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摘 要：大平煤矿13111炮采工作面回采初期煤体瓦斯含量、压力较大，经研究决定采用煤壁浅孔抽采及上下副巷顺层消突钻孔抽采。但随着时间的推移，松碎的煤体可能出现自燃。为保证工作面正常回采且避免火灾事故的发生，技术人员研讨出了实施方案，经现场试用后，效果良好，保证了13111炮采工作面安全回采。
关键词：
煤体自燃；松动圈；堵漏技术
中图分类号：
TB
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2013）19-0186-02
1 前言
大平煤矿位于河南省郑州市西南50公里处，行政区划属登封市大冶镇。大平煤田位于新密煤田西部，横跨登封市大冶镇和新密市平陌镇，始建于1982年，1986年投产，核定生产能力90万吨/年。大平矿区可采煤层为山西组二1煤层，厚度0.81～23.39m，平均厚度7m。煤层自燃发火倾向等级为三级，属不易自燃煤层，最短发火期为64天；瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井。
本项目试验地点为13111炮采工作面，该面回采初期煤体瓦斯含量、压力较大，正常回采期间上隅角及回风流瓦斯较高，影响工作面正常回采，根据《煤与瓦斯突出管理规定》及瓦斯治理需要，经研究决定在13111底抽巷抽采的基础上采用煤壁浅孔抽采、上下副巷超前顺层消突钻孔抽采的方法进行联合瓦斯治理，方案执行后有效地解决了瓦斯问题，但上下顺层超前施工的消突钻孔经负压抽放后约15天左右即出现煤体氧化现象且CO浓度、温度随着时间的推移不断增加，不采取措施进行处理随时都可能出现煤体自燃，如果对出现氧化的钻孔进行停抽，工作面瓦斯问题将制约正常回采。
2 工程概况
2.1 工作面位置
13111工作面西北部沿13091工作面采空区原下付巷回采（局部处于13091采空区回采），南部为13采区两条下山，东部为我矿尚未开采的工业广场煤柱。
2.2 上下副巷顺层钻孔施工设计
（1）钻孔施工位置。
由13111炮采工作面向西5m开始分别在上、下副巷沿煤层倾向进行布孔，由里向外进行施工，根据抽放半径和煤层厚度确定钻孔间距，钻孔深度为上副巷70m，下副巷90m，钻孔重叠长度为10m。钻孔间距为1.2m，上中下各1个孔（底眼距巷道底板0.6m）。
（2）钻孔成孔工艺。
采用ZY2300型全液压钻机，Ф89mm钻头，井下压风排粉法钻进。
（3）封孔工艺。
采用“两堵一注”封孔工艺。
3 煤体自然热源来源分析
3.1 煤体自燃学说
煤的自燃学说对煤体自燃原因提出了：黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说、自由基作用学说、煤氧复合作用学说等，其中黄铁矿学说提出煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿（FeS2）与空气中的水分和氧气相互作用、发生热反应而引起的，具有代表意义。其次，黄铁矿在井下潮湿的环境里被氧化产生SO2、CO2、CO、H2S等气体时，也都是放热反应。因此在散热不良时，必然导致煤的自热与自燃。
3.2 CO气体来源确定
通过综合分析，随着煤巷掘进工作面的向前推进，破坏了原始煤体的稳定性，煤层巷道两侧的煤壁在一定范围内形成一个松动圈，且大平煤矿所采煤层属典型的“三软”不稳定难采煤层，煤层具有顶板软、煤层软、底板软的特性，巷道掘进、扩修期间顶帮较难控制，随着煤体的脱落松动圈又进一步扩大，顺层钻孔施工期间钻杆又产生震动再次加大了煤体裂隙破坏程度，使空气与深部煤体进行接触，顺层钻孔施工结束后又由于封孔效果较差，钻孔与抽采泵连接进行抽采时负压带动空气进入钻孔深部，钻孔内由于散热效果差，致使出现蓄热现象，达到了煤体自热的条件。
4 防治煤体自然技术方案的确定
对抽采钻孔进行停抽并进行堵孔是解决煤体自燃的最有效途径，但如停抽钻孔势必影响瓦斯抽采率，无法满足瓦斯治理的需要，将严重影响工作面正常安全回采。采用原封孔办法加大封孔深度可阻断漏风通道，但目前经过对比最有效的封孔材料马丽散反应速度较快很容易堵孔，很难达到预期深度，如采用调节配料比例，配料比例难以控制，封孔效果无法达到预期的目的。
由煤体自燃发火原理进行综合分析，有效处理巷道周围松动圈，对煤体漏风通道进行封堵，杜绝火灾事故的发生可采取以下技术措施：
（1）通过对巷道煤体松动圈进行测试，对巷道施工期间的支护工艺进行改革，采取对煤体压注黄泥浆加固煤体松动圈，堵塞漏风通道，最大限度地减少空气进入煤体深部；
（2）局部注黄泥浆不到位地段结合注马丽散浅部堵漏技术进行补充堵漏；
（3）对封孔工艺进行革新，采用双管封孔技术进行封孔，加大封孔深度并杜绝堵孔现象的发生；
（4）对钻孔施工过程进行严格监督，打钻期间坚持使用卡子器，固定钻杆摆动范围，防治钻杆大幅度摆动，降低因打钻震动增加煤体破碎；
（5）根据煤层自燃倾向性鉴定加强人工及气体监测。
5 技术方案的实施
5.1 注黄泥浆堵漏风
（1）松动圈的测试。
经统计分析发现，随着巷道沿煤层向前掘进，掘进头以及巷道两帮煤体的应力变化影响圈或松动变形特征呈“U”字形状，在“U”字形松动变形范围内，煤层透气性系数增加数十倍，找出煤体松动圈范围，采区针对性的支护工艺对煤体松动圈进行加固，充填漏风通道尤为重要。
通过对回采巷道围岩松动圈的超声波测试数据分析可以得出如下结论：通过对巷道断面围岩松动的实测分析表明，巷帮的松动范围平均2.0m；梁柱搭接处的孔的松动范围平均为2.5m；顶板围岩松动范围最高4.0m，离层松动发育程度和规模最大。 （2）巷道施工。
巷道扩修时采用12㎡U型钢进行支护，双抗网、花篷布、椽子背帮顶，棚距0.6m，巷道采用3道抬梁进行连锁加固，两帮及顶梁各一根，花篷布紧贴煤体小心进行铺设，严防划破，花篷布之外铺设双抗网，花篷布及双抗网必须铺到注窝，严禁出现赤脚现象，保证注浆效果。花篷布之间的搭接长度不少于100㎜，巷道倾斜布置时，上坡前方的花篷布必须搭接到后方花篷布的上部，防止漏夜。
（3）注黄泥浆。
①注浆压力。
注浆压力是浆液在煤体裂隙中扩散的动力。它直接影响注浆质量及效果。根据巷道加固注浆经验，最终确定注浆压力为1-2MPa。但在注浆过程中必须加强观察，严禁高压注浆造成巷道破坏。
②注浆量。
由于煤体裂隙、松动范围等不均匀性，煤体吃浆量存在差别，要注意压力表变化、倾听注浆泵电机的声音，发现压力变化较大时及时停泵换孔。
③注浆顺序。
同排注浆顺序按由上向下，先注顶板后注两帮。
5.2 采用“两堵一注”技术进行封孔，加大封孔长度
（1）准备材料（以单个钻孔为准）：使用3米Ф50mm聚乙烯管10根，其中5根花管，3米Ф50mm铁管1根、聚乙烯管对接箍10个、Ф15mm白胶管2.5米、水泥75公斤（Ф89mm孔径，如钻孔孔径较大，则需水泥量多）、毛巾2条、聚氨酯、10号铁丝若干、注浆泵、清水。
（2）吹孔：封孔人员到达现场后，在封孔之前，孔内煤粉必须清干净。若煤粉较多时，用风管与探杆连接送入孔内把孔内煤粉用高压风吹净，保证送管顺利。用风吹孔时，必须要用水管接直喷头，放在孔口上方150mm—200mm进行雾化降尘。
（3）封孔。
①先用对接箍把2根封孔管连接牢固，从里向外依次为聚乙烯花管、聚乙烯管，然后将Ф15mm白胶管和外段铁管捆绑在一起，并向里伸入外端绑缚毛巾处，保证孔口外能够连接注浆管和捆扎之需。分别使用一条毛巾绑缚在距离花管末端0.5米处和距封孔铁管外端（封孔口）1.2米处，用细铁丝扎紧，倒入适量的聚氨酯（按1：1比例混合，为A、B药水各0.5斤），搅拌均匀后倒入花管上的毛巾内，细铁丝扎实，送往孔内，迅速用对接箍接上捆绑有白胶管的铁管，将同比混合的聚氨酯倒入最外端毛巾内，细铁丝扎实，迅速将封孔管送入孔内，孔外余留100mm，送管、扎铁丝、倒聚氨酯全部时间不得超过6分钟，然后用黄土或水泥封堵孔口。
②封孔结束后，用注浆泵出浆管与孔外预留白胶管连接进行注浆，捆绑结实后，水泥加水搅拌均匀后，开始注浆，当注浆泵压力表达到0.5MPa时，立即停止注浆，观察压力表是否下降，若下降可适当补浆，若压力维持0.5MPa超过10分钟，则注浆结束。
③注浆结束，封孔工应使用清水将注浆泵冲洗干净，保证泵体内无残余泥浆，不得影响下次使用。
④注浆后48小时进行联网抽放。把Ф15mm白胶管反握用铁丝扎紧，用2寸埋线管按标准连接到集流器上，喉箍捆绑结实，挂好孔号牌。
5.3 根据煤层最短自然发火期试验结论，加强气体监测
大平煤矿13采区最短自然发火期试验采用将隔热条件下煤从常温缓慢氧化、自热升温到加速氧化临界值温度所需的时间计为煤层最短自然发火期。由升温氧化试验结果看出：煤升温氧化气体产物的生成规律是，一氧化碳（CO）出现的最早。CO是煤在氧化过程中出现得最早的氧化气体产物，并贯穿于整个氧化过程。由此确定首选的标志气体是CO，采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标，结合C2H2相对量进行自燃状态预测预报。
（1）煤层自燃发火期内每周由通风科与救护队员共同对钻孔内的CO气体情况进行排查，发现异常情况进行逐段排查，分析处理。
（2）在消突钻孔预抽地点回风流安装CO传感器并与监测系统联网，实现实时监测。
6 结论
通过突出煤层预抽钻孔防自然发火技术方案的实施，一方面通过煤层自燃倾向性鉴定加强气体监测等技术后，95%的钻孔均无出现煤体氧化现象，有效的遏止了煤体自燃事故的发生。另一方面保证了13111工作面的顺利回采，大大提高了工作面日回采进度，为矿井安全、高效、健康的发展提供了可靠的基础保证。
关键词：
煤体自燃；松动圈；堵漏技术
中图分类号：
TB
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2013）19-0186-02
1 前言
大平煤矿位于河南省郑州市西南50公里处，行政区划属登封市大冶镇。大平煤田位于新密煤田西部，横跨登封市大冶镇和新密市平陌镇，始建于1982年，1986年投产，核定生产能力90万吨/年。大平矿区可采煤层为山西组二1煤层，厚度0.81～23.39m，平均厚度7m。煤层自燃发火倾向等级为三级，属不易自燃煤层，最短发火期为64天；瓦斯等级为煤与瓦斯突出矿井。
本项目试验地点为13111炮采工作面，该面回采初期煤体瓦斯含量、压力较大，正常回采期间上隅角及回风流瓦斯较高，影响工作面正常回采，根据《煤与瓦斯突出管理规定》及瓦斯治理需要，经研究决定在13111底抽巷抽采的基础上采用煤壁浅孔抽采、上下副巷超前顺层消突钻孔抽采的方法进行联合瓦斯治理，方案执行后有效地解决了瓦斯问题，但上下顺层超前施工的消突钻孔经负压抽放后约15天左右即出现煤体氧化现象且CO浓度、温度随着时间的推移不断增加，不采取措施进行处理随时都可能出现煤体自燃，如果对出现氧化的钻孔进行停抽，工作面瓦斯问题将制约正常回采。
2 工程概况
2.1 工作面位置
13111工作面西北部沿13091工作面采空区原下付巷回采（局部处于13091采空区回采），南部为13采区两条下山，东部为我矿尚未开采的工业广场煤柱。
2.2 上下副巷顺层钻孔施工设计
（1）钻孔施工位置。
由13111炮采工作面向西5m开始分别在上、下副巷沿煤层倾向进行布孔，由里向外进行施工，根据抽放半径和煤层厚度确定钻孔间距，钻孔深度为上副巷70m，下副巷90m，钻孔重叠长度为10m。钻孔间距为1.2m，上中下各1个孔（底眼距巷道底板0.6m）。
（2）钻孔成孔工艺。
采用ZY2300型全液压钻机，Ф89mm钻头，井下压风排粉法钻进。
（3）封孔工艺。
采用“两堵一注”封孔工艺。
3 煤体自然热源来源分析
3.1 煤体自燃学说
煤的自燃学说对煤体自燃原因提出了：黄铁矿作用学说、细菌作用学说、酚基作用学说、自由基作用学说、煤氧复合作用学说等，其中黄铁矿学说提出煤的自燃是由于煤层中的黄铁矿（FeS2）与空气中的水分和氧气相互作用、发生热反应而引起的，具有代表意义。其次，黄铁矿在井下潮湿的环境里被氧化产生SO2、CO2、CO、H2S等气体时，也都是放热反应。因此在散热不良时，必然导致煤的自热与自燃。
3.2 CO气体来源确定
通过综合分析，随着煤巷掘进工作面的向前推进，破坏了原始煤体的稳定性，煤层巷道两侧的煤壁在一定范围内形成一个松动圈，且大平煤矿所采煤层属典型的“三软”不稳定难采煤层，煤层具有顶板软、煤层软、底板软的特性，巷道掘进、扩修期间顶帮较难控制，随着煤体的脱落松动圈又进一步扩大，顺层钻孔施工期间钻杆又产生震动再次加大了煤体裂隙破坏程度，使空气与深部煤体进行接触，顺层钻孔施工结束后又由于封孔效果较差，钻孔与抽采泵连接进行抽采时负压带动空气进入钻孔深部，钻孔内由于散热效果差，致使出现蓄热现象，达到了煤体自热的条件。
4 防治煤体自然技术方案的确定
对抽采钻孔进行停抽并进行堵孔是解决煤体自燃的最有效途径，但如停抽钻孔势必影响瓦斯抽采率，无法满足瓦斯治理的需要，将严重影响工作面正常安全回采。采用原封孔办法加大封孔深度可阻断漏风通道，但目前经过对比最有效的封孔材料马丽散反应速度较快很容易堵孔，很难达到预期深度，如采用调节配料比例，配料比例难以控制，封孔效果无法达到预期的目的。
由煤体自燃发火原理进行综合分析，有效处理巷道周围松动圈，对煤体漏风通道进行封堵，杜绝火灾事故的发生可采取以下技术措施：
（1）通过对巷道煤体松动圈进行测试，对巷道施工期间的支护工艺进行改革，采取对煤体压注黄泥浆加固煤体松动圈，堵塞漏风通道，最大限度地减少空气进入煤体深部；
（2）局部注黄泥浆不到位地段结合注马丽散浅部堵漏技术进行补充堵漏；
（3）对封孔工艺进行革新，采用双管封孔技术进行封孔，加大封孔深度并杜绝堵孔现象的发生；
（4）对钻孔施工过程进行严格监督，打钻期间坚持使用卡子器，固定钻杆摆动范围，防治钻杆大幅度摆动，降低因打钻震动增加煤体破碎；
（5）根据煤层自燃倾向性鉴定加强人工及气体监测。
5 技术方案的实施
5.1 注黄泥浆堵漏风
（1）松动圈的测试。
经统计分析发现，随着巷道沿煤层向前掘进，掘进头以及巷道两帮煤体的应力变化影响圈或松动变形特征呈“U”字形状，在“U”字形松动变形范围内，煤层透气性系数增加数十倍，找出煤体松动圈范围，采区针对性的支护工艺对煤体松动圈进行加固，充填漏风通道尤为重要。
通过对回采巷道围岩松动圈的超声波测试数据分析可以得出如下结论：通过对巷道断面围岩松动的实测分析表明，巷帮的松动范围平均2.0m；梁柱搭接处的孔的松动范围平均为2.5m；顶板围岩松动范围最高4.0m，离层松动发育程度和规模最大。 （2）巷道施工。
巷道扩修时采用12㎡U型钢进行支护，双抗网、花篷布、椽子背帮顶，棚距0.6m，巷道采用3道抬梁进行连锁加固，两帮及顶梁各一根，花篷布紧贴煤体小心进行铺设，严防划破，花篷布之外铺设双抗网，花篷布及双抗网必须铺到注窝，严禁出现赤脚现象，保证注浆效果。花篷布之间的搭接长度不少于100㎜，巷道倾斜布置时，上坡前方的花篷布必须搭接到后方花篷布的上部，防止漏夜。
（3）注黄泥浆。
①注浆压力。
注浆压力是浆液在煤体裂隙中扩散的动力。它直接影响注浆质量及效果。根据巷道加固注浆经验，最终确定注浆压力为1-2MPa。但在注浆过程中必须加强观察，严禁高压注浆造成巷道破坏。
②注浆量。
由于煤体裂隙、松动范围等不均匀性，煤体吃浆量存在差别，要注意压力表变化、倾听注浆泵电机的声音，发现压力变化较大时及时停泵换孔。
③注浆顺序。
同排注浆顺序按由上向下，先注顶板后注两帮。
5.2 采用“两堵一注”技术进行封孔，加大封孔长度
（1）准备材料（以单个钻孔为准）：使用3米Ф50mm聚乙烯管10根，其中5根花管，3米Ф50mm铁管1根、聚乙烯管对接箍10个、Ф15mm白胶管2.5米、水泥75公斤（Ф89mm孔径，如钻孔孔径较大，则需水泥量多）、毛巾2条、聚氨酯、10号铁丝若干、注浆泵、清水。
（2）吹孔：封孔人员到达现场后，在封孔之前，孔内煤粉必须清干净。若煤粉较多时，用风管与探杆连接送入孔内把孔内煤粉用高压风吹净，保证送管顺利。用风吹孔时，必须要用水管接直喷头，放在孔口上方150mm—200mm进行雾化降尘。
（3）封孔。
①先用对接箍把2根封孔管连接牢固，从里向外依次为聚乙烯花管、聚乙烯管，然后将Ф15mm白胶管和外段铁管捆绑在一起，并向里伸入外端绑缚毛巾处，保证孔口外能够连接注浆管和捆扎之需。分别使用一条毛巾绑缚在距离花管末端0.5米处和距封孔铁管外端（封孔口）1.2米处，用细铁丝扎紧，倒入适量的聚氨酯（按1：1比例混合，为A、B药水各0.5斤），搅拌均匀后倒入花管上的毛巾内，细铁丝扎实，送往孔内，迅速用对接箍接上捆绑有白胶管的铁管，将同比混合的聚氨酯倒入最外端毛巾内，细铁丝扎实，迅速将封孔管送入孔内，孔外余留100mm，送管、扎铁丝、倒聚氨酯全部时间不得超过6分钟，然后用黄土或水泥封堵孔口。
②封孔结束后，用注浆泵出浆管与孔外预留白胶管连接进行注浆，捆绑结实后，水泥加水搅拌均匀后，开始注浆，当注浆泵压力表达到0.5MPa时，立即停止注浆，观察压力表是否下降，若下降可适当补浆，若压力维持0.5MPa超过10分钟，则注浆结束。
③注浆结束，封孔工应使用清水将注浆泵冲洗干净，保证泵体内无残余泥浆，不得影响下次使用。
④注浆后48小时进行联网抽放。把Ф15mm白胶管反握用铁丝扎紧，用2寸埋线管按标准连接到集流器上，喉箍捆绑结实，挂好孔号牌。
5.3 根据煤层最短自然发火期试验结论，加强气体监测
大平煤矿13采区最短自然发火期试验采用将隔热条件下煤从常温缓慢氧化、自热升温到加速氧化临界值温度所需的时间计为煤层最短自然发火期。由升温氧化试验结果看出：煤升温氧化气体产物的生成规律是，一氧化碳（CO）出现的最早。CO是煤在氧化过程中出现得最早的氧化气体产物，并贯穿于整个氧化过程。由此确定首选的标志气体是CO，采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标，结合C2H2相对量进行自燃状态预测预报。
（1）煤层自燃发火期内每周由通风科与救护队员共同对钻孔内的CO气体情况进行排查，发现异常情况进行逐段排查，分析处理。
（2）在消突钻孔预抽地点回风流安装CO传感器并与监测系统联网，实现实时监测。
6 结论
通过突出煤层预抽钻孔防自然发火技术方案的实施，一方面通过煤层自燃倾向性鉴定加强气体监测等技术后，95%的钻孔均无出现煤体氧化现象，有效的遏止了煤体自燃事故的发生。另一方面保证了13111工作面的顺利回采，大大提高了工作面日回采进度，为矿井安全、高效、健康的发展提供了可靠的基础保证。