马兰煤矿高瓦斯自燃煤层瓦斯抽采关键参数与防火措施研究

李争春 赵 磐

(西山煤电集团公司马兰煤矿，山西省太原市，030205)



马兰煤矿高瓦斯自燃煤层瓦斯抽采关键参数与防火措施研究

李争春 赵 磐

(西山煤电集团公司马兰煤矿，山西省太原市，030205)

以马兰煤矿18303回采工作面为例，研究了自燃煤层在瓦斯抽采过程中受到的影响，探讨了瓦斯抽采的最佳参数；测试了相同的抽采条件下，通过调整工作面的配风量对采空区自燃危险区域范围的影响。结果表明，瓦斯抽采会加剧采空区遗煤自燃，因此瓦斯抽采流量与抽采负压均存在一个最佳范围，高抽巷流量应在15.1～19.4 m3/min之间，本煤层顺层钻孔抽采负压应该在35～40 kPa左右，既能满足瓦斯浓度不超限，也能兼顾防火需求。抽采条件下，为缩小自燃危险区域范围，供风量应适当降低至800～1000 m3/min，注氮量应增加。

高瓦斯自燃煤层 瓦斯抽采 煤层防火 配风量 抽采流量 抽采负压

矿井瓦斯灾害与自燃火灾一直是困扰煤矿井下安全生产的主要问题。随着煤矿采掘深度加大，煤层瓦斯含量增加，高瓦斯自燃煤层的比例逐渐增加。煤矿安全生产不仅面临瓦斯灾害的威胁，同时在抽采瓦斯时还要注意由此加剧的漏风，进而增大自燃煤层内火灾的发生概率。研究人员对此开展了大量的研究，褚廷湘等分析了高位巷道瓦斯抽采对浮煤自燃的诱导效应；罗新荣等为探讨高瓦斯易自燃煤层的理想注氮防灭火方案，基于CFD模拟认为应加大采空区注氮深度；肖峻峰等研究认为高抽巷抽采参数及工作面配风量综合决定工作面自燃三带分布范围；杨胜强等认为采空区内瓦斯的存在有利于抑制遗煤氧化，瓦斯抽采会明显扩宽自燃三带的范围；马魁等认为在处理高瓦斯易自燃综放面灾害时，应考虑注氮、充填等一系列综合措施确保安全。因此，本文以西山煤电集团公司马兰煤矿18303工作面为例，研究高瓦斯自燃煤层瓦斯抽采关键参数与防火措施，为类似工作面瓦斯与火灾综合防治提供一定的指导。

1 工作面概况

18303工作面回采石炭系太原组8#煤层，该煤层为近水平稳定可采厚煤层，厚度为3.30～4.50 m，自燃倾向性等级为Ⅱ类。工作面设计可采走向长1955 m，倾斜长236 m，平均采高3.86 m，工业储量224.53万t，可采储量216.35万t。工作面采用U型通风方式，即胶带巷进风，辅运巷回风。工作面绝对瓦斯涌出量为30.00 m3/min，需要开展瓦斯抽采治理瓦斯灾害。

2 瓦斯抽采关键参数

针对18303工作面瓦斯来源与绝对瓦斯涌出量，马兰煤矿采用高抽巷抽采、顺层钻孔抽采、下邻近层钻孔抽采、上隅角悬管等抽采方式治理该工作面瓦斯。本文着重介绍高抽巷抽采和顺层钻孔抽采。

2.1 高抽巷

在距18303工作面顶板垂高48 m，内错辅运巷水平间距30 m处施工高抽巷，巷道断面15 m2，巷道长1500 m。高抽巷布置见图1。

图1 18303工作面高抽巷布置图

18303高抽巷在18303工作面回采前封闭，在密闭上安设抽采管路后对高抽巷进行抽采。通过在该抽采管路上安装蝶阀调节瓦斯的抽采流量，并实测不同瓦斯抽采流量时高抽巷内CH4、CO、O2等气体浓度，综合考量瓦斯抽采参数条件下，煤层自然发火危险的严重程度。不同瓦斯抽采流量下高抽巷内气体数据情况见表1。

表1 不同瓦斯抽采流量下高抽巷内气体数据情况

由表1可知，随着高抽巷瓦斯抽采流量的增加，高抽巷内监测到的气体浓度也有不同程度的变化。总体来看，O2浓度随着抽采流量的增加不断增加，在抽采流量为7.8 m3/min时，O2浓度为12.97%；抽采流量升至30.9 m3/min时，O2浓度增加到15.26%,这说明在高抽巷瓦斯抽采流量增加的同时也增加了漏风量，让更多的空气进入巷道内。高抽巷内CO浓度稳步上升，从最初的0.0023%，一直升高到0.0069%。特别注意的是，当瓦斯抽采流量上升到19.4 m3/min后，CO浓度有迅速上升的趋势。相比之下，高抽巷内的CH4浓度呈现先增大后减小的规律。瓦斯抽采流量在7.8～17.2 m3/min之间，CH4浓度不断升高，之后逐步下降；在抽采流量达到30.9 m3/min时，CH4浓度回落到19.66%，这表明不断增大高抽巷瓦斯抽采流量并不能持续增加瓦斯抽采浓度，反而超过一定瓦斯抽采流量时，抽采的气体中瓦斯浓度降低，空气含量增加。监测回风巷中CH4浓度同样也说明这一点，适度的瓦斯抽采可以降低回风巷中的CH4浓度，在抽采流量达到19.4 m3/min后，回风巷中的CH4浓度几乎不变，一直维持在0.26%这一较低水平。上述数据均表明高抽巷瓦斯抽采流量维持在15.1～19.4 m3/min区间内，可以取得较好的瓦斯灾害治理效果，同时能兼顾自燃火灾预防。

2.2 顺层钻孔

在18303工作面辅运巷及胶带巷Ⅱ段补充施工本煤层钻孔，辅运巷钻孔从18303辅运巷里程118 m开始布置，钻孔间距3 m，至辅运巷里程2005 m结束，共施工钻孔630个，方位角128°，孔深120 m；胶带巷钻孔从18303胶带巷Ⅱ段里程10 m(措施巷以里10 m)开始布置，钻孔间距5 m，至胶带巷Ⅱ段里程830 m(距离切眼约10 m)结束，共施工钻孔165个，方位角308°，孔深120 m，钻孔倾角为煤岩层倾角(考虑到施工过程中钻杆下沉影响，取钻孔倾角大于煤岩层倾角0.5°)，钻孔开孔距巷道底板1.3～1.5 m，孔径113 mm。顺层钻孔布置如图2所示。

本文选取8个不同抽采负压下的顺层钻孔，研究钻孔内气体浓度分布，得出最佳的顺层钻孔负压。顺层钻孔的施工参数如表2所示。顺层钻孔内各气体浓度情况如图3所示。

图2 18303工作面顺层钻孔设计平面示意图

图3 顺层钻孔内各气体浓度情况

孔号抽采负压/kPa倾角/(°)孔径/mm孔深/m1#15.11.01131622#20.30.51131453#25.22.01131654#29.80.01131575#35.4-1.01131486#39.60.01131217#45.31.01131508#50.11.5113149

由表2和图3可知，在顺层钻孔抽采过程中，随着抽采负压的提高，瓦斯浓度有明显的上升。这一现象在15～40 kPa尤为明显，负压达到40 kPa之后，瓦斯浓度几乎维持不变，说明继续增加抽采负压不会明显提高抽采效果。但是，随着抽采负压的增大，钻孔内氧气浓度与CO浓度均迅速升高，这是由于负压加大，增加了煤体裂隙通道的漏风，使得自燃煤层开始与O2接触，反应产生一定量的CO。显然，过高的抽采负压不利于自燃灾害的防治，特别是当抽采负压高于40 kPa时，CO浓度增加迅速。因此，综合考虑防火需求和抽采经济效益，顺层钻孔抽采负压应该在35～40 kPa为宜。

3 自燃灾害与防火技术

在回风巷沿非回采帮一侧敷设三芯束管150 m，束管吊挂高度1 m，外套一英寸保护钢管，每50 m布置一个采样器；1#束管上对接1#采样器，待1#采样器进入采空区40 m时，在2#束管上对接2#采样器，待2#采样器进入采空区40 m时，在3#束管上对接3#采样器，以此类推直至工作面回采完毕，束管布置见图4所示。监测采空区温度与O2浓度等数据，可以掌握采空区内自燃危险区域分布，从而反映防灭火技术的具体效果。

图4 束管布置示意图

3.1 控制风量

抽采条件下，采空区漏风加剧，通过有效地调整工作面配风量成为辅助防治自燃火灾的一种方法。抽采前后18303工作面自燃三带分布范围如图5所示，在18303工作面实施最大配风(1400 m3/min)的情况下，实施瓦斯抽采前，根据实测O2浓度，判定采空区自燃危险区域大致在工作面后方35～80 m的范围内。但在开展工作面瓦斯抽采后，自燃区域的范围明显扩大，在40～130 m的范围内。说明抽采不利于采空区遗煤氧化的抑制，加剧了自燃火灾发生的风险。

图5 抽采前后18303工作面自燃三带分布范围

因此，通过调整工作面供风情况，可以改变18303工作面采空区自燃三带的分布。不同供风量18303工作面自燃三带分布范围如图6所示。

图6 不同供风量18303工作面自燃三带分布范围

由图6可知，将工作面配风量调整至600～1200 m3/min，可以不同程度的缩小采空区自燃三带的范围。当工作面配风量降至1200 m3/min时，自燃带大致在采空区38～120 m的范围。当配风量降至800 m3/min时，采空区自燃带范围有明显缩小，分布在35～100 m的范围。当配风量为600 m3/min时，自燃危险区域比未进行瓦斯抽采时的面积更小，说明自燃火灾的危险进一步降低。考虑工作面供风有供氧、除尘、降温、排瓦斯等多重作用，以及矿工作业的基本需求，工作面配风量不宜过低，因此，认为工作面配风量应维持在800～1000 m3/min，防灭火效果更好。在防灭火的实际操作中，还需配合堵漏技术结合实施，加强效果。

3.2 注氮技术

一旦监测到有自然发火标志气体出现时，启用注氮硐室内DM-1000/8注氮泵，敷设70 mm管径的钢管至工作面端头并埋入采空区。制氮泵的供氮能力按矿井防灭火设计中注氮防灭火需要选取，供氮能力(1个工作面注氮量)可按式(1)计算：

(1)

式中：QN——制氮机的供氮能力，m3/h；

Q0——采空区氧化带内漏风量，m3/min；

K——备用系数，取1.2；

C1——采空区氧化带内平均氧浓度，%；

C2——采空区惰化防火指标，即煤自燃临界氧浓度，%；

CN——注入氮气的浓度，向火区注入氮气浓度应不低于97%，因此取97%。

根据马兰矿18303工作面的设计情况，注氮量估算为720 m3/h，但是在实际的操作过程中，应考虑抽采所造成的采空区多源漏风，应该增加注氮量，按原始计算量的1.2～1.5倍才能满足抽采条件下自燃危险区域范围控制，保障防灭火效果。

4 结论

(1)对于自燃的高瓦斯煤层，回采工作面瓦斯治理时，不能一味地依靠增大瓦斯抽采流量、提高瓦斯抽采负压来强化瓦斯的抽采效果，应该综合考虑瓦斯抽采引起的漏风所导致的自燃危险增加，忽视任何一点都不利于矿井的安全生产。

(2)瓦斯抽采过程中，考虑到采空区自燃危险，存在合理的瓦斯抽采参数。高抽巷抽采量在15.1～19.4 m3/min之间最佳，顺层钻孔抽放负压在35～40 kPa之间最佳，可以兼顾瓦斯治理与采空区防火的需要。

(3)为了在抽采条件下，降低采空区自燃危险，应该调整工作面的供风量在800～1000 m3/min，在此基础上，注氮量计算时，需要提高漏风量的估算。

[1] 唐一博,王俊峰,薛生等.密闭火区内惰性环境下烟煤自燃特性变化[J].煤炭学报,2016(2)

[2] 杜海刚,褚廷湘,余明高等.易燃煤层隅角封堵效应研究[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2014(5)

[3] 邢建国.综采工作面瓦斯综合治理技术研究[J].中国煤炭,2017(5)

[4] 董红娟，王艳等.五虎山煤矿高位钻孔瓦斯抽采技术研究[J].中国煤炭,2016(11)

[5] 褚廷湘,刘春生,余明高等.高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应[J].采矿与安全工程学报,2012(3)

[6] 罗新荣,唐冠楚,李亚伟等.CFD模型下采空区瓦斯抽采与注氮防灭火设计[J]. 中国安全科学学报,2016(6)

[7] 肖峻峰,樊世星,卢平等.高瓦斯易自燃工作面高抽巷瓦斯抽采与采空区遗煤自燃相互影响研究[J].中国安全生产科学技术, 2016(2)

[8] 杨胜强,秦毅,孙家伟等.高瓦斯易自燃煤层瓦斯与自燃复合致灾机理研究[J].煤炭学报,2014(6)

[9] 马魁,王德民,毕强等.高瓦斯易自燃综放面自燃危害的综合防治[J].煤矿安全, 2008(2)

[10] 刘智理.高位巷道合理瓦斯抽采量研究[J].中州煤炭,2012(11)

[11] 游浩,赵长春.高瓦斯易自燃难抽采煤层的瓦斯防治[J].劳动保护,2011(1)

[12] 吴维权,魏国山,吕明飞.基于风量调节的高瓦斯易自燃矿井火灾与瓦斯治理[J].煤炭科学技术,2013(9)

[13] 张雨,袁奎,邢真强.注氮条件下不同抽采负压对采空区氧化宽度影响[J].矿业工程研究, 2015(2)

[14] 裴晓东,张人伟,马伟南.高瓦斯易自燃采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟研究[J].煤炭科学技术,2016(4)

(责任编辑 张艳华)

Research on key parameters of gas drainage and fire prevention measures in high gassy and spontaneous combustion coal seam of Malan Mine

Li Zhengchun, Zhao Pan

(Malan Mine, Xishan Coal and Electricity Group Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030205, China)

For solving complex safety problems in high gassy coal seam with spontaneous combustion potential, in this paper, 18303 work face was used as an example for researching the spontaneous combustion of coal seam affected by gas drainage. The optimum parameters of gas drainage were discussed. Under the same drainage condition, the influence of air supply of work face on spontaneous combustion hazard zone in gob was tested. The results showed that gas drainage could aggravate the spontaneous combustion of residual coal in gob. Therefore, there were optimum ranges of gas drainage and negative pressure. The flow rate of high drainage roadway should be 15.1～19.4 m3/min, and the negative pressure should be around 35～40 kPa, which could not only meet the requirement of gas control, but also take into account fire prevention needs. Under the extraction condition, in order to reduce the risk of spontaneous combustion, air supply should be reduced to 800～1000 m3/min, and the amount of nitrogen injection should be increased.

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李争春,赵磐.马兰煤矿高瓦斯自燃煤层瓦斯抽采关键参数与防火措施研究[J].中国煤炭，2017,43(7)：134-138. Li Zhengchun, Zhao Pan. Research on key parameters of gas drainage and fire prevention measures in high gassy and spontaneous combustion coal seam of MaLan Mine [J]. China Coal, 2017，43(7):134-138.

TD75，TD712

A

李争春(1970-)，男，山西原平人，高级工程师，现任西山煤电股份有限公司马兰煤矿矿长，主要从事煤矿技术与管理工作。