綜放面停采撤架防滅火技術(shù)研究

王亞超，景興鵬，張辛亥，肖 旸

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西 西安710054；3.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054 )

煤自燃火災(zāi)一直以來就是我國(guó)煤礦的重大災(zāi)害之一。我國(guó)煤炭自燃火災(zāi)十分嚴(yán)重，因此煤層火災(zāi)的防治技術(shù)成為了礦井安全技術(shù)的重點(diǎn)。煤層火災(zāi)防治技術(shù)主要包括注水、壓注凝膠[1-2]、惰性氣體[3]、黃泥漿[4-5]、注三相泡沫[6]、噴灑阻化劑[7]、注膠體材料[8-9]等方法。目前煤礦防滅火技術(shù)采用較多的是膠體系列防滅火材料和三相泡沫等材料的滅火技術(shù)。對(duì)于亭南煤礦103綜放面的實(shí)際情況和結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)，在停采撤架期間采用綜合防滅火技術(shù)措施，從而保障103綜放面安全順利撤架。

1 工作面概況

亭南煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中部，井田面積33.82 km，主采侏羅系8#煤層，平均厚度8.29m。礦井采用一對(duì)立井單水平開拓，劃分為四個(gè)盤區(qū)，采煤方法為傾斜長(zhǎng)壁綜放開采。根據(jù)亭南煤礦8#煤層煤塵爆炸指數(shù)為30.06%～30.86%，爆炸火焰長(zhǎng)度為300mm，煤塵具有爆炸性；8#煤層吸氧量為0.46～0.51mL/g，自燃傾向等級(jí)二類，發(fā)火期為3～6個(gè)月。該礦周邊開采同一煤層的礦井實(shí)際最短自然發(fā)火期為1個(gè)月。亭南煤礦的瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為低瓦斯礦井，瓦斯相對(duì)涌出量9m3/t，絕對(duì)涌出量13.62m3/min。通風(fēng)方式為中央并列式，兩臺(tái)主扇型號(hào)均為GAF-23.7-11.8-1，電機(jī)功率為560 kW，等積孔為4.1m2，礦井負(fù)壓1600Pa，總進(jìn)風(fēng)量為7914m3/min，總回風(fēng)量為9004m3/min，礦井有效風(fēng)量率為86.1%。煤礦回采過程中，103綜放工作面回風(fēng)隅角監(jiān)測(cè)到的CO濃度升高，一般為20～30ppm，回風(fēng)隅角后部CO濃度還有所增大，但沒有出現(xiàn)乙烯乙炔等其它自燃標(biāo)志氣體。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)深部埋管監(jiān)測(cè)到CO濃度達(dá)100ppm左右，O2濃度為14%左右，從近期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，CO濃度比較穩(wěn)定，沒有增加或降低的傾向。根據(jù)煤礦工作面的氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，采空區(qū)仍然存在一定量的漏風(fēng)，浮煤氧化放出CO氣體，但采空區(qū)溫度仍然較低。通過數(shù)據(jù)分析推算出103面采空區(qū)散熱帶處于距離工作面20m的采空區(qū)，氧化升溫帶位于距離工作面20～120m的范圍，其最寬處位于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，氧化升溫帶在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的寬度也很大，其采空區(qū)三帶分布如圖1所示。因此該重點(diǎn)處理氧化升溫帶寬度比較大的進(jìn)風(fēng)側(cè)，對(duì)采空區(qū)回風(fēng)順槽處也要加強(qiáng)處理。

圖1 亭南煤礦103工作面采空區(qū)三帶分布示意圖

2 亭南煤礦103綜放面的自燃檢測(cè)

由于亭南煤礦103工作面風(fēng)量大，難以自工作面監(jiān)測(cè)到采空區(qū)出現(xiàn)自燃標(biāo)志氣體濃度升高等變化。為盡早預(yù)報(bào)采空區(qū)自燃，日常監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如下：①高位瓦斯抽放管作為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，每天定時(shí)采氣樣色譜分析其氣體成分及濃度；②采空區(qū)回風(fēng)隅角深部埋管每天采氣樣進(jìn)行色譜分析，該監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣頭位于巷道頂板，水平方向距離工作面15～40m處；③工作面距離回風(fēng)隅角處布置CO傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回風(fēng)隅角CO變化情況；④瓦檢員每班在工作面巡檢，每隔40m一個(gè)點(diǎn)，用金屬管伸入到支架后部頂板最里端，抽出氣樣用便攜儀分析其瓦斯及CO、O2等。如果有CO等標(biāo)志氣體異常，則采樣帶回地面色譜分析；⑤通防隊(duì)每天將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)填入固定表格，上報(bào)通風(fēng)科分析采空區(qū)煤自燃的動(dòng)態(tài)發(fā)展，如果發(fā)現(xiàn)自燃標(biāo)志氣體(主要是CO)連續(xù)升高或出現(xiàn)C2H4等異?，F(xiàn)象，則說明有煤層自燃趨勢(shì)，盡快采取注膠防滅火措施。通過檢測(cè)可以判斷亭南煤礦103綜放面的自燃特征，從而可以制定綜合的防滅火綜合技術(shù)。

3 亭南煤礦103綜放面的綜合治理

結(jié)合亭南煤礦103綜放面的實(shí)際條件和各種防滅火技術(shù)的特點(diǎn)，確定了因地制宜，合理地運(yùn)用注氮、堵漏、灌漿、注膠及礦井應(yīng)急防滅火技術(shù)，對(duì)103綜放面的煤層火災(zāi)進(jìn)行綜合防治的總體思路如圖2所示。

圖2 103綜放面自燃防治總體思路

3.1 接近停采時(shí)加強(qiáng)采空區(qū)“兩道”的封堵和注膠

接近停采線時(shí)(距離停采線100m以內(nèi))，工作面每推進(jìn)30m左右，用輕質(zhì)膏體充填材料封堵采空區(qū)“兩道”，封堵方法為：向采空區(qū)兩道的頂板附近掛注輕質(zhì)膏體充填材料的管路(1寸高壓軟管)，將注輕質(zhì)膏體充填材料的設(shè)備(ZHJ-5/1.8G型礦用移動(dòng)式防滅火注漿裝置)運(yùn)送到井下充填區(qū)域附近，將預(yù)設(shè)管路連接到注輕質(zhì)膏體材料設(shè)備。隨著工作面推進(jìn)，軟管到達(dá)工作面后15～20m處，用設(shè)備壓注輕質(zhì)膏體材料至采空區(qū)，材料自動(dòng)膨脹并且將順槽封堵實(shí)。

采空區(qū)“兩道”注膠預(yù)防自燃。接近停采線時(shí)，將灌漿管路預(yù)埋在“兩道”注輕質(zhì)膏體充填封堵材料位置后約15m處的煤柱側(cè)頂板處，膨脹封堵墻完成后，即沿管路向采空區(qū)注膠或灌漿。其工作面兩道的封堵以及注膠防滅火技術(shù)如圖3所示。

圖3 工作面兩道封堵及注膠防滅火平面示意圖

3.2 停采線防滅火技術(shù)方案

103綜放工作面是亭南煤礦第二個(gè)采煤工作面，該綜放面停采后，為了防止停采撤架期間煤層自燃，對(duì)采空區(qū)兩道進(jìn)行了封堵，在采空區(qū)軌順側(cè)距離停采線20m以內(nèi)的范圍用黃土裝袋壘成密集的墻體進(jìn)行了封堵，并在封堵墻外噴艾格勞尼，封堵比較嚴(yán)密。在采空區(qū)皮順側(cè)(回風(fēng)順槽)停采線處也用黃土裝袋壘墻并在封堵墻外噴羅克休進(jìn)行了封堵(但該封堵墻后仍有較大空洞，沒有充填嚴(yán)實(shí))。此外，在103綜放工作面支架后部頂板處注高分子膠體。

1) 堵漏。采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)用黃土袋充填得比較嚴(yán)實(shí)，內(nèi)部基本沒有空間，其表面用水泥噴漿進(jìn)行了處理，根據(jù)情況可選用高分子膠體對(duì)漏風(fēng)裂隙進(jìn)行充填；

2) 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)停采線處用土袋墻進(jìn)行了封堵，其表面用艾格勞尼進(jìn)行了噴涂。但存在漏風(fēng)通道，從一些縫隙外可以監(jiān)測(cè)到較高濃度的CO、CH4等氣體。為了減少?gòu)脑撎幍穆╋L(fēng)，用松散體打鉆、下套管一次完成設(shè)備自回風(fēng)隅角向采空區(qū)深部施工鉆孔，以便插管注膠體。根據(jù)采空區(qū)冒落情況，該處鉆孔終孔位置水平方向在距離工作面后15～20m，和回風(fēng)側(cè)煤壁5～10m處，垂直方向位于煤層頂板處。該處形成一個(gè)寬、高和深分別約為6～8m的膠體隔離帶，注膠量約100～150m3。

3) 為了防止采空區(qū)自燃，用松散體打鉆、下套管一次完成設(shè)備自工作面向采空區(qū)后部打鉆注高分子膠體。鉆孔終孔位置處于工作面尾梁后3～4m，煤層頂板以上1m左右，鉆孔間距一般為15m左右，在進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)側(cè)各30m范圍鉆孔加密到8m左右，則整個(gè)工作面需打約13個(gè)鉆孔。水平位置如圖4所示。每個(gè)鉆孔注膠量約為40m3，端頭附近鉆孔注膠約80m3；

4) 向支架后上部打鉆注膠，防止工作面頂煤自燃。該鉆孔間距亦為15m左右，與支架后部鉆孔均勻相間排列，終孔位置位于支架尾梁后部煤層頂板處，每孔注膠20m3左右。

圖4 工作面有停采時(shí)注膠防滅火平面示意圖

3.3 停采期間盡量減小工作面風(fēng)量,并持續(xù)向采空區(qū)注氮

煤炭自燃必須有連續(xù)的供氧條件，熱量的產(chǎn)生有依賴空氣中氧氣的供給，所以在煤礦防滅火技術(shù)措施中，要嚴(yán)格的控制空氣的連續(xù)供給是問題的關(guān)鍵所在。在嚴(yán)格控制空氣的供給下，也要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮措施，其步驟如下：①盡量加快撤面速度，各項(xiàng)防火工作盡量不影響撤架帶度，停采后30天內(nèi)完成撤面和封閉工作面工作；②工作面停采撤架時(shí)盡量減小工作面風(fēng)量；③停采期間持續(xù)向采空區(qū)注氮，注氮口位于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距離停采線10～30m處;④撤面后及時(shí)快速地封閉工作面，保障安全。

3.4 火區(qū)大量壓注復(fù)合膠體

回風(fēng)隅角CO持續(xù)增加時(shí)，可以據(jù)分析結(jié)果向預(yù)計(jì)的發(fā)火部位大量壓注復(fù)合膠體，迅速抑制煤層自燃。

由于預(yù)計(jì)工作面進(jìn)風(fēng)測(cè)氧化升溫帶寬度最大，采空區(qū)回風(fēng)順槽出氧化帶寬度也很大，這些區(qū)域是煤層自燃危險(xiǎn)性最大的區(qū)域，所以注復(fù)合膠體鉆孔終點(diǎn)位置為：進(jìn)風(fēng)側(cè)距離進(jìn)風(fēng)順槽15m和35m，距離工作面架尾約15m處(氧化升溫帶外)的煤層頂板處各一個(gè)鉆孔，和回風(fēng)側(cè)距離工作面架尾約15m(氧化升溫帶外)的煤層頂板處施工一個(gè)鉆孔。

為了保證注復(fù)合膠體的質(zhì)量，注膠方法為：從地面注漿池沖漿，制備的泥漿在地面緩沖池中沉淀后抽出其頂部清水，使?jié){濃度達(dá)到水土比1∶2～1∶1，然后進(jìn)行灌漿。為了防止?jié){液沉淀堵塞管路，可以在地面灌漿池加懸浮劑(與漿比例為1∶1000)。復(fù)合膠體膠凝劑在井下注膠鉆孔附近(距離鉆孔50m以內(nèi))由設(shè)備加入，其添加量每立方米漿加入1kg膠凝劑。

復(fù)合膠體注膠流量可以達(dá)到每小時(shí)30m3以上，能夠迅速充填采空區(qū)，預(yù)防煤層自燃或撲滅煤層火災(zāi)。

4 應(yīng)用效果及結(jié)論

1) 根據(jù)亭南礦103綜放工作面實(shí)際，結(jié)合氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，掌握了綜放工作面采空區(qū)的三帶分布情況；在防滅火技術(shù)措施后，103工作面CO濃度近期維持穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)不到煤層自燃標(biāo)志氣體，表明該工作面采空區(qū)煤溫沒有明顯升高。

2) 對(duì)兩道、停采線和采空區(qū)采取了壓注輕質(zhì)膏體、高分子膠體、復(fù)合膠體等材料的綜合防滅火技術(shù)措施;并加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)管理，減少工作面風(fēng)量等防滅火技術(shù)措施，工作面封堵、注膠和防滅火等工作都比較扎實(shí)，對(duì)煤層自燃起到了重要作用。

3) 通過對(duì)綜放面防滅火技術(shù)措施更好地保證撤面期間工作面不發(fā)生煤層自燃危險(xiǎn)，重視防滅火技術(shù)的落實(shí)，工作取得了很好的效果；為其他煤礦綜放面煤層自燃提供比較好的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

[1]徐精彩,鄧軍.凝膠防滅火技術(shù)在南屯礦綜放面的應(yīng)用[J].焦作礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1995,14(4):43-48.

[2]徐精彩,文虎,鄧軍,等.凝膠防滅火技術(shù)在煤層內(nèi)因火災(zāi)防治中的應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,1997,23(5):28-30.

[3]張建國(guó),劉廣金.氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)在平頂山礦區(qū)的應(yīng)用[J].煤礦安全,2008,39(5):48-50.

[4]王利利,張學(xué)飛.巷道高冒區(qū)注高嶺土綜合防火技術(shù)[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2007,24(增刊):33-36.

[5]張勝,張少科,張宏軍.兩種防滅火技術(shù)在“三軟”煤層的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2006,25(11):67-68.

[6]周福寶,王德明,章永久,等.含氮?dú)馊嗯菽杌饏^(qū)的機(jī)理及應(yīng)用研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2005,30(4):443-446.

[7]楊運(yùn)良,于水軍,張如意,等.防止煤炭自燃的新型阻化劑研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1999,24(2):163-166.

[8]徐精彩,張辛亥,文虎.粉煤灰膠體在高瓦斯易自燃煤層防滅火中的應(yīng)用[J].煤礦安全,1999,6:12-14.

[9]文虎,徐精彩,阮國(guó)強(qiáng),等.綜放面復(fù)合膠體防滅火技術(shù)[J].中國(guó)煤炭,2001,27(6):44-46.