厚煤層綜放工作面自然發(fā)火治理技術(shù)研究

張 斌 華 帥

（安陽市主焦煤業(yè)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455141）

1 工程概況

安陽市主焦煤業(yè)公司位于安陽礦區(qū)北部倫掌鄉(xiāng)內(nèi)，產(chǎn)能60 萬t/a。2308 工作面位于23 采區(qū)北翼，主要開采二疊系山西組下部二1 煤層，煤層厚4.0～6.5 m，均厚6.0 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，局部地區(qū)含2 層夾矸。工作面走向長678.8 m，傾斜長140.3 m。

2308 工作面采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，采用U 型通風(fēng)方式，上行通風(fēng)，工作面有獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)經(jīng)工作面回入采區(qū)回風(fēng)巷，通過風(fēng)井排至地面，工作面風(fēng)量為1050 m3/min。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為4.2 m3/min，原始瓦斯含量為5.864 8 m3/t，采用高位鉆孔、埋管抽放或采空區(qū)抽放、淺孔抽放等方法防止瓦斯超限。煤塵具有爆炸性，爆炸指數(shù)19.26%。煤層自燃傾向性為Ⅲ類不易自燃。

2 2308 工作面煤自燃特性參數(shù)測試與分析

對(duì)主焦煤業(yè)23 采區(qū)2308 工作面進(jìn)行煤樣測試分析，測試結(jié)果見表1。

表1 工業(yè)分析測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤樣進(jìn)行程序升溫控制測試，得出2308 工作面煤層煤自燃預(yù)測預(yù)報(bào)指標(biāo)：2308 工作面煤層工作面指標(biāo)氣體以CO 為主，高溫之后輔以C3H8、C2H4、C2H2掌握煤炭自燃情況；CO 的出現(xiàn)說明煤已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，C3H8出現(xiàn)表明煤溫已經(jīng)達(dá)到110 ℃以上，C2H4出現(xiàn)表明煤溫已經(jīng)達(dá)到150℃以上，C2H2的出現(xiàn)說明煤溫至少已經(jīng)超過220 ℃，此時(shí)應(yīng)采取積極防滅火措施。

基于氧化動(dòng)力學(xué)方法實(shí)驗(yàn)，得到2308 工作面煤樣罐出口氧氣濃度和交叉點(diǎn)溫度分別為20.75 %和201.6 ℃，根據(jù)煤自燃傾向性綜合判定指數(shù)計(jì)算公式計(jì)算得出了2308 工作面煤樣氧化動(dòng)力學(xué)判定指數(shù)I 為1 216.9，建立氧化動(dòng)力學(xué)判定指數(shù)與絕熱氧化時(shí)間之間的關(guān)系，計(jì)算得到該煤層的最短自然發(fā)火期為90.78 d。

利用熱重分析儀對(duì)2308 工作面煤樣進(jìn)行不同加熱速率條件下的熱重實(shí)驗(yàn)，分析表明：實(shí)驗(yàn)煤樣升溫氧化過程可劃分為失水失重階段、氧化增重階段、燃燒失重階段，分析得出了實(shí)驗(yàn)煤樣的臨界溫度、干裂溫度、增重極值溫度、著火溫度和失重極大值溫度等。

計(jì)算得到2308 工作面煤樣的失水失重階段、氧化增重階段、燃燒失重階段的活化能分別為38.78 kJ/mol、63.87 kJ/mol、114.31 kJ/mol。計(jì)算結(jié)果表明，2308 工作面煤樣熱重實(shí)驗(yàn)各階段的活化能不高，自燃等級(jí)鑒定為Ⅲ級(jí)自燃，但是如果通風(fēng)條件適宜且蓄熱條件較好時(shí)，主焦煤業(yè)2308 工作面采空區(qū)浮煤與氧氣的反應(yīng)就會(huì)加快，使得熱量集聚發(fā)生自燃，因此需要對(duì)2308 工作面煤自燃采取防火措施。

3 2308 工作面煤自燃綜合防治技術(shù)

3.1 堵漏風(fēng)防治采空區(qū)煤自燃技術(shù)

針對(duì)主焦煤業(yè)公司2308 工作面的實(shí)際情況，著重從漏風(fēng)控制方面進(jìn)行采空區(qū)煤自燃研究[1-2]，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)漏風(fēng)的有效處理。

堵漏風(fēng)防治方案：隨著2308 工作面的回采，在上下順槽堆砌堵漏墻，堵漏墻用袋子裝填矸石進(jìn)行堆砌，袋子之間用矸石充填。每間隔5 m堆砌一座，厚度0.6 m，寬度為巷道寬度，增加采空區(qū)后部漏風(fēng)風(fēng)阻。為避免風(fēng)流在上下隅角產(chǎn)生渦流，堵漏墻與回采方向成鈍角，角度160°左右。堵漏墻在工作面上下順槽的封堵如圖1。

圖1 上下順槽袋墻封堵示意圖

3.2 噴灑阻化液預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火技術(shù)

針對(duì)2308 工作面煤自燃的情況，采取噴灑阻化液預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的技術(shù)方案，從阻化劑選擇、防滅火系統(tǒng)選擇、防滅火參數(shù)、噴灑工藝等方面進(jìn)行論述。

3.2.1 阻化劑選擇

試驗(yàn)表明：水玻璃、氫氧化鈣、純堿、小蘇打、鹽類（CaCl2、MgCl2）等阻化劑對(duì)2308 工作面煤樣在空氣下氧化有明顯抑制作用和降低煤氧化活性作用。阻化劑溶解度曲線如圖2。

圖2 阻化劑溶解度曲線

綜合分析礦井實(shí)際情況，選用在水中有較高溶解度、來源廣泛、經(jīng)濟(jì)成本低的CaCl2，作為噴灑或注入2308 工作面煤層的阻化劑。

3.2.2 噴灑阻化液防滅火系統(tǒng)的選擇

2308 工作面選用移動(dòng)式噴灑壓注系統(tǒng)，儲(chǔ)液箱和注液泵安裝在平板車上，放置在2308 工作面的平巷中，距工作面30 m 左右，經(jīng)過輸液管路將阻化劑輸送到工作面進(jìn)行噴灑。

3.2.3 噴灑阻化液防滅火參數(shù)的確定

1）噴灑阻化液時(shí)機(jī)及阻化液濃度和密度確定

阻化劑應(yīng)每班噴灑1 次，噴灑阻化劑的作業(yè)人員必須站在頂板支護(hù)完好和上風(fēng)側(cè)方向的區(qū)域。煤炭自燃前隨著緩慢氧化釋放出熱量，并釋放CO、CO2、CH4等氣體，自燃指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)可得出2308工作面煤層煤自燃指標(biāo)氣體，根據(jù)現(xiàn)場指標(biāo)氣體濃度的變化增減噴灑阻化劑的次數(shù)及時(shí)間。阻化劑濃度暫定控制在20%，阻化劑密度為1.11 t/m3，后期可根據(jù)阻化效果進(jìn)行調(diào)整。

2）阻化液噴灑量計(jì)算

2308 工作面阻化劑噴灑量應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中：V為噴灑量，m3/d；Qy為噸煤用液量，一般取0.04～0.06 m3；η為工作面丟煤率，取7%；ρc為煤的容重，取1.4 t/m3；L為工作面傾斜長度，取140.3 m；H為工作面煤層高度，取6 m；S為工作面日推進(jìn)度，取1.8 m/d。

將以上參數(shù)代入式（1）可得：V=Qy·η·ρc·L·H·S=0.05×0.07×1.4×140.3×6×1.8=7.425 m3/d。2308 工作面每日噴灑阻化液量為7.425×1.11=8.242 t/d=8242 kg/d，預(yù)計(jì)2308 工作面每日所需阻化劑為8242×20%=1648 kg。

3.2.4 阻化液噴灑工藝

阻化液噴灑工藝如圖3 所示，自制2 個(gè)攪拌水箱，每個(gè)攪拌水箱容積在1 m3左右，阻化液噴灑泵和水箱都安裝在平板車上，接通工作面的供水管路按比例加足清水，配成溶液攪拌均勻后，用阻化劑噴灑泵將阻化液沿順槽和支架鋪設(shè)的Φ25 mm 高壓膠管壓至工作面，與Φ13 mm 的膠管和噴槍相連。一臺(tái)泵配一支噴槍，從支架間隙向采空區(qū)噴灑。

圖3 阻化液噴灑工藝示意圖

結(jié)合現(xiàn)場條件，選用WH-24 阻化劑噴射泵2 臺(tái)，該泵具有體積小、重量輕、移動(dòng)方便等特點(diǎn)。能夠滿足主焦煤業(yè)2308 工作面噴灑阻化液防滅火的設(shè)計(jì)要求。

3.3 注氮?dú)夥乐尾煽諈^(qū)煤自燃技術(shù)

3.3.1 注氮工藝及參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場條件，2308 工作面回采過程中采用埋管注氮的注氮工藝，如圖4。在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿煤壁埋設(shè)一趟4 寸鋼管作為主注氮管路，從4 寸注氮管路上引出2 寸鋼管作為支注氮管路，當(dāng)2 寸注氮管路埋入采空區(qū)氧化帶與散熱帶的交界部位時(shí)開始注氮，同時(shí)又埋入第二趟2 寸注氮管路，當(dāng)?shù)诙? 寸注氮管口埋入采空區(qū)氧化帶與散熱帶的交界部位時(shí)向采空區(qū)注氮，此時(shí)停止第一趟2 寸注氮管路注氮，重新埋設(shè)2寸注氮管路，循環(huán)至工作面采完。注氮口處先做木垛，高約1 m，然后將注氮管加入木垛空隙中。當(dāng)停止第一趟2 寸注氮管路注氮時(shí)，回收第一二趟注氮管路之間的4 寸鋼管。

圖4 2308 工作面注氮管路

3.3.2 防火注氮參數(shù)設(shè)計(jì)

2308 工作面煤層自然發(fā)火等級(jí)為Ш 級(jí)，2308 工作面防火注氮方式選用間歇注氮。2308 工作面二1煤層防火注氮時(shí)機(jī)為：1）當(dāng)上隅角出現(xiàn)一氧化碳且含量向上遞增達(dá)到2.4×10-5時(shí)，立即注氮防火；當(dāng)含量波動(dòng)變化，只需達(dá)到2.4×10-5時(shí)，也必須立即注氮防火。2）當(dāng)工作面旬推進(jìn)度＜15 m 或月推進(jìn)度＜50 m 時(shí)，必須及時(shí)注氮，至工作面推進(jìn)度大于或等于防火合理推進(jìn)度時(shí)停止注氮。3）當(dāng)工作面測溫地點(diǎn)的溫度出現(xiàn)下列情況立即注氮防火：45℃≤采空區(qū)溫度＜70 ℃，或40 ℃≤上隅角溫度＜45℃。4）撤架時(shí)，只要進(jìn)入采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界處的煤炭達(dá)到發(fā)火期，無論工作面是否有發(fā)火征兆，均應(yīng)及時(shí)注氮防火。5）巷道高溫煤炭放入到采空區(qū)時(shí)，必須立即注氮，一直注到將高溫煤炭甩入窒息帶。

2308 面注氮口暫定為進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面40 m位置，制氮裝置為DM-600 煤礦用移動(dòng)式膜分離制氮裝置，最佳注氮流量可選擇為350～500 m3/h。根據(jù)2308 工作面現(xiàn)場注氮效果，可適當(dāng)提高或降低注氮量。

4 治理效果分析

在2308 工作面接續(xù)2309 運(yùn)輸巷施工觀測鉆孔10 個(gè)，鉆孔間距20 m，1#鉆孔距工作面12 m 位置，2#～10#鉆孔依次施工。2308 工作面煤自燃綜合防治技術(shù)治理6 個(gè)月后，連續(xù)30 d 取鉆孔氣樣進(jìn)行分析。結(jié)果表明：2308 工作面采空區(qū)內(nèi)CO 濃度在（0～4.5）×10-6范圍，2308 工作面CO 濃度為0；2308 工作面采空區(qū)氮?dú)鉂舛?4.2%～90.4%，甲烷濃度0.24%～1.73%范圍。綜上所述，2308 工作面開采期間CO 濃度未出現(xiàn)異常變化，未出現(xiàn)自燃升溫跡象，有效消除了浮煤的自然發(fā)火隱患，自然發(fā)火治理效果顯著，保證2308 工作面開采安全。