易自燃厚煤層綜采放頂煤綜合防滅火技術探析

文/劉韻

易自燃厚煤層綜采放頂煤綜合防滅火技術探析

文/劉韻

煤炭自燃是礦井重要災害之一。當采空區(qū)浮煤具備良好的漏風供氧和蓄熱條件時，會造成采空區(qū)浮煤自燃，危及工作面的正常開采，燒損設備，凍結大量的煤炭資源，甚至會導致井下火災和瓦斯爆炸等事故的發(fā)生，造成大量人員與財產(chǎn)的損失，是礦井安全生產(chǎn)的重大威脅。本文就冀中能源股份有限公司葛泉礦東井易自燃厚煤層綜采放頂煤綜合防滅火技術進行了探析。

一、煤層概況及綜放工作面自然發(fā)火的原因

葛泉礦東井所采9＃煤層屬傾斜和急傾斜特厚煤層，煤層傾角在17°~50°之間，煤層厚度達4.5m~6m。煤層具有高硫低磷，高揮發(fā)分的特點。煤層自然發(fā)火期為33天。采煤方法采用傾向長壁傾斜后退式綜采放頂煤，一次采全高全部垮落法回采。礦井通風方式為中央并列抽出式通風，采煤工作面通風方式為“u”型通風，后退式開采。

由于9#煤層屬新開煤層，含硫量較高自然發(fā)火現(xiàn)象較為嚴重，其自燃原因主要有：

1．采空區(qū)遺煤率較高。由于煤層平均厚度達5.78m，回采工藝上選用綜采放頂煤采煤法，從而在初采和末采階段造成了大量的煤炭損失，工作面采空區(qū)底板和立體空間均有遺煤的存在。且采空區(qū)內的遺煤多為破碎煤，空氣能夠在煤體中流動并擴散，使工作面采空區(qū)自燃危險程度增加。

2．采空區(qū)漏風。工作面采用后退式U型通風方式，在采空區(qū)形成了以進風巷為漏風源、以回風巷為漏風匯的并聯(lián)漏風系統(tǒng)，為采空區(qū)內的漏風帶和自燃帶遺煤提供了連續(xù)供氧條件。

3．蓄熱環(huán)境良好。采用綜采放頂煤技術，致使遺煤的堆集厚度大，破碎粒度多樣，具有良好的蓄熱環(huán)境。

4．工作面推進速度較慢。因兩巷維護、更換維修設備、防治水底板注漿加固等原因，使9＃煤層部分工作面，如1192初采面平均月推進度僅為40m，為采空區(qū)內遺煤氧化聚熱提供了時間。

5．9#煤層為高含硫自然發(fā)火煤層，煤層平均含硫量達4.18%。硫對煤具有氧化促進作用，因此增加了煤炭自燃傾向性，客觀上縮短了煤層自然發(fā)火期。

二、厚煤層綜放工作面自然發(fā)火的對策

煤層自然發(fā)火的影響因素較為復雜，只有采取綜合防滅火措施，才能有效預防煤層自燃，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1．合理確定綜采工作面的推進速度，阻止采空區(qū)煤炭自然發(fā)火

葛泉礦東井在9#煤層1190工作面采空區(qū)內沿工作面傾向布置3個測點（對束管和取氣樣探頭進行特殊保護），對采空區(qū)內的氣體成分進行長期監(jiān)測。其中，1號測點距巷幫2m，距底板1.5m；2號測點距下順槽30m，距底板30cm；3號測點距巷幫0.5m，距底板1.5m。分別在工作面的運料巷與運輸巷敷設100m左右的束管。這樣，隨著工作面的推進，取樣位置將逐漸深入采空區(qū)內，可采集出采空區(qū)以內不同位置處的氣體變化情況。具體布置如圖1所示。

圖1氣體監(jiān)測系統(tǒng)圖

根據(jù)1190工作面推進速度和采空區(qū)氣體成分實測結果，繪出采空區(qū)各點氧氣濃度隨工作面推進的變化曲線，根據(jù)葛泉礦東井煤自燃期及根據(jù)氣體組分中氧氣濃度的下降變化與對應的工作面切頂線距埋管處距離的分析，得出了1190綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，見表1。

表1 1190綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的范圍

根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，對1190工作面得出以下結論：

（1）散熱帶的寬度為14～22m，1190工作面的推進速度一般為2～3m/d，即工作面推進7～10天后，采空區(qū)進入了自燃帶的范圍。

（2）根據(jù)煤層最短自然發(fā)火期tmin和工作面的推進速度，可計算出工作面在最短自然發(fā)火期內的推進距離L0，即L0=tmin*v0

式中，V0為設計工作面推進速度或實際工作面平均推進速度（m/d）。

綜放面采空區(qū)內自燃帶的最大寬度L小于L0的區(qū)域，浮煤不會發(fā)生自燃。自燃帶的最大寬度大于L0的區(qū)域，浮煤有可能發(fā)生自燃，采空區(qū)內長度L—L0的區(qū)域即為采空區(qū)氧化自燃危險區(qū)域。

根據(jù)采空區(qū)自燃帶的最大寬度和煤層實際最短自然發(fā)火期，可推算出工作面安全推進速度：

當工作面的推進速度v≥vA時，采空區(qū)浮煤就不會發(fā)生自燃。對于1190綜放面，工作面的臨界推進速度為：

式中：L—自燃帶的最大寬度，m；LA—散熱帶的寬度，m；LB—自燃帶的寬度，m；T—最短發(fā)火期，d。

因此，根據(jù)采煤工作面配風量和負壓情況，只要葛泉礦東井工作面回采推進速度＞39m/月，采空區(qū)內一般不會發(fā)生自燃。

2．合理確定黃土灌漿參數(shù)，有效預防煤層發(fā)火

葛泉礦東井具有一套完善的防滅火灌漿系統(tǒng)，該系統(tǒng)由制漿、輸漿管路網(wǎng)和灌漿點組成，灌漿用水為礦井廢水。灌漿管網(wǎng)延伸到每一個采煤工作面，灌漿能力達24萬m3/a。由于采用綜采放頂采煤方法，開采強度加大，加之傾斜煤層條件限制，只能采用邊采邊灌的灌漿方法。經(jīng)過多年來對邊回采邊灌漿的不斷探索與實踐，得出：采空區(qū)防滅火注漿管路與工作面距離為30米時為最好灌漿時間。其灌漿量0.2m3/t為最佳，在達到灌漿量后，恰好能起到堵漏降溫預防自然發(fā)火作用。這已成為采用灌漿防滅火方法必須參考的重要指標。

3．做好堵漏風和防滅火預測工作是防滅火工作的一道重要防線

做好工作面采空區(qū)堵漏風工作是防止采空區(qū)浮煤自然發(fā)火的關鍵點和落腳點。預測預報工作是對堵漏工作成敗的補充和防滅火綜合措施效果的檢驗，也是防滅火工作的最后一道防線，對防滅火工作起著十分重要的作用。

90%的工作面采空區(qū)自然發(fā)火是由于采空區(qū)漏風造成，雖然采取預防灌漿、合理控制采煤工作面推進速度等措施可防止發(fā)火。但只要有老巷封閉不嚴、鉆孔未封堵和采空區(qū)抽放等隱蔽漏風通道，連續(xù)向采空區(qū)供氧，仍然會引起采空區(qū)很快自燃。

為了防止自然發(fā)火，一要對老巷封閉嚴密，并將密閉墻內通過灌漿封閉密閉墻，徹底堵死密閉墻漏風；二要將不用的觀測孔、灌漿孔和泄水孔封堵死；三要定期檢查可能通向采空區(qū)的所有老巷、鉆孔等，防止封堵好的密閉墻、鉆孔壓垮造成漏風；四要采用人工經(jīng)常檢查和束管檢測系統(tǒng)定期分析檢查CO氣體等聯(lián)合手段，如出現(xiàn)CO氣體就要全面檢查漏風通道，并采取相應措施進行封堵。

華北地區(qū)下組煤多為高硫煤，自然發(fā)火期短，且開采下組煤時需大量實施堵水工程，工作面推進緩慢，進一步增大了采空區(qū)自燃威脅。葛泉礦東井作為河北省國有重點煤礦開采下組煤的第一家礦井，綜合、全面、合理應用與落實易自燃厚煤層綜采放頂煤工作面綜合防滅火技術，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，將對華北地區(qū)老礦區(qū)開采下組煤層具有重大示范作用。

（作者單位：山西冀中能源礦業(yè)有限責任公司）

（責任編輯：周瓊）