白皎矿掘进期间火与瓦斯耦合灾害综合防治技术_汤平.pdf

第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 白皎矿掘进期间火与瓦斯耦合灾害 综合防治技术 汤平 1， 王 帅 2,3， 谢先明1， 陈 洋 2 （1．四川芙蓉集团实业有限责任公司， 四川 宜宾 644002； 2．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 针对白皎矿 2274 工作面掘进过程中出现的上邻近煤层采空区火与瓦斯耦合灾害威胁， 利用采空区瓦斯易燃易爆浓度范围与自燃带宽度相叠加的火与瓦斯耦合区域判别方法， 基于现 场监测到的数据， 获得自燃带和 CH4易爆区间叠加区域为采空区内靠近回风侧方向距离工作面 76～100 m。通过加强掘进巷道支护、 全断面喷浆及上邻近层采空区注浆与瓦斯泄放钻孔一体化 的综合防治措施， 保障了矿井的安全生产。 关键词 掘进期间； 采空区； 火与瓦斯； 耦合灾害； 防治技术 中图分类号 TD75＋2．2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0076-04 Study on Comprehensive Prevention and Control Technology of Fire and Gas Coupling Hazard During Tunneling Period of Baijiao Coal Mine TANG Ping1, WANG Shuai2,3, XIE Xianming1, CHEN Yang2 （1.Sichuan Furong Group Industrial Co., Ltd., Yibin 644002, China;2．China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract In view of the danger of fire and gas coupling disaster in the upper adjacent goaf of the coal seam caused by the tunneling process of 2274 working face in Baijiao Coal Mine, by means of identifying fire and gas coupling areas in goaf where the flammable explosive concentration range and the width of spontaneous combustion zone overlap, based on the data from the site monitoring, the superimposed area of the spontaneous combustion zone and the CH4explosive zone is obtained from the working face of the goaf in the direction of the return air side 76 m to 100 m． The safety of mine production is ensured by the integrated prevention and control measures such as strengthening the support of tunneling roadway, grouting in full section, grouting in upper adjacent goaf and gas drainage drilling． Key words tunneling period; goaf; fire and gas; coupling disaster; prevention and control technology 随着我国煤矿技术装备水平的不断提高，煤矿 安全形势不断好转，但重特大火灾及其引发的瓦斯 爆炸等次生灾害事仍时有发生[1-4]。特别是随着我国 煤炭行业开采深度和开采强度的不断增大，瓦斯矿 井和煤与瓦斯突出矿井不断增多，由于内因火灾和 环境及人为因素等导致的外因火灾问题也越发严 重， 导致火与瓦斯 2 种灾害共存的不利局面[5-6]。例 如黑龙江、 山西、 淮北、 川南等多地区矿井均出现了 2 种灾害耦合的情况，影响了安全生产甚至导致了 惨重的经济损失。据统计[7-10]， 我国大约 230 个矿井 中 1/3 出现了火灾和瓦斯爆炸共生的灾害且这种 复合灾害叠加模式成了一种较难调转的趋势。 采空区作为井下最容易发生着火和积聚瓦斯甚 至发生爆炸的地点之一，虽然单独对待一种灾害的 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．017 汤平， 王帅， 谢先明， 等．白皎矿掘进期间火与瓦斯耦合灾害综合防治技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2 ） 76-79． TANG Ping, WANG Shuai, XIE Xianming,et al． Study on Comprehensive Prevention and Control Technology of Fire and Gas Coupling Hazard During Tunneling Period of Baijiao Coal Mine ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2 ） 76-79． 移动扫码阅读 基金项目 中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项项目 青年资助项目 （2018- 2- QN012） 技术 创新 76 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 2采空区进风侧升温速率曲线 Fig．2Temperature rising rate curves of intake air side of goaf 图 14煤层与 3煤层工作面位置关系图 Fig．1Position relation diagram of 4coal seam and 3coal seam working surface 方法和技术措施比较完善，但是对待这 2 种灾害耦 合影响作用的情况，现有的多数技术手段还是显得 有些薄弱，甚至在治理一种灾害的同时会加重另一 种灾害的影响[11-13]。以白皎矿 2274 工作面掘进过程 中上覆 2273 采空区内出现的火与瓦斯耦合共生的 灾害为研究对象，基于现场实际情况找到两者耦合 影响范围，采取了加强掘进巷道支护、全断面喷浆 及上邻近层采空区注浆与瓦斯抽放钻孔一体化的综 合技术措施， 保证了该矿井安全生产[14-15]。 1矿井概况及火与瓦斯情况 四川省宜宾市珙县白皎矿采用主、副平硐加暗 斜井的开拓方式，工作面走向长壁后退式、采区前 进式的开采方法，矿井为抽出式通风方法，核定生 产能力为 0．75 Mt/a，平均绝对瓦斯涌出量为 80．71 m3/min， 平均相对瓦斯涌出量为 53．99 m3/min， 属于 煤与瓦斯突出矿井，该矿百万吨发火率为 6 次且矿 井近年来发生火与瓦斯耦合灾害渐多。 2274 掘进工作面平均走向长 680 m， 平均倾斜 长 120 m， 煤层自然发火期 3～8 个月， 最短仅有 18 d， 属于Ⅱ类自燃煤层。本煤层 4距离上覆 2煤层 平均 5．7 m，距离上覆 3煤层平均距离 2．67 m， 其 中 3煤层曾发生过自然发火事故，由于近距离煤 层群赋的影响， 3煤层常与 4煤层发生贯穿， 状态 较不稳定且受采动影响、 采空区近距离煤层间漏风 和采空区内赋存遗煤释放瓦斯等综合因素影响， 促 成了 3煤层采空区内火与瓦斯灾害共存且互相影 响的局面。4煤层掘进工作面与 3煤层采空区位 置关系如图 1。 2火与瓦斯耦合区域的定位 2．1定位原理 耦合区域的定位即在工作面或采空区设置监测 设备和布置探测点，通过各探测点监测到的各指标 气体浓度取交集得到的就是发生耦合的区域。一般 来说， 当采空区内满足遗煤自然发火条件且 CH4混 合气体处于易燃易爆浓度值域时就会产生火灾与瓦 斯爆炸共生灾害危险；当采空区内遗煤自然发火条 件不满足， 既使 CH4混合气体处于易燃易爆浓度值 域时也不会产生火灾与瓦斯爆炸共生灾害危险； 同 理， 采空区内满足遗煤自然发火条件但 CH4混合气 体处于煤矿安全规定的允许浓度区间即无易爆易燃 的可能则也不会有 2 种灾害共生的风险。因此对于 2273 煤层采空区内可能发生耦合灾害区域的定位 要先找到采空区自燃带范围，再通过爆炸界限公式 计算出 CH4混合气体易燃易爆浓度范围区间， 两者 叠加即构成易发生火灾与瓦斯灾害的耦合区域。为 了研究和计算方便，假设瓦斯混合气体爆炸主要为 CH4，对于氧化带的范围确定采用氧气浓度指标来 划分。甲烷混合气体的爆炸界限计算公式如下 100 y Q1 n1 Q2 n2 Qi ni （1 ） 式中 y 为 CH4混合气体爆炸界限； Q1、 Q2、 、 Qi 为多种可燃气体（CO、 C2H4、 C2H6、 C2H2等） 浓度值； n1、 n2、 、 ni为多种可燃气体的爆炸界限。 2．2各标志浓度气体监测及分析 随着 2274 工作面的不断掘进，对 2273 采空区 进行了约 60 d 的数据 （氧气浓度、 气体温度、 一氧化 碳浓度等） 监测。 2．2．1采空区升温速率的监测与分析 采空区进风侧升温速率曲线如图 2，采空区回 风侧升温速率曲线如图 3。 从图 2 与图 3 可以看出， 进风侧 0～50 m， 升温 速率一直是增加状态， 50～75 m 升温速率降低， 但是 采空区内温度总体依然处于升高状态，升温速率超 过 1 ℃/d 的测点距离工作面 40 m 左右，因此可以 77 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 5采空区回风侧 CO 浓度曲线 Fig．5CO concentration curves on the return air side of Goaf 图 3采空区回风侧升温速率曲线 Fig．3Temperature rising rate curves of return air side in goaf 图 4采空区进风侧 CO 浓度曲线 Fig．4CO concentration curves on the intake air side of goaf 认为采空区进风侧热量积聚在工作面 40 m 之后的 范围开始显现。回风侧 0～80 m 左右， 升温速率一直 是增加状态， 80 m 达到最高值， 之后升温速率降低， 升温速率超过 1 ℃/d 的测点距离工作面 25 m 左 右，因此可以认为采空区回风侧热量积聚在工作面 25 m 之后的范围显现。 综上所述，2273 采空区内距 工作面 0～25 m 范围热量不易聚集，25 m 之后容易 出现热量积聚现象。 2．2．2CO 气体监测与分析 采空区进风侧 CO 浓度曲线如图 4， 采空区回风 侧 CO 浓度曲线如图 5。从图 4 与图 5 可以看出， 采 空区内遗煤在距离工作面 40～80 m 范围内容易出 现缓慢氧化，65 m 左右氧化显现比较强烈。 2．2．3O2浓度监测与分析 采空区进风侧氧气浓度曲线如图 6， 采空区回风 侧氧气浓度曲线如图 7。 从图 6 与图 7 可以看出， 采 空区内氧气浓度逐渐降低，监测完成时最终氧气浓 度为 9， 但 0～30 m 范围内氧气浓度变化均不太显 著。进风侧采空区内测点距离工作面 0～115 m 为散 热带和氧化带范围，回风侧采空区内测点距离工作 面 0～100 m 为散热带和氧化带范围。 2．3CH4易燃易爆浓度区域的确定 基于之前为了方便研究做出的假设和 CH4爆炸 界限计算公式， 公式中的可燃气体认为只有 CH4和 CO，根据监测数据可知 CO 最高浓度为 4710-6， 故 不考虑 CO 对爆炸影响， CH4最大值取 0．052，运用 公式计算得 CH4爆炸界限值约为 0．049 2。运用 MATLAB 数据分析软件可知自燃带和 CH4易爆区间 图 6采空区进风侧 O2浓度曲线 Fig．6Oxygen concentration curves on the intake air side of goaf 图 7采空区回风侧 O2浓度曲线 Fig．7Oxygen concentration curves on the return air side of goaf 78 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 叠加区域为采空区内靠近回风侧方向距离工作面 76～100 m。 3火与瓦斯耦合灾害区域的综合防治技术 3．1加强 2273工作面采空区气体监测与预防 在 2274 掘进工作面运输巷和回风巷内施工观 测孔， 对 2273 采空区内定位的火与瓦斯耦合灾害危 险区域进行监测，以人工色谱取样为主，外围密闭 监测为辅， 观测孔间隔平均 25 m， 在接近危险区域 的地方间隔为 15 m 左右， 1 排 1 孔， 钻孔角度为 90 垂直向上，终孔透穿 2273 采空区底板并下套管， 每 班至少抽气 1 次送至地面对各指标气体浓度和温 度进行色谱分析， 以便更好地预测危险区域情况。 3．2掘进期间采空区内耦合危险区域的防治 1） 加强掘进巷道支护， 减少向上覆 2273 采空 区内危险区域漏风。在极近距离煤层 2274 掘进期 间尽量保证巷道一次成形，降低巷道维修工作对上 覆采空区扰动影响，基于煤岩体力学性质和地质条 件， 掘进巷道采用工字钢梯形支护方式。 2） 巷道全断面喷浆， 减少掘进期间正压通风向危 险区域漏风。期对掘进巷道整体喷浆厚度为 10 m， 封 堵漏风效果差， 确定危险区域后， 将喷浆厚度改为 40 m， 减少掘进期间漏风对耦合危险区域的影响。 3 ） 对上覆 2273 采空区耦合灾害风险区域及周围 进行注浆操作。2274 工作面运输巷、 回风巷内向 2273 巷道及危险区域施工 28 个注浆钻孔兼做瓦斯泄放孔 和观测孔， 注浆时直到钻孔注不进去为止， 同时在危 险区域和异常高温区域补打注浆钻孔， 保持连续注浆 状态， 并通过未注浆的钻孔观测危险区域情况。 3．3危险区域的防治效果 通过上述技术措施，有效地预防和控制了上覆 2273 采空区内隐藏的火与瓦斯耦合灾害， 掘进期间 通过检测得到的 CH4含量小于 8 m3/t，绝对瓦斯涌 出量能维持在 0．5 m3/min， CO 浓度从 1 80010-6逐 渐降到 1 20010-6， 最终稳定在 2010-6。 4结论 1 ） 近距离煤层群开采， 下煤层掘进期间易产生 层间漏风， 增大了上覆采空区自然发火威胁。 2 ） 基于火与瓦斯耦合灾害定位原理， 划定自燃 带和 CH4易爆区间叠加区域为 2273 采空区内靠近 回风侧方向距离工作面 76～100 m。 3） 通过加强巷道支护、 全断面喷浆、 施工观测钻 孔、注浆钻孔兼做泄放瓦斯孔等综合技术措施， 有 效的消除了 2273 采空区内火与瓦斯耦合灾害区域 的威胁。 参考文献 ［1］ 索在斌， 吴世跃， 牛煜， 等．坡度对上行通风火灾影响 的数值模拟 ［J］ ．煤矿安全， 2019， 50 （1） 192-195． ［2］ 陆军平， 李一丁， 武军虎， 等．矿井火灾应急能力评价 模型研究 ［J］ ．消防科学与技术， 2018， 37 （12 ） 1742． ［3］ 孙继平， 孙雁宇．矿井火灾监测与趋势预测方法研究 ［J］ ．工矿自动化， 2019， 45 （3） 1-4． ［4］ 周西华， 董强， 徐丽娜， 等．基于 Box-Behnken 设计的 采空区瓦斯与火共治技术 ［J］ ．辽宁工程技术大学学 报 （自然科学版） ， 2018， 37 （3） 487-492． ［5］ 时国庆， 周涛， 刘茂喜， 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