山西华晋韩咀煤业 山西临汾 042100
摘要：针对韩咀煤业上分层受小窑开采破坏严重，周边小窑内发生过外因火灾，处理不当致使韩咀煤业井田内存在火区未熄灭等因素。导致1202首采工作面主运巷出现一氧化碳超限问题。针对性采取了施工隔离巷道、采用均压通风、地面注黄泥浆隔绝降温、井下注氮惰化等手段保证了矿井安全生产。
关键词：韩咀；一氧化碳；分析；防治技术
前言：山西华晋韩咀煤业有限责任公司井田由原山西乡宁谭韩煤业有限公司、山西乡宁菩萨滩煤业有限公司、山西乡宁峰鑫煤业有限公司、山西乡宁宇田煤业有限公司（十关闭矿井）四座煤矿与王家岭井田F30断层以南和以北小煤窑破坏区域的大矿不宜开采的资源整合而成。
井田周边矿井及小窑较多，井田北部为本公司王家岭井田，西部为山西乡宁华晋吉宁煤业有限公司井田、山西乡宁枣岭万通煤业有限公司为邻，东北部为山西乡宁华晋华宁煤业有限公司井田，东部为山西省乡宁县毛则渠煤炭有限公司井田，南部为山西乡宁可涧煤业有限公司、乡宁县枣岭乡凡水渠煤矿、山西乡宁长咀湾煤业有限公司、山西乡宁通合煤业有限公司井田相邻。
经鉴定，2015年韩咀煤业矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井，2号煤层煤尘具有爆炸性，自燃倾向性等级为Ⅱ类，类别为自燃，煤尘自然发火期为154-230天。
一、项目开展背景
韩咀煤业井田范围内存在一处火区，是原乡宁峰鑫煤业在2006年8月因皮带摩擦着火引起，火区位于我矿1202首采工作面东侧约458m处。火区虽于2007年经过灌浆治理得到了控制，但未能使其彻底熄灭，1202主运巷掘进至270m处时揭露空巷，CO气体通过揭露的空巷溢至1202主运巷，工作面CO浓度超标（达到50ppm），掘进工作面施工被迫停止。通过采用增压调节、喷浆封堵、加强检查等措施，工作面CO浓度降至安全范围以内，确保1202工作面切眼安全贯通。1202工作面形成后，由于通风方式的改变，CO气体再次出现，局部地点一度达500ppm，通过施工钻孔、取样分析化验，老空内CO气体浓度最高达到800ppm，严重威胁矿井的安全生产。为了确保1202首采工作面安全顺利施工，具备联合试运转条件，韩咀煤业一氧化碳综合治理工作迅速展开。
二、实施过程
1.火区位置查找
1.1火区位置调查
通过对当地老职工的走访调查、查找原始资料结合实地勘察情况，确定我矿1202工作面东侧约458m处存在一处火区，该火区是原乡宁峰鑫煤业于2006年8月因皮带摩擦着火引起，虽然在2007年经过灌浆治理火区得到基本控制，但没有彻底熄灭，导致1202主运巷掘进期间CO气体通过揭露的空巷溢至工作面。
2.氡法探测火区范围
2.1.基本原理
氡作为放射性同位素，其衰变的子体为固体粒子，因此在测量时既可测氡气，又可测其子体而反映母体核素的形态及变化状况。氡子体有很强的吸咐能力，它们能牢固地附着在器物表面。因此可用不同的方法将氡或其子体收集进行测量。
氡的析出受岩性、矿物粒度、空隙度、气压、地应力、地下水及介质温度等因素影响。对煤样不同粒度等级进行加温氡测定，随温度的上升，煤样中的氡析出强度有显著的增加，且粒度越小，氡的析出量在相同温度下越大，当达到一定温度后趋势逐渐变缓。
在同样的地质地层条件下，当地下煤层发生氧化升温或自燃时，其周围及上覆岩层中天然放射性氡的析出率增大。由于氡衰变时的离子交换作用，使其反映到地表而形成放射性异常，该异常可作为反映温度的信息而被检测出来，这就是同位素测氡法探测煤层自燃的原理。检测数据经过专用原计算机程序处理后，可得出火源位置。其探测深度可达500米，理论研究可达800-1200米。
2.2.探查结果
为准确确定火区的位置，聘请西安西科产业发展有限公司专业技术人员采用现场调查、踏勘、GPS控制测量和氡法探测等手段，勘查了老采空区地形，探明了隐蔽高温区的范围。勘测结果显示，老采空区总面积4.7万平方米，查明韩咀矿煤层明显氡异常区8处，根据圈定的异常区边界向外推 10～30m，估算其中：A处异常高温区影响面积约900m2；B 处异常高温区影响面积约400m2；C处异常高温区影响面积约2000m2；D处异常高温区影响面积约 800m2；氡异常疑似高温区域范围为：E、F、G处异常区影响面积约300m2，H处异常影响面积约40m2，总高温及影响区面积约为4500m2。
通过对地面裂隙排查和氡法探测精准找到原乡宁峰鑫煤业皮带摩擦着火引发火灾的影响范围。（附《韩咀矿火区详细勘探报告》）
三、钻孔注浆（水）降温、堵漏技术
在准确确定火区范围后，通过向火区施工钻孔，利用钻孔注浆（水），进而达到降低火区温度、封堵裂隙漏风的目的，使得火区彻底熄灭。
1.常规钻孔注浆：
在副斜井1070米处施工了6个常规注浆钻孔，此处底板和老空区底板高差约56米。共施工钻孔6个，注浆成孔5个，孔口套管Φ108mm，钻孔直径Φ75mm。7月7日，开始向老采空区注水、注黄泥浆（水土比4：1）。
附表：常规钻孔成果表
2.定向钻孔注浆：
由于目标靶点区域为采空区，要求钻孔轨迹要尽可能钻至采空区，需要穿过裂隙带进入冒落带，常规钻孔不可能达到这样的要求，需要施工定向钻孔。结合矿井实际情况，目标靶点确定为距CO富集区底板标高25m处，采用中煤科工集团西安研究院有限公司研制生产的ZDY6000LD钻机及配套设备进行施工，自2015年8月9日开工，至2015年8月25日完工，实际完成钻探工作量为587m。在1070米硐室施工定向钻孔，向高温异常区施工定向注浆钻孔3个。定向钻孔由高处向下钻入裂隙带，使黄泥浆充分自流，提高了注浆效率。
A-1号钻孔，开孔孔径Φ153mm，方位279°，倾角0°，成孔孔径Φ98mm，方位278.3°，倾角0.5°，孔深117m；
A-2号钻孔，开孔孔径Φ153mm，方位281°，倾角10°，成孔孔径Φ98mm，方位287.7°，倾角-21.8°，设计孔深375m。钻孔施工到285m处时，达到火区预定位置上方，后经研究退后90米开分支施工A-2-1号钻孔。
A-2-1号钻孔，方位285.19°，倾角-13.4°，孔深95m；8月14日开始通过定向钻孔往一氧化碳异常集聚区注浆。
此次钻探应用严格按照设计进行，充分显示出定向钻进的优势，精确控制钻孔轨迹，A-1孔终孔深度是117m，终孔时无返水，经下孔窥视仪器确定钻遇较大裂隙，A-2终孔深度是375m，A-2-1分支孔钻进至215m不返水，提钻终孔，终孔分支进尺95m，终孔点钻进时无返水、提钻封孔。通过定向钻孔向目标靶点区域灌注黄泥浆（灌注32518立方米、注水30万立方米），起到了火区降温、漏风通道封堵、隔绝灭火效果。
四、物理隔离及均压通风技术应用
1.施工隔离巷
经邀请的专家和公司领导研究论证，决定施工一条平行于1202主运巷的隔离巷，彻底隔离1202工作面东部火区。隔离巷具体位于1202主运巷东侧405m位置、中央变电所西侧，与原火区位置大约80m距离，设计掘进距离580m，至F2断层边缘，以达到工作面和火区的彻底隔离。
2.隔离巷施工期间的有效措施
在此区域内小煤窑空巷及采空区都是上分层开采，所以隔离巷施工定为沿煤层顶板掘进，以便于对施工过程中揭露的上分层老空巷采取封闭、注浆、注氮等措施，对下分层揭露的老空巷填埋、压实，达到灭火、隔离的作用。
在隔离巷施工至154米位置时，工作面出现了CO气体，浓度达到50ppm，进一步明确了火区的位置，结合地面氡探测给出的高温区域，矿井决定在副斜井1070米处打钻注浆。当隔离巷施工到260米时，迎头出现了注浆水，当时水温41°，判断为副斜井1070米处注浆水流经高温火区；后经封堵、控制，继续注浆，水温逐步降至常温；经公司和矿相关领导现场考察、研究，制定方案：隔离巷迎头退后50m右拐弯施工，原工作面进行永久封闭，并进行注浆、注氮。经过半个月的努力，到11月3日1202工作面上隅角一氧化碳浓度降为0，标志着我矿一氧化碳治理工作取得阶段性的胜利。
3.均压通风技术应用
在火区治理过程中，矿井采用均压通风技术抑制各地点的CO涌出。
1）矿井负压调整
根据1202工作面主运巷CO溢出情况，决定调整矿井主要通风机负压，通过调整主要通风机观察窗，使得矿井负压由1140Pa降低至960Pa，各地点漏风量和CO气体溢出量显著降低。
2）1202工作面调压
在1202工作面回风通道设置永久调节，将工作面进回风巷压差控制在5mm之内，工作面风量由1520m3/min降至740m3/min，有效控制了工作面CO的涌出量，降低了裂隙的漏风量。
3）隔离巷施工期间的调压
在隔离巷口和回风巷口分别设置永久调节，通过断面的调节实现对隔离巷CO涌出和裂隙漏风的控制，为火区治理各项工作的开展创造了积极的条件。附图：隔离巷调节位置示意图
4.注浆（氮）技术应用
1、注浆系统：在回风立井工业场地建有黄泥灌浆站，制浆机型号为LHZ-60，泥浆土水比为1：4；每小时制浆量为60 m³/h。隔离巷施工至510米处对迎头进行了封闭注浆，后退至460处拐弯施工至断层边界（已超过1202工作面和20100工作面切眼）。隔离巷按照设计施工到位后，又对隔离巷道两帮及顶板进行补喷浆，对裂隙进行了注水泥浆封堵，防止漏风，使隔离巷起到了真正的隔离作用。
2、注氮系统：采用可移动式注氮系统，在1202辅运巷布置注氮硐室。选用DT-700/6制氮装置，生产能力700m³/h，机组总功率286Kw。隔离巷施工至510米处对迎头进行了封闭注氮，减少火区氧气含量，防止火区复燃；向1202首采工作面采空区进行注氮，防止通过裂隙向火区供氧。
5.综合监测数据分析
2016年 1月29日对隔离巷进行了永久封闭，并在主要靠近火区的密闭内留设了监测束管，以便对火区治理效果进行严密的监测。
在隔离巷整个治理过程中累计向火区注黄泥浆49234m3，累计注水为15546m3，累计注氮215000m3。其中通过隔离巷累计注浆量为16716m3、注氮215000m3。通过外围常规钻孔和高位定向钻孔累计向火区注黄泥浆32518m3，对隔离巷喷浆610m。于2016年元月29日进行永久封闭。在火区封闭期间，每天通过束管采样，分析各气体成分，经过近一个半个月的观察与分析，co浓度为0，烯烃和炔烃没有检测到，从隔离巷流出的注浆水温度已经降到20℃，属于正常水温。1202工作面恢复正常通风（风量调整到1500m3/min），1202主运巷、1202工作面回风隅角均未出现一氧化碳气体和其它煤层发火标志性气体，近一个半月的各种气体监测情况曲线图如下。
6.效果验证
通过气体监测分析，留设束管内各种标志性气体CO、烷烃、烯烃的浓度均为0，隔离巷的出水水温为22℃，气体温度和正常巷道内空气温度相同，1202首采工作面回采期间回风隅角及主运巷均未出现CO气体和其他自然发火标志性气体。可初步判断原峰鑫煤业胶带燃烧引起的火灾至此已得到有效控制，标志着CO治理项目的阶段性胜利。
20100工作面设计前，由中煤华晋公司总工程师组织对20100工作面主要致灾因素进行详细分析，并出具安全评价报告，认为韩咀煤业火区治理效果显著，对矿井安全生产的威胁已经解除，同意20100工作面的生产设计。在20100工作面掘进时期和回采时期，均未检测发现CO或其他煤层自燃发火标志性气体，标志着CO治理项目的全面胜利。
五、项目取得的成果
1.安全效益
安全是企业永恒的主题。抓好安全不仅是最大的政治、最大的任务、最大的责任和干部员工最大的业绩，而且也是最大的效益。韩咀煤业火区的成功治理，使得1202首采工作面可以安全顺利完成回采任务，矿井也顺利通过项目验收，正式转为安全生产矿井。
2.经济效益
通过一氧化碳治理研究各项措施的应用，火区治理取得显著成效，20100工作面得以安全完成回采任务，累计释放20100原煤产量65.1万吨，按照当时原煤价格300元/吨估算，直接营业收入19530万元，有效缓解了矿井当时接续紧张的局面，也为公司取得了很大的经济效益。
一、技术成果
通过此次火区治理各项措施的应用，我们初步掌握了火区治理技术的应用，利用氡法探测探明火区的大致范围，利用SF6掌握了火区附近的漏风通道，通过施工隔离巷、采用常规钻孔和定向钻孔向目标区域注浆、注氮，在此期间利用束管监测系统强化数据检测与分析，最终有效解决了火区对矿井的安全威胁。
二、技术亮点总结
显然，韩咀煤业一氧化碳治理研究应用项目最终取得了成功，一系列有效措施的应用是项目成功的关键。
三、氡法探测火区范围
在本项目中，利用氡法探测火区技术，累计探测面积为4.7万m2，取得基础数据171组，给出了测定区域的高温点分布情况，推测异常区域总面积约为4500m2，探明了隐蔽高温区的范围，为接下来的治理研究指明了方向，为火区治理的成功奠定了基础。
四、隔离巷的施工
为了有效阻隔1202工作面通向火区的漏风通道，同时控制火区的影响范围，防治火区继续向矿井其他区域蔓延，采用施工隔离巷的措施，在1202首采工作面与原火区中间，利用f37号老巷沿煤层顶板施工一条CO隔离巷。为了彻底隔绝CO扩散通道，在施工过程中对揭露的上分层老空巷进行永久密闭、下分层老空巷进行填埋、压实，同时配合采用注浆、注氮、喷浆封堵裂隙、束管监测等措施，直至2015年11月3日，隔离巷效果初显，1202工作面CO下降为0。
五、千米定向钻孔施工
为了确保注浆效果，需要使注浆钻孔轨迹形成一条抛物线，首先从打钻位置提升，穿过稳定的煤层顶板岩层，通过角度调整，降低倾角最终到达火区上方裂隙带，而常规钻孔不能人为控制角度，在此次治理项目中，矿井采用定向钻孔技术，精确控制钻孔轨迹，达到了预期目的，为矿井注浆灭火工作顺利进行铺平了道路。
参考文献：
[1]李登屹，曹文平，吴日明，王春林.均压通风技术在上隅角瓦斯治理中的应用[J].煤矿安全，2012，43（06）：111-113.
论文作者:刘龙龙,董学林
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/31
标签：工作面论文; 钻孔论文; 煤业论文; 矿井论文; 乡宁论文; 氧化碳论文; 注浆论文; 《基层建设》2018年第10期论文;