高瓦斯易自燃沖擊礦壓條件下煤層綜合防滅火技術(shù)研究

付田田，郭 慶，左兵召，武光輝，吳長(zhǎng)俊，昝軍才

(1.陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713600；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

煤炭自燃是我國(guó)礦井的主要自然災(zāi)害之一。在我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，存在煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)的56%，煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%以上[1-2]。近年來(lái)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)對(duì)煤炭的需求拉動(dòng)了煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，隨著煤炭產(chǎn)量的日益增加，煤炭開(kāi)采深度和強(qiáng)度也日益增加，煤炭的開(kāi)采條件也不斷惡化，突出表現(xiàn)在開(kāi)采深度增加，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，瓦斯、火、水、沖擊礦壓以及煤與瓦斯突出等幾大災(zāi)害日趨嚴(yán)重[3-4]，并且部分煤礦多種災(zāi)害同時(shí)共存，在此種條件下，礦井火災(zāi)的預(yù)防和治理更顯得突出。

1 工作面概況及沖擊礦壓對(duì)煤炭自燃防治的影響

胡家河煤礦屬于彬長(zhǎng)礦業(yè)集團(tuán)，位于陜西省咸陽(yáng)市彬縣縣城西北約20km處。該礦是新建礦井,年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t，2012年10月份開(kāi)始聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)。

401101工作面是該礦聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)后第一個(gè)綜放工作面，該工作面傾斜長(zhǎng)175m，走向1563m，賦存穩(wěn)定，煤層近乎水平，厚度15～26m,平均厚度23.5m。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤分層開(kāi)采，回采上分層煤平均厚度13.5m(采煤機(jī)割煤高度為3.5m，放頂煤開(kāi)采總厚度預(yù)計(jì)在10m)，下分層煤平均厚度10m，工作面回采過(guò)程中，工作面回收率確定為78%。全部垮落法管理頂板。該工作面煤層屬于易自燃煤層，自然發(fā)火期最短為20天。

該工作面布置了五條巷道，即回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷、高抽巷、灌漿巷和泄水巷，其中灌漿巷和泄水巷分別位于回風(fēng)巷道和進(jìn)風(fēng)巷道的外側(cè)20m處，且煤柱中還設(shè)有聯(lián)絡(luò)巷，如圖1所示。胡家河礦屬于高瓦斯礦井，401101工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)35.8m3/min，另外，該礦還有沖擊礦壓和高溫的災(zāi)害。因此，多種災(zāi)害共存的條件下，針對(duì)該工作面煤炭自燃的防治有如下難點(diǎn)。

圖1 工作面巷道布置示意

1)采用綜采放頂煤技術(shù)，冒落高度大、采空區(qū)遺留浮煤多，漏風(fēng)嚴(yán)重，為煤炭氧化提供了充足的反應(yīng)物，采空區(qū)煤炭自燃危險(xiǎn)性增大[5]。

2)工作面布置五條巷道，破壞了煤體的整體性，再加上沖擊礦壓，灌漿巷與回風(fēng)和泄水巷與進(jìn)風(fēng)巷道之間的煤柱被壓酥，回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)巷道頂板破碎，支護(hù)難度加大，工作面及端頭支架往前移動(dòng)緩慢，最終導(dǎo)致工作面推采速度緩慢，給采空區(qū)浮煤氧化提供了時(shí)間。

3)由于沖擊礦壓，灌漿巷與回風(fēng)和泄水巷與進(jìn)風(fēng)巷道之間的煤柱被壓酥，工作面上下隅角及采空區(qū)與灌漿巷和泄水巷之間形成暢通的漏風(fēng)通道，造成漏風(fēng)嚴(yán)重，采空區(qū)供氧充分。

4)頻繁的沖擊礦壓造成煤體裂隙進(jìn)一步發(fā)育，煤體與氧氣接觸的表面積增大，吸氧量增加，從一定程度上縮短了煤的自然發(fā)火期。

5)工作面瓦斯涌出量大，為了有效的治理瓦斯，采用了3套瓦斯抽放系統(tǒng)，抽放方法包括采前預(yù)抽、高抽巷抽放、回風(fēng)隅角埋管抽放等。其中高抽巷和回風(fēng)隅角抽放均屬于泄壓抽放，將會(huì)對(duì)采空區(qū)形成立體抽放效果，從而會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量增大。

6)由于地溫的影響，造成該工作面溫度較高，采空區(qū)浮煤氧化產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，給煤炭氧化過(guò)程中熱量的積聚創(chuàng)造了良好條件。

2 煤層自燃特性測(cè)試

2.1 測(cè)試裝置及程序

指標(biāo)氣體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖如圖2所示，其主要由程序控溫箱、氣體分析儀、銅質(zhì)煤樣罐、預(yù)熱氣路、溫度控制系統(tǒng)、氣體質(zhì)量流量控制器等組成。

1-干空氣瓶；2-減壓閥；3-穩(wěn)壓閥；4-穩(wěn)流閥；5-壓力表；6-氣阻；7-流量傳感器；8-隔熱層；9-控溫箱；10-氣體預(yù)熱銅管；11-進(jìn)氣管；12-出氣管；13-煤樣罐；14-鉑電阻溫度傳感器；15-風(fēng)扇；16-加熱器；17-控制器及顯示鍵盤(pán)；18-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；19-自動(dòng)采樣控制系統(tǒng)；20-氣相色譜儀；21-計(jì)算機(jī)

測(cè)試時(shí)，將50g粒度為40～80目的煤樣置于銅質(zhì)煤樣罐內(nèi)，將煤樣罐置于程序控溫箱內(nèi)，連接好進(jìn)氣、出氣的氣路和溫度探頭(探頭置于煤樣罐的幾何中心)，檢查氣路的氣密性，然后向煤樣內(nèi)通入50mL/min的干空氣，在程序控溫箱控制下對(duì)煤樣進(jìn)行加熱，當(dāng)達(dá)到指定測(cè)試溫度時(shí)候，恒定溫度5min后采取氣樣進(jìn)行氣體成分和濃度分析。

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

從胡家河井下401101工作面采取煤樣，馬上進(jìn)行密封儲(chǔ)存，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試前前先剝?nèi)ッ簶颖砻嫜趸瘜樱缓髮?duì)其進(jìn)行破碎并篩分出40～80目的顆粒50g作為實(shí)驗(yàn)煤樣，測(cè)試曲線如圖3、圖4所示。

圖3 C2H4和C2H2濃度隨溫度的變化趨勢(shì)

圖4 CO濃度隨溫度的變化趨勢(shì)

從圖3、圖4可以看出，401101工作面的煤樣在30℃到216℃溫度范圍的氧化過(guò)程中有規(guī)律的出現(xiàn)CO、C2H4和C2H2氣體，且生成量隨煤溫的升高基本呈指數(shù)上升趨勢(shì)；CO在30℃時(shí)即開(kāi)始出現(xiàn)，說(shuō)明工作面的煤在常溫下就會(huì)產(chǎn)生CO，在低溫氧化階段CO的生成量較小，煤溫達(dá)到60～70℃之后其生成量迅速增加，這說(shuō)明該溫度下煤已經(jīng)開(kāi)始迅速氧化，物理吸附已經(jīng)越來(lái)越弱而化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)則占據(jù)了主要位置，由此可以判斷煤樣的臨界溫度為60～70℃；當(dāng)煤溫超過(guò)90～100℃時(shí)，耗氧速度，CO的產(chǎn)生速率又一次產(chǎn)生率急劇增加，且有微量C2H4等煤分子支鏈裂解的氣體產(chǎn)生，當(dāng)溫度超過(guò)90℃時(shí)C2H4的濃度基本成指數(shù)規(guī)律迅速增大，故推斷該煤樣的干裂溫度為90～100℃；當(dāng)溫度達(dá)到190℃左右時(shí)開(kāi)始有少量的C2H2氣體出現(xiàn)，并呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。說(shuō)明一旦能監(jiān)測(cè)出C2H4和C2H2時(shí)，煤溫已經(jīng)分別達(dá)到了80℃和190℃左右了，表明煤已經(jīng)發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)。因此，在生產(chǎn)過(guò)程中，要監(jiān)測(cè)CO、C2H4和C2H2的濃度變化趨勢(shì)來(lái)掌握煤炭自燃情況。如果CO的變化趨勢(shì)持續(xù)增加，則說(shuō)明煤已經(jīng)發(fā)生氧化反應(yīng)，一旦有C2H4出現(xiàn)說(shuō)明煤溫已超過(guò)80℃，C2H2的出現(xiàn)則說(shuō)明煤溫至少已經(jīng)超過(guò)190℃，此時(shí)應(yīng)采取積極的防滅火措施。

3 “堵、灌、隔”綜合防滅火技術(shù)

3.1 工作面上下隅角封堵漏風(fēng)

卡弗尼預(yù)制塊是一種高分子材料(改性聚氨酯泡沫)，是由多種高分子化合物經(jīng)過(guò)復(fù)配加入適量的交聯(lián)劑、穩(wěn)定劑和固化劑，在特定條件下反應(yīng)預(yù)制成的塊狀泡沫體，而且體內(nèi)所有的泡沫均為閉孔泡沫，達(dá)到提高強(qiáng)度和密閉不透氣的目的。具備重量輕、施工快、密封性能好、阻燃防爆、成本低的特點(diǎn)。由于它是柔性材料，當(dāng)頂板有壓力時(shí)，會(huì)愈壓密封性能愈好，這是該封堵材料重要一個(gè)性能。

401101工作面開(kāi)始回采后就開(kāi)始運(yùn)用卡佛尼快速預(yù)制塊對(duì)上、下隅角未冒落的區(qū)域進(jìn)行封堵，如圖5所示，大幅度降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了封堵墻的施工時(shí)間，有效地減少了上、下隅角瓦斯涌出量，抑制了上、下隅角的漏風(fēng)。

圖5 上下隅角采用預(yù)制塊封堵未冒落區(qū)域示意

3.2 大流量灌注三相泡沫

防治煤炭自燃的三相泡沫由固態(tài)不燃物(粉煤灰或黃泥等)、氣體(N2或空氣)和水三相防滅火介質(zhì)組成。與現(xiàn)有的防滅火技術(shù)及材料相比，含氮?dú)獾娜嗯菽嬗幸话阕{方法和惰氣泡沫防滅火的優(yōu)點(diǎn)。泥漿通過(guò)引入氮?dú)獍l(fā)泡后形成三相泡沫，體積大幅快速增加，被注入后能充斥整個(gè)采空區(qū)，因?yàn)槿嗯菽泻芎玫亩逊e性，所以能在火區(qū)中向高處堆積，對(duì)低、高處的浮煤都能覆蓋；三相泡沫能將漿水均勻的分散，有較好的掛壁性，有效地避免漿體的流失，保護(hù)井下環(huán)境；注入在采空區(qū)的氮?dú)獗环庋b在泡沫之中，能較長(zhǎng)時(shí)間滯留在采空區(qū)中，充分發(fā)揮氮?dú)獾闹舷⒎罍缁鸸δ埽蝗嗯菽泻蟹勖夯一螯S泥等固態(tài)物質(zhì)，這些固態(tài)物質(zhì)是三相泡沫面膜的一部分，可較長(zhǎng)時(shí)間保持泡沫的穩(wěn)定性，即使泡沫破碎了，具有一定粘度的粉煤灰或黃泥仍然可較均勻地覆蓋在浮煤上，可持久有效地阻礙煤對(duì)氧的吸附，防止煤的氧化，從而防治煤炭自然發(fā)火[6-8]。

401101工作面三相泡沫灌注工藝流程是：首先在制漿站中，用高壓水槍沖洗山上的黃土，形成適當(dāng)濃度的黃泥漿，經(jīng)過(guò)過(guò)濾網(wǎng)，靠泥漿泵將其輸送到注漿管路中在，在井下適當(dāng)位置加入發(fā)泡劑，經(jīng)過(guò)安裝在灌漿巷和泄水巷的兩發(fā)泡器產(chǎn)生三相泡沫，隨著工作面的推采，每隔50～80m在灌漿巷和泄水巷設(shè)一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)往采空區(qū)施工若干153mm的鉆孔，通過(guò)孔徑同時(shí)往采空區(qū)灌注三相泡沫，具體流程如圖6所示。

圖6 401101工作面灌注三相泡沫工藝流程

3.3 注凝膠形成隔離帶

凝膠是在水或者黃泥漿中添加一定比例的膠凝劑而生成的果凍狀物質(zhì)，它能封堵煤體裂隙，阻斷氧擴(kuò)散，同時(shí)凝膠中含有的大量水份，能吸收大量煤氧化產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而降低煤體內(nèi)部溫度，從而達(dá)到防滅火的效果[9]。

為了防止向采空區(qū)漏風(fēng)及阻止灌注到采空區(qū)的黃泥漿或者三相泡沫等防滅火材料流到支架前方。隨著工作面的推采，每隔80m，從401101工作面向架后采空區(qū)灌注凝膠，使凝膠在工作面架后形成一道平行于工作面的墻體，隔離支架后部與采空區(qū)。

施工時(shí)，首先在401101工作面由煤壁側(cè)向架后施工鉆孔，每隔5架布置一個(gè)鉆孔。鉆孔設(shè)計(jì)方位90°，仰角20～25°，伸入采空區(qū)內(nèi)15～18m，鉆孔內(nèi)留有Φ50mm的套管。然后在工作面前部溜子上敷設(shè)一趟Φ108mm鋼管與井下灌漿管路連接，鋼管上每隔30m設(shè)置一個(gè)出口，出口采用Φ100mm閘閥單獨(dú)控制，且每個(gè)出口上均連接一個(gè)分流器，每個(gè)分流器均使用Φ51mm高壓膠管三個(gè)鉆孔相連，每個(gè)注漿孔采用Φ50mm閥門(mén)控制。

為了降低成本，401101工作面采用水玻璃與化肥制備凝膠，其中水玻璃與化肥質(zhì)量比為3.75∶1，水玻璃在地面灌漿站按照一定比例被加入到灌漿管路中，化肥為膠凝劑，在井下合適的地方通過(guò)注膠機(jī)添加。施工時(shí)采用2臺(tái)ZM-5/1.8G型煤礦用注膠機(jī)(技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1)添加凝膠劑，整個(gè)注凝膠工藝如圖7所示。

表1 ZM-5/1.8G型煤礦用注漿機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖7 401101工作面注膠工藝

4 結(jié)語(yǔ)

1)分析了401101工作面多種災(zāi)害共存條件下，煤炭自燃防治的技術(shù)難點(diǎn)，特別是沖擊礦壓對(duì)煤炭自燃的影響。

2)測(cè)試了401101工作面煤樣的自燃特性，為工作面煤炭自燃的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了科學(xué)依據(jù)。

3)本文結(jié)合礦井的實(shí)際情況提出了工作面“堵、灌、隔”綜合防滅火技術(shù)。首先在工作面上下隅角進(jìn)行封堵防治漏風(fēng)；其次，采用“兩道”同時(shí)灌注三相泡沫技術(shù)有機(jī)的把黃泥灌漿和注氮結(jié)合起來(lái)，避免黃泥漿流失嚴(yán)重現(xiàn)象，將黃泥體積大幅度增加，把黃泥帶至采空區(qū)高低、隱蔽處，對(duì)采空區(qū)大面積自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行覆蓋；然后，隨著工作面推采，每隔

80m在支架后部灌注凝膠墻，形成隔離帶，一方面防止采空區(qū)漏風(fēng)，另一方面防止俯采時(shí)灌入采空區(qū)的黃泥漿或者三相泡沫等防滅火材料從采空區(qū)流出。

4)綜合防滅火技術(shù)在401101工作面的實(shí)施，保證了該工作面安全、正常的開(kāi)采，表明該技術(shù)防滅火效果顯著，同時(shí)也為同類工作面煤炭自燃的防治提供了新的技術(shù)手段和寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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