浅埋近距离煤层群上覆采空区火灾及气体下泄防治研究

任仲久

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁省抚顺市，113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁省抚顺市，113122)

0 引言

在我国中西部地区，煤炭资源赋存具有煤层多、埋藏浅、地质构造条件复杂的特点，并广泛存在着近距离煤层群联合开采的情况[1]。随着开采深度的增加，上覆采空区的条件越发复杂，煤岩破碎量增大、隐蔽采空区条件不明，煤的自燃灾害也越发凸显，与此同时有害气体下泄还会影响下层煤的开采[2]。

众多学者针对火区治理和有害气体控制方面进行了大量研究，一些学者通过分析煤炭的氧化自燃特性进行煤炭自燃的标志性气体优选[3-5]；万磊等[6-7]通过SF6和CF2ClBr双元示踪气体分析复杂的漏风网络和漏风量；邓军等[8]提出了“防-抑-灭”协同灭火技术，针对阻化、注惰性气体抑氧降温、堵漏和均压的应用条件进行了分析；王磊[9]详细分析了低温氮气注入采空区对遗煤自燃的抑制作用。粉煤灰复合胶体、帷幕注浆等新型材料和注浆技术也得到了发展和应用[10-11]，采空区的火区治理技术也越来越多样性[12-13]。霍丙杰等[14]构建了双系采空区气体流通原理并建立了参量控制方程。

上述研究虽然取得一定的效果，但是浅埋近距离煤层群工作面上覆采空区火灾及其导致有毒有害气体下泄的控制治理却还需要进一步研究。笔者以沙坪煤矿13103综放开采工作面为工程背景，详细分析了上覆采空区自燃原因、火区的精准探测、CO气体下泄情况，提出的联防联控机制可有效控制上覆煤层自燃，解决工作面CO超限问题，保障该工作面安全高效开采。

1 煤矿概况

沙坪煤矿位于山西省河曲县，矿井开采涉及8、9、10、11、12、13号煤层，属于典型的浅埋近距离煤层群联合开采。13号煤层距上覆8号煤层仅41.13 m，煤质为长焰煤，自燃倾向性为Ⅱ类，自然发火期64 d。

分析沙坪煤矿采空区自燃原因有以下3个主要因素：一是煤层自燃危险性大、变质程度低、自燃倾向性高、自燃点温度低、煤层质脆易碎，且富含黄铁矿结核；二是老窑采空区疑似火区较多，井田内7座小窑关闭前均开采过8号煤层，2个曾开采过13号煤层，周边小窑存在火区；三是煤层埋藏浅、数量多、层间距小，煤层开采时采空区顶板冒落会导致开采空间与上部采空区连通，从而引起地应力集中，造成地表沉陷而形成众多裂隙。

同时受井田范围内小窑越层越界、滥采乱掘的影响，在负压通风下造成采空区漏风严重，导致采空区自然发火，给矿井防灭火技术和管理工作增加了难度。为此，笔者对沙坪煤矿13103工作面这类浅埋近距离煤层群上覆采空区易发生自然发火灾害进行了深入的工程防治技术研究，并进行了具体实践。

2 上覆采空区自燃区探测研究与分析

2.1 测点布置

13103工作面自开切眼到680 m上覆为南正沟煤矿采空区，680～1 770 m上覆为火山煤矿采空区。为明确火区的具体情况，在13103工作面和附近的13102工作面布置59排共1 055个探测点，探测点间距为30 m×30 m，采用地面红外探测、测温、同位素测氡法和地面综合探测方法对13103工作面和13102工作面上覆采空区自然发火状态进行综合探测。

2.2 探测结果

在对13103工作面探测点的温度数据整理后绘制探测区域温度等值线，如图1(a)所示，可以明显看出高温异常区域为A、B、C(西南方向)和E。与此同时通过钻孔对CO、O2气体浓度进行监测，各监测气体浓度等值线如图1(b)和(c)所示。由图1(b)可以看出，CO浓度较高的区域分布在黄颜色区域，涉及排矸场和猫儿沟部分区域；排矸场浓度较高的一部分原因可能是地面矸石氧化释放出了CO。氡含量如图1(d)所示，图中等值线较为密集的区域，即颜色变黄甚至变黑区域为氡值异常区域，这些区域大概率存在发火危险，主要位于猫儿沟排土场区域内。将氡值平面图与矿井测点布置点图叠加，综合测温、测气和测氡结果，确定火区并得到隐患区域面积、位置和自燃隐患发展方向范围如图1(e)所示。

图1 13103工作面上覆火区探测

由图1(e)可以看出，A、B氡值异常区均在13103工作面进回风巷道附近，为局部裂隙下煤层产生的自然氧化现象；C区域位置与1号采空区边缘和废弃巷道附近重叠；D区域和9号煤层采区重叠，包括4处氡值异常区；E区域也和9号煤层采区重叠，同时也在工作面进回风巷道附近。通过与周边区域氡值浓度的对比和校正，可判定C、E氡值异常区为发火异常区，D、F区为高温氧化区。G、H、I、J、K、L氡值异常区均在13号煤层开采巷道和南正沟煤矿废弃巷道附近。G、H、I、J、K、L氡值异常区主中心位置氡值均超过10 000 Bq/m3，远远大于发火氡值临界值，因此该区域为发火异常区，需要加强监测并在开采前做好防灭火措施。

结合前期探测成果和采掘工程平面图，发现测量区域内共有12处氡值异常区，以上异常区情况随裂隙和通风供氧等外部条件变化而有所变化，总面积约39 077 m2。经过数据处理，计算各个异常区的隐患区域面积、中心位置坐标，火源发展方向等信息，见表1。

表1 隐患区域探测结果

13103工作面布置后，使用定向钻机对南正沟煤矿采空区和火山煤矿采空区井下氡值异常区域进行钻探验证，根据13103工作面井下钻孔观测结果，从13103工作面开切眼开始往外至回风巷400 m 左右上覆采空区内CO浓度最高达到0.674 3%，并有乙炔(C2H2)出现，C2H2浓度最大0.004 6%，说明煤温已经超过380 ℃，临近着火点。井下钻孔探测CO浓度变化曲线如图2所示。

针对审计对象不明的问题，审计范围可在原有的基础上进一步扩大，即对党委领导也展开必要的审核，这样就可以做到全面管理，提高离任审计的准确性，加强单位内部的凝聚力。评价体系需往全面性的方向改进，审计人员充分结合定性评价与定量评价的方法，保证审核报告结论的客观性，且结果精准涵盖问题的根本。

图2 井下钻孔探测CO结果

由图2可知，上覆采空区在13103工作面开切眼往外400 m范围内有火区存在，结合上覆8号煤层采空区分布可知，上覆采空区高浓度CO主要集中在南正沟主井及大巷西南方向采空区内，并富集在13103开切眼附近上覆采空区，CO浓度分布沿走向从开切眼往外逐渐降低。在工作面正式回采前，需对13103工作面开切眼至距离400 m处的上覆采空区进行重点关注。

3 CO气体下泄运移规律研究

3.1 13103工作面气体超限原因

漏风是上覆采空区有毒有害气体下泄的重要原因，在通风风压的影响下，不同位置的CO有向工作面及回风隅角等风压较低的位置运移的趋势，这也是导致13103工作面回风隅角处CO浓度超限的主要原因。在井下采用SF6漏风测定技术检测得到13103工作面漏风量为182 m3/min，漏风率为7.99%。由于8号煤层采用房柱式开采，大部分采空区顶板保存完整没有垮落，13103工作面在回采过程中产生的采动影响使得形成的裂隙直接到达地表，空气通过裂缝带与13103采空区连通，导致13103工作面出现严重的漏风现象。通过对13103工作面漏风规律研究可知，13103采空区与上覆采空区和地表之间存在连通裂隙，漏风方向为上覆采空区向13103工作面漏风；采空区与小煤窑采空区之间存在连通线路，漏风方向为小煤窑采空区向采空区漏风。综上所述，目前13103工作面的安全生产主要受上覆煤层采空区气体下泄的影响，严重的漏风导致上覆采空区遗煤自然发火。

3.2 上覆采空区高浓度CO运移规律

以13103工作面回风隅角处为坐标原点，沿着采空区深度方向为X轴负方向，沿工作面倾向方向指向进风侧为Y轴负方向，竖直向上为Z轴正方向建立模型，模拟13103工作面回采50 m处和400 m 处，倾向长度240 m，与13103工作面垂直距离42 m时采空区气体运移模型，如图3所示。在工作面开切眼上覆采空区设置高温点，此外根据实测资料对地表裂隙的统计结果，在模型中建立2组长240 m、宽50 m(400 m)、深9.6 m的地表漏风等效裂隙，以此来考虑地表漏风对采空区风流的影响。利用MESH四面体网格在进回风巷、工作面以及开切眼处采取全局网格加密的方法提高模拟精度；设置计算模型为稳态模型，选择组分输运模型，混合物为甲烷-空气；选用k-ε湍流模型模拟气体在采空区的传热传质规律；13103进回风巷分别为速度入口与自由出口(outflow)，根据实际情况设置进风巷处的入口速度为1.453 5 m/s，上覆采空区模型顶部设置总漏风量200 m3/min。高温点的漏风占总漏风量的90%，其他漏风为10%，高温点CO浓度设置为0.8%；在上覆采空区中将弯曲下沉带中的裂隙等效为模型中的裂隙矩形方格，其孔隙率为1，其他漏风影响微小的区域孔隙率设置为0。

图3 采空区气体运移模型

3.3 结果分析

模拟回采50 m时工作面及上覆采空区内CO浓度场的空间三维分布如图4所示。在工作面推进至50 m时，靠近工作面中上部及回风侧上覆采空区遗煤氧化产生的CO气体能够在地表和进风隅角漏风流的带动下逐渐涌入工作面，在平行于底板方向Z=5 m处达到极值，上覆采空区产生的CO主要在工作面后半部分涌入到工作面，上覆采空区CO气体自上而下逐渐向工作面和进风巷方向扩散，导致CO在回风隅角处聚集。

图4 回采50 m时13103工作面及上覆采空区内CO浓度分布

模拟回采400 m时工作面及上覆采空区内CO浓度场的空间三维分布如图5所示。当工作面推进至400 m时，采空区CO浓度分布与工作面推进50 m时的模型结果有所变化，开切眼侧高浓度CO范围较50 m时有所增加，13103工作面靠近回风隅角处采空区CO积聚现象比较严重，表明随着工作面的推进，在开切眼侧依然有渗透漏风流向采空区，逐渐扩大至13103工作面回风隅角区域。

图5 回采400 m时13103工作面及上覆采空区内CO浓度分布

4 防治技术与治理效果

4.1 地表堵漏

为处理地表裂隙，在13103工作面地表位置进行了黄土填埋并随时观测地表变化，对产生裂隙区域继续填埋，对孔洞大的裂隙在填埋同时，进行浇水夯实处理。南正沟煤矿南侧原始山体+890 m平台全部回填，形成+890 m排土平台；沿890 m排土平台南侧修筑排土道路，分层排弃形成+910、+930、+950 m水平排土台阶；排土台阶与两侧原始山体兼并，便于覆盖两侧原始山体裂缝，排土台阶高20 m，坡面角35°，用黄土重力沿山体坡面自由滚落，尽量覆盖原始山体最大面积，覆土厚度不小于2 m。

4.2 钻孔注氮

沙坪煤矿在13103工作面采用钻孔注液氮处理隐蔽的8号煤层采空区发火隐患区域，因13103工作面上覆采空区面积大，采用钻孔目标直注式注液氮方式进行治理。上覆采空区老窑破坏区面积估算7.4万m2，由于8号煤层采空区为老窑采空区，采取房柱式开采方式，遗留煤柱不明，估算容积49万m3，经估算需液氮612 t。邻近的13102工作面同样存在上覆采空区，在该区域布置2-1号、2-2号、2-3号钻孔用于注液态氮，钻孔位置位于13102工作面上方170 m×240 m范围，该区域注液氮范围为27万m3，需注液氮338 t。总计需注液氮950 t。根据上述可知13103工作面开切眼往外400 m范围内上覆采空区隐蔽火区隐患较严重，重点对该区域灌注。在地面施工12个钻孔对8号煤层老窑破坏区注液氮，每个钻孔灌注80 t液氮。

4.3 灌浆防灭火

13103工作面煤层倾角小于5°，倾斜长度为240 m，注浆管口从进风侧进入采空区，保证浆体能够进入采空区，但也存在采高过大，无法填满的问题。综上所述，采用静压输浆在工作面运输巷、辅运巷内铺设灌浆管路，进、回风隅角埋设管路，依据防灭火设计及采空区气体观测情况进行灌浆。当工作面接近仰采至1 300 m时以及回撤期间，在进风隅角埋设管路进行灌浆，采空区埋设管路深度为20～30 m。工作面推进500 m后利用补2-5号、3-3号地面钻孔进行注浆。通过浆体粘结性填充裂隙、降低温度并防止自燃。

4.4 上下隅角堵漏

为减少采空区的漏风和氮气的泄漏，对采空区实施堵漏。根据头尾端头垮落情况，在工作面头、尾巷各构筑一道粉煤灰封堵墙(用粉煤灰袋施工，底宽1.5 m、顶宽1 m)。在回采期间正常推进时每隔15 m对上下隅角进行封堵，封堵选用编织袋内充填黄泥(不可燃材料)垛墙方式进行封堵；在推进缓慢(氧化带存续时间大于煤层最短自然发火期)工作面和末采工作面端头封堵步距为5 m；采煤工作面停采到位后必须在两端头各构筑一道封堵墙体并进行喷涂，对工作面后部裸煤进行全面喷涂，如图6所示。

图6 上下隅角堵漏示意

4.5 埋管抽采

13103工作面采空区CO涌出位置主要在回风隅角，为防止CO涌出造成气体超限，危害人的健康和安全，根据涌出特点，采取埋管方式进行抽采。受巷道空间影响，采取四排Φ159 mm管路迈步式抽采。在分路器上引出4趟Φ159 mm支管(可采用PVC管路)，并依次错开3 m距离。第1趟支管接设至支架尾梁时开始抽采，进入工作面采空区3 m后，埋入第2趟抽采支管；第2趟抽采支管进入工作面采空区3 m后，埋入第3趟抽采支管；第3趟抽采支管进入工作面采空区3 m后，埋入第4趟抽采支管。当第1趟支管埋入采空区12 m 时停止抽采，断开管路，同时在第1趟支管上接设新抽采管路并循环。

4.6 工作面应急调压系统

13103综放工作面应急动态调压系统是由调压风机硐室安装的应急动态调压风机、运输巷应急动态调压调节风门、辅运巷应急动态调压调节风门及回撤通道风门构成。应急动态调压系统启动后，通过运输巷应急动态调压风门风窗的调整，在工作面风量满足作业规程规定的风量情况下，提升工作面的压力，使之与上覆采空区达到压力平衡，阻止有害气体下泄，隔绝地表裂隙向上覆层采空区供氧，防止煤氧化自燃。此方法为回采期间应急方案，只有在上覆采空区气体下泄突然增大威胁人的安全或采用上述方法不能控制气体下泄时启用。

4.7 治理效果

经过治理后，2-3号地面钻孔温度由探通时的158 ℃降到25 ℃，3-3号地面钻孔温度由探通时的99 ℃降到15 ℃，上覆采空区温度明显降低，13103工作面范围内高温点消除。2020年9月至2021年1月，采用便携式一氧化碳检测仪对13103工作面上隅角上中下部3个点的CO浓度进行监测，监测结果如图7所示。13103工作面回采前上覆采空区CO浓度高达0.6%以上，经过治理后，采空区发火指标气体浓度降低，CO浓度明显下降大部分稳定在0.05%以下。

图7 工作面上隅角CO浓度

5 结论

(1)分析表明，沙坪煤矿13103工作面上覆采空区自燃的主要原因是煤层自燃危险性大、老窑采空区疑似火区多、煤层埋藏浅、煤层数量多、层间距小。采用地面红外探测、测温测气、同位素测氡法和地面综合探测方法对13103工作面上覆采空区自然发火状态进行综合探测，准确标定了火区中心点和范围。

(2)数值模拟表明，13103工作面上覆采空区遗煤氧化产生的CO气体在工作面后50 m靠近工作面中上部及回风侧在地表和进风隅角漏风流的带动下逐渐涌入13103工作面并在平行于底板方向Z=5 m 处达到极值，13103工作面靠近回风隅角处采空区CO积聚现象比较严重。

(3)采取井上下联合防控措施后，实现了隐患火区下13103综放工作面的安全开采。根据发火位置和重复采动特征，综合提出了井上下联合防控措施，“封、堵、注、灌、截、抽、压”措施共同实现了火区惰化、工作面有害气体控制在合理范围，保障了矿井的安全生产。