安全复采。

关键词：“两硬”煤层；火区启封；复燃量化判别；安全复采

中图分类号  TD322       文献表识码  A

目前，国内外关于扑灭、缩封以及启封特大型火区的研究相对较少。当煤矿发生特大型火区时，一般多采用密闭法和均压法控制火区，使其不影响下部煤层或邻近工作面的开采，但至今多数火区仍未启封^[1~3]。同时，国内启封火区一般范围较小，且多为单一煤层火区启封，在“两硬”特殊条件下、下分层火区启封风险高、复采技术难度大，研究相对较少。大同煤田主采侏罗系含煤地层大同组，含有可采煤层或局部可采煤层21层，多为易自燃煤层，由于开采煤层层数多、历史长、规模大，开采情况复杂，长期以来一直存在严重的煤炭自燃发火问题。大同煤矿集团公司井田范围内先后因自然发火形成火区93处，通过治理灭掉火区32处。严重的火灾扰乱了矿井的正常生产，造成巨大的生命和财产损失，以及大量资源烧毁和冻结，采（盘）区、工作面接替紧张。尤其在“两硬”分层开采特殊条件下，工作面矿压显现强烈，顶板冒落难以压实充填采空区，上、下分层间存在直接的漏风通道，工作面间的隔离煤柱受集中应力作用，煤体易被压碎形成裂隙，使采空区漏风通道多，造成采空区发火严重。“两硬”分层开采特殊条件下，火区的安全启封和下分层工作面的安全复采，其关键技术在于，一是封闭火区内燃烧状态的分析与判断；二是启封火区后煤层复燃可能性的分析与判断；三是启封后煤层复燃的预处理及过火煤的安全复采^[4]。   

本文通过研究煤峪口矿307盘区“两硬”分层开采特殊条件下，下分层火区的启封与安全复采技术，不仅为煤峪口矿307盘区的安全开采提供技术保障，而且也可为其它类似矿井火区的启封提供科学依据，有较为广泛的应用和推广价值，对我国煤炭资源的有效利用和可持续发展有重大意义。

1 307盘区火区概况

同煤集团煤峪口矿307盘区位于井田西部，主采11、12#合并层，近水平煤层，煤层厚度5.3～7.8m，为典型的“两硬”煤层，主要采用预采顶分层网下放顶煤和分层综合机械化开采。307盘区开采下分层一直存在严重的自然发火问题，盘区巷道多次发现在顶煤、煤帮处出现高温、冒烟甚至明火现象。307盘区专回2704_下系统巷口密闭前上部出现蓝烟，采取调风、灌灭火材料、堵漏、灌浆等措施控制。5705_下系统巷有蓝烟冒出，随后307辅助轨道巷5705_下系统巷风桥以里出现明火。灾后采取直接灭火、封堵、打孔注水注浆等，由于火势发展迅猛，而且有继续蔓延的趋势，不得已对307全盘区实施了封闭。火区封闭时确认的明火区域有3处，即2704_下火区、8708煤柱火区和8705火区，发火面积达2.4km²。

307盘区下分层发生火区的主要原因为，由于“两硬”分层开采特殊条件，307盘区集中压力大，冲击地压显现频繁，特别是盘区进、回风巷(307专回、307辅助轨道巷)从307第二材料斜井至307第三材料斜井段，正处于两翼开采的应力集中区，多次受到冲击地压的影响，巷道支护变形、片帮垮落严重，煤柱破坏严重，煤体裂隙带多且呈松碎状态，与工作面巷道相交区域顶煤多处发生大面积冒落，上下层形成漏风裂缝，漏风通道增多，长时间向煤柱裂缝通风供氧，使煤柱内部发生缓慢氧化，积蓄的大量热量导致该区域发生内因火灾^[5]。

2 封闭火区内火势燃烧状态分析与判断

对于封闭火区火势状态的分析，应首先测量气样时间范围内气体浓度的变化速率^[6、7]。307盘区1#密闭内火区封闭后各指标气体浓度随时间的变化曲线，如图1所示。计算得出1#、4#、8#、9#、10#密闭内各指标气体浓度的变化速率，如表1所示。

                                                                   (a)O₂浓度                                      (b)CO₂浓度

                                                                             (c)CH₄浓度                                    (d)N₂浓度

图1 1#密闭封闭火区指标气体浓度变化曲线

表1 不同密闭内气体浓度变化速率

从表1可知，氧浓度总体稳定，变化趋势不明显；现场数据中CO始终为0，而CO₂浓度稳定，故可以基本判断火区已近熄灭。但因火区内存在的残留氧气及少量漏风，仍可能存在高温阴燃点。同时，由于火区巷道密集、贯通，气流难以完全割断，造成火区气流扰动，在启封过程中可能产生复燃，复燃点与排放的瓦斯重叠后，甚至可能造成瓦斯爆炸，因此，必须进行火区复燃可能性研究。

3火区启封复燃可能性研究

采用气体组分率RT定量分析计算法，研究封闭区内火区开启及通风时复燃的可能性，是一种行之有效的方法^[8、9]。该方法运用时须监测4种气体：氧气、一氧化碳、瓦斯和乙烷。同时，封闭火区状态的气体组分比率RT为：

                 (1)     

气体组分比率RT的判断标准为：当RT＞1时，火区空气尚未达到环境正常温度，可能存在阴燃或高于环境正常温度的氧化现象，此时开启密闭火区不安全；当RT≤1时，火区空气达到环境正常温度，但只有当RT稳定在1以下时间并持续一段时间，才认为封闭火区内空气处于平衡状态。

现场测定某日307盘区各密闭内氧气、一氧化碳、瓦斯和乙烷监测的数据，如表2所示。

表2 不同密闭气体成分监测数据

将监测数据代入公式(1)中，可以计算得出1#、4#、8#、9#、10#各密闭内气体的组分比率分别为：1.18、1.13、1.08、1.15和1.09。因此，可以说明火区启封有复燃的可能性，所以，在启封后一段时间内，必须采取防复燃措施。

4火区安全启封方案和现场实施

在火区启封之前，必须首先组织矿山救护队进行侦察，探明灾区情况，进而安全快速地实施灾区缩封和火区启封措施^[10]。考虑到307火区发生范围较大，不具备对火区进行近距离治理的情况，现场确定了“先缩封、后启封”的总体思路。结合11、12#合并层307盘区气体的监测结果，经分析决定采取调风、排瓦斯、侦察、清除和灌注灭火材料预防复燃、堵漏、缩封、启封的综合方案，采取逐段、逐巷、逐步启封的均压缩封火区法。

4.1 307盘区火区启封方案

结合煤峪口矿采掘衔接计划，有计划、有步骤地由307盘区14#层向11、12#层掘进巷道。当14#层307盘区轨道巷、皮带巷、回风巷到位后，307火区启封条件已全部具备。为保证启封工作的安全，在启封过程中先实施5702下巷贯通，后实施5702下系统巷的贯通，最后实施2702下巷的贯通，最后达到全面启封。具体实施方案为：（1）在8705火区打钻孔进行预探，然后在钻孔内注罗克休；（2）启封9#密闭，解放307轨道巷，然后再启封6#密闭，排放307回风巷、307辅助轨道巷下部未封闭区以及2702下分层上、下顺槽瓦斯；（3）在14#层掘进巷道与11、12#层8702下工作面的两顺槽贯通，在2702下、5702下巷外围分别施工一道罗克休墙，将巷道与火区隔绝。隔绝墙采用深距离钻孔后，安放双液管充填罗克休，使其形成一段厚度为2m的密闭墙，如图2所示；（4）在两巷道贯通处分别灌注一段罗克休，使其形成有效宽度不小于7.0m的罗克休墙，然后在罗克休墙体中间贯通，贯通巷宽为3.0m，贯通过程中与巷道内有害气体完全隔绝，从而防止瓦斯事故的发生，如图3所示。

                                                                                                             图2 隔绝墙示意图                         图3 贯通墙示意图        

4.2 火区启封安全保障和施工措施

为防止火区启封时发生瓦斯爆炸和复燃，现场火区启封前采取了一系列安全保障措施，主要包括：（1）注氮：继续通过钻孔向可能高温点注氮；（2）堵漏：加固密闭；（3）打观察孔：当14#层皮带巷掘进至11、12#合并层8705火区下部时，由14#层向8705封闭区内打1个φ57mm钻孔，观察其温度和气体变化；（4）构筑锁风门：贯通后，由14#层掘进巷道与8702下工作面两巷贯通后，封闭307盘区旧系统,在原通向11、12#合并层的巷道构筑防火密闭。

同时，现场制定了一系列的安全施工措施：（1）对未打通的废弃钻孔必须充填严密；（2）对已打通但未注罗克休的钻孔，先封口，防止气体泄出；（3）巷道贯通时必须采用风镐作业，严禁放炮；（4）巷道贯通后，用手将罗克休墙拆除，严禁使用铁质工具。

4.3 307火区启封效果

根据现场火区启封前后的气体监测表和变化图对比，在启封期间，各种气体组分变化很小，尤其是6#密闭的气体监测，与启封巷道临近的2704下火区状态稳定，8#及其他密闭的气体监测同样没有发生异常。表明启封方案和采取的技术手段是科学有效的，没有对封闭区内火区产生不良影响，火区启封取得了圆满成功。

5 307盘区安全复采保障技术及复采效果

5.1 307盘区安全复采保障技术

为了保证307盘区火区启封后工作面的安全开采，防止有害气体侵入和复燃，现场制定了相应的安全保障技术：（1）工作面开采前和开采过程中，在巷道不同区域使用罗克休对2702下巷道进行堵漏和加固，防止有害气体侵入；（2）调节工作面通风系统，调风调压、减小向采空区漏风；（3）回风巷5702下巷口向里15m处，通过顶板向上层采空区钻进一个观测孔，定期抽取气样化验检测，同时利用该孔安设压差计，观测工作面与上分层采空区之间的压差；（4）工作面开采过程中，为了防止漏风和有害气体下漏，工作面留设完整顶煤；（5）防止工作面漏冒顶事故的发生，工作面移架后应及时移溜；（6）保持工作面较快的推进速度，每天推进不小于3m，防止采空区遗留顶煤自燃；（7）工作面开采过程中，继续通过钻孔向密闭内注氮，降低封闭区内氧气浓度，防止火区复燃；（8）严密监测封闭火区和工作面进回风巷内相关气体的变化情况，通过绘制发火趋势图，对封闭火区和工作面发火情况进行预测预报；（9）工作面开采期间，加强瓦斯防治、监测监控系统和防灭火等日常安全管理。

5.2 复采效果

307盘区8702工作面上分层已开采完毕，8702下工作面走向长760m，平均采高2.0m，采用走向长壁后退式综合机械化开采。8702下工作面采用两巷布置，两顺槽均沿11、12#层煤层底板掘进。2702下巷为运煤和进风顺槽，采用U29五节拱型棚支护。工作面开切眼巷垂直于2702下巷和5702下巷布置，采用金属棚支护和锚杆锚索联合支护。由于采用了有效的火区启封和安全复采的技术，8702下工作面顺利采出煤炭资源30万吨，产生的经济效益达1.56亿元。同时，煤峪口矿307盘区封闭火区安全启封后，及时撤出被封闭的EBY－160型掘进机一台和皮带运输机等价值250万元的设备，回收2702下、5702下巷道1500m支护的U29型金属棚。工作面开采期间，启封区域气体取样分析结果表明，气体成分中无CO，火区温度也无上升迹象，虽发现有二氧化碳侵入问题，但由于采取的安全保障方法技术全面，针对性强，各项指标都在安全范围之内。

6 小结

煤峪口矿307火区的启封与复采的成功经验，既可借鉴8702下工作面巷道布置技术，将8708下、8710下工作面采出，从而为减少资源浪费、延长矿井开采寿命起到积极作用。同时，保证了307盘区其它煤层开采期间的安全，还可将307火区启封的成功技术向全集团公司推广应用，对其它类似矿井的火区启封提供宝贵经验，产生了巨大的经济和社会效益。

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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

作者简介：康福钧（1965－），男，飞禽走兽老虎机：阳高县人，高级工程师，现任大同煤矿集团挖金湾煤业有限责任公司党委书记、副董事长，之前从事生产管理工作20多年。

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