西曲矿12315 工作面煤层自燃预测治理方法研究

郭江江

（西山煤电（集团）公司西曲矿，山西古交 030200）

1 工作面摘要

工作面井上位于原南坪村，地表以山地地形为主，无河流经过，沟谷低洼处常年无流水，盖山厚度约160~238 m,平均厚度约199 m。工作面内无煤田钻孔、煤层气孔、水源井和小窑井筒分布。南部为12316 采空区，东部为22101 采空区，北部为12306 采空区，西部为12304、12305 采空区。各工作面及大巷均留设保护煤柱。2.3 号煤层厚度稳定，煤厚3.98~4.75 m，平均 4.43m，煤层结构 3.10（0.20）1.10 m，煤层整体倾向西南，倾角2°~7°，一般为4°。2.3 号煤层结构复杂，中下部普遍含有一层泥岩夹石，夹石厚度变化不大。2.3 号煤直接顶板为1.20~3.30 m 的砂质泥岩，老顶为2.35 m 的中粒砂岩，底板为8.56 m 的泥岩。该工作面副巷长度为400 m，巷道形状为矩形和梯形，矩形巷道宽为4.5 m，高为3.5 m，净断面积为15.8 m2，支护形式为锚杆+钢带+锚索支护；梯形巷道上宽3.3 m，下宽4.3 m，高3.2 m，净断面积为12.16 m2。

2 一氧化碳超限原因分析

工作面回采到150 m 时工作面的上隅角出现的一氧化碳，最高能达到15×10-⒍，为了确定一氧化碳来源，在上隅角处加设一氧化碳探头及温度探头，监测上隅角的一氧化碳浓度及温度，并在工作面正巷处向煤柱打设通向12306 工作面采空区。通过观测上隅角数据及钻孔内一氧化碳浓度从而推测一氧化碳来源，具体数据见表1：

表1 工作面一氧化碳浓度及温度

通过上面数据可以看出，工作面的温度无明显变化，且与大巷中的温度相近，故一氧化碳不是采空区煤层自燃产生的。通过观察煤柱钻孔内的一氧化碳浓度可以看出，煤柱钻孔内一氧化碳浓度远远大于上隅角一氧化碳浓度，故可以看出12315 工作面一氧化碳浓度主要来源为12315 工作面北部12306 采空区产生的一氧化碳，有采空区煤层自燃的风险。

3 煤层自燃预测技术方案

3.1 打钻注水观测煤柱温度预防煤层自燃

为强化12315 工作面防灭火效果，确保工作面安全生产，现计划在12315 工作面和12306 工作面煤柱施工煤柱探测注水钻孔。

根据现12315 工作面回采情况，计划在工作面正巷5 号点前22.4 m 布置第1 个煤柱注水钻孔，钻孔间距为10 m，共布置钻孔13 个，具体参数见表2：

表2 钻孔布置参数

根据12315 工作面地测资料，煤柱注水钻孔开孔位置位于巷道底板以上1.3~1.4 m 范围内，终孔距顶板竖直距离为1 m 左右，煤柱钻孔终孔水平投影位于煤柱中心线位置, 采用动压注水, 施工煤柱探孔采用ZQY-1200LPS 型钻机。

注水工艺及参数确认：钻孔直径：75 mm；钻孔角度：与煤壁逆时针夹角30°。

图1 12315 工作面煤柱注水孔剖面图

图2 12315 工作面煤柱注水孔示意图

1）钻孔注水量计算，根据下式计算：

式中：Q为1 个钻孔注水量m3;B为孔间距，取10m；L为孔深度，取 16 m；M为煤层最大厚度，取4.75 m；r为煤容重，取1.34 t/m3;q为吨煤注水量，取0.02m3/t。

因此，Q=16×10×4.75×1.34×0.02=20.368 m3

2）注水时间：每天24 h 连续动压注水。注水流量一般在0.3～2 m3/h，由于西曲矿煤质渗透性弱，将注水流量暂定为0.6 m3/h。（注水时间以注水总流量达到规定值或注水流量每小时增加值很小时为止）,单孔预计34 h 注满。

3）注水期间注水孔采取动压的注水方式，注水孔必须保证24 h 不间断注水，注水压力3~5 MPa，安装注水表并记录注水量。

4）封孔深度：封孔深度确定为2 m 以上。

5）封孔方式：当工作面支架推进至注水孔时对当前注水孔进行封孔，采用人工水泥封孔。

3.2 监测方式及结果

采用钻孔回水温度监测的方式，施工钻孔后对钻孔进行注水，待钻孔注水溢出后24 h 监测注水孔内水温变化情况并记录，水温情况出现异常时及时汇报队组及调度。通过检测钻孔内的温度可以预测预防煤层自燃。

表3 煤柱钻孔内水温计一氧化碳浓度

图3 钻孔内5m 距离处水温曲线图

图4 钻孔内15m 距离处水温曲线图

通过上图可以看出随着钻孔距离的深入，水温逐渐上升，一氧化碳浓度变高，但水温未达到自燃温度。

4 预防煤层自燃方案

4.1 加强工作面注氮系统的注氮

将制氮机安放在12316 副巷运料斜坡注氮硐室内，巷道平、直而且支护良好，安设供水管路，具有风量不小于200 m3/min 的新鲜风流，设有独立的供电电源和馈电开关。注氮泵放置在南三上组煤集中运料巷注氮硐室内。防灭火注氮地点选择在工作面进风侧及正巷上隅角处，氮气释放口的位置为深入采空区距工作面切顶线30 m。沿正、副巷向采空区埋设第1 条注氮支管，随工作面推进30 m 后，埋入第2 条注氮支管，当工作面推过第2 条注氮支管30 m 后，断开第1条注氮支管，把断开处与第2 条管路相连接，以此类推，必须保证正、副巷有一趟注氮管路能正常连续注氮，直至工作面开采结束。注氮管口用石块或木垛加以保护，氮气释放口处管路打1m 花眼，采取防堵措施，保证注氮管路畅通，注氮口距底板巷道高度在300 mm 以上。

4.2 阻化剂使用

1）采空区由于漏风容易引起浮煤氧化产生高温或自燃，防灭火硅胶配水形成胶体材料后，在综采支架后面进行喷洒，一个循环喷洒一次，使采空区形成条状隔离带，胶体材料成膜后附着在煤、压矸石等表面或渗透至缝隙带，形成膜状覆盖，达到降温灭火之功效，形成1m3胶体溶液需防灭火硅胶5~8 kg，胶体材料保水时间半年以上，在部分失水时，只需补充少量水份，胶体即可再生，恢复胶体的功能。

2）开切眼、停采线、高顶浮煤处以及在顺槽进行喷洒。

3）巷道顶板破碎带、破碎煤柱以及离层区注浆，以达到填充裂隙、封堵漏风的作用，并且降温除尘防止氧化自燃。

4）综采工作面的上、下隅角每个圆班进行1 次喷洒。

4.3 其他预防措施

1）测风员必须按规定对12315 工作面沿线所有巷道进行测风，保证风量满足要求，每次测风结果应当记录并写在测风地点的记录牌上，发现风量变化时，必须及时调整风量并分析查明原因。

2）工作面回采时，在上隅角吊挂导风障，减少工作面采空区漏风，同时吊挂一氧化碳便携式检测仪，确保安全生产。

3）加强统计12315 上隅角及液压支架之间的瓦斯浓度及一氧化碳浓度、温度情况。

4）加强检查12315 采空区对应的地表漏风情况，采用烟雾管进行观测检查，并做好记录。

5）在满足12315 上隅角瓦斯浓度低于规定的值，通过通风调配管路泄压侧三通阀门，减少上隅角进入抽采管路中的混合气体流量，降低了抽采负压，减少抽采量，减少采空区气体涌出。

5 结 论

通过对工作面正巷煤柱处打设钻孔，加强对工作面上隅角及煤柱处的温度及一氧化碳浓度的检测，达到预防煤层自燃的效果，同时对工作面上隅角处进行注氮加强喷洒阻化剂等措施达到降低工作面煤层自燃风险的效果，将工作面上隅角处的一氧化碳浓度从12×10-⒍降低到 5×10-⒍，达到了良好效果，保证了工作面安全回采。