極軟易燃特厚煤層綜放面立體化防滅火技術(shù)

陳 貴

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇徐州221116;2.淮北礦業(yè)股份有限公司朱仙莊煤礦，安徽宿州234111)

煤層自燃是我國(guó)礦井的主要自然災(zāi)害之一［1］。對(duì)于極軟特厚易自燃綜放工作面，采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)量大，煤層自然發(fā)火事故越來(lái)越頻繁［2］。因此，開展研究此類自燃火災(zāi)的發(fā)生規(guī)律與防治技術(shù)勢(shì)在必行。

1 概述

朱仙莊礦主采8煤層，煤厚7～13m，平均厚度9.98m，傾角12～40°，f=0.2～0.5，煤層具有自燃傾向性，自然發(fā)火期短，約為1～2個(gè)月 (最短為21d)，屬于極軟易燃特厚煤層。頂?shù)装逡阅鄮r或泥質(zhì)膠結(jié)的巖層為主，加之煤層松散，在開采過程中極易造成片幫、漏頂，產(chǎn)生裂隙和空洞，造成漏風(fēng)，形成自然發(fā)火隱患點(diǎn)。在1981—1998年累計(jì)發(fā)生低溫氧化現(xiàn)象及自然發(fā)火事故高達(dá)40次，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。

針對(duì)上述問題，朱仙莊礦打破傳統(tǒng)模式，提出了立體化綜合防滅火技術(shù)，并成功應(yīng)用，有效地控制了煤層自燃，確保了工作面安全高效開采。

2 主煤層地質(zhì)特征及自然發(fā)火原因

2.1 主采煤層地質(zhì)特征

(1)煤層賦存極不穩(wěn)定 8煤層總厚度變化幅度大，從4.8～18.5m，煤厚變異系數(shù)平均高達(dá)30%以上，可用于連續(xù)開采的塊段小，造成采煤工作面搬家頻繁，接替緊張，自然發(fā)火形勢(shì)嚴(yán)峻［3］。

(2)屬于“三軟”易自燃煤層 8煤層有自然發(fā)火傾向性，煤層軟，頂?shù)装逡曹洠灼瑤兔绊?，形成高冒區(qū);礦壓大，巷道維護(hù)困難、圍巖裂隙發(fā)育，封閉墻墻體時(shí)常被壓壞，同時(shí)，因巷道失修嚴(yán)重，通風(fēng)斷面縮小，通風(fēng)阻力增大，采空區(qū)壓差大，加大了漏風(fēng)，易發(fā)生采空區(qū)、巷旁和高冒區(qū)等地點(diǎn)的自然發(fā)火［4－5］。

(3)主采煤層為高瓦斯煤層 煤層瓦斯含量大，在開采過程中，為應(yīng)對(duì)高瓦斯危險(xiǎn)，必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采，但抽采的同時(shí)會(huì)加大采空區(qū)漏風(fēng)量，極易使殘留煤炭氧化形成自熱，使發(fā)火因素增加［6］。

2.2 自然發(fā)火原因

8煤層在開采過程中發(fā)生過多起自然發(fā)火，歷史上較嚴(yán)重的煤層自然發(fā)火統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 朱仙莊礦主采煤層8煤較嚴(yán)重的煤層自然發(fā)火統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，發(fā)火地點(diǎn)多為采空區(qū)，除了煤層著火內(nèi)因外，其主要外因有:綜放面煤炭回收率低，采空區(qū)遺煤量大;一次開采厚度大，頂板垮落高度加大，采空區(qū)漏風(fēng)通道增多;放頂煤時(shí)，通過放煤口向采空區(qū)漏風(fēng)量加大;工作面推進(jìn)速度慢，每天只能推進(jìn)2～3m，煤體與空氣接觸的時(shí)間長(zhǎng)，煤體容易著火;煤體長(zhǎng)期暴露，停采回收設(shè)備時(shí)間長(zhǎng)等［7］。

3 立體化防滅火技術(shù)

立體化防滅火技術(shù)是針對(duì)朱仙莊礦煤層自然發(fā)火期短、煤層極松軟、斷層構(gòu)造多的防滅火難點(diǎn)研發(fā)提出的，是以高冒區(qū)快速充填－上下隅角快速堵漏－采空區(qū)大流量注復(fù)合阻化泡沫為主的煤自燃災(zāi)害立體化綜合防治技術(shù)。

3.1 高冒區(qū)快速充填防火技術(shù)

極軟特厚煤層在開采時(shí)，煤體易破碎和冒頂，形成空洞，因此，防治煤層自然發(fā)火的重點(diǎn)是防止形成微風(fēng)供氧和蓄熱條件。朱仙莊礦發(fā)明運(yùn)用MCA高分子材料防滅火技術(shù)。

3.1.1 MCA高分子材料的特點(diǎn)

MCA高分子黏度好，凝固時(shí)間和硬度易調(diào)節(jié)，無(wú)需噴漿堵漏，工藝簡(jiǎn)單。具體注膠工藝見圖1。

圖1 高冒區(qū)注膠示意

3.1.2 MCA高分子材料應(yīng)用效果

(1)水玻璃溶液和MCA高分子促凝劑溶液混合后，形成果凍狀塑性膠體，充填堵漏效果好。混合液易滲入煤體裂隙中?？沙浞职后w使不連續(xù)的小煤塊融為整體，從而使煤體與氧的接觸面積大大減少、煤的氧化放熱速度降低，達(dá)到隔絕漏風(fēng)，杜絕供氧的目的，效果顯著。

(2)該材料在成膠過程中為吸熱反應(yīng)。果凍狀的膠體含水率在94%左右，能起到理想的降溫滅火效果，且具有很強(qiáng)的保水、阻燃和受壓性能。

(3)該材料最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)未噴漿的高冒處直接實(shí)施充填，能解決噴漿所引起的工期緊、材料運(yùn)輸難度大、材料投入多等不利因素。

因此，新型 MCA高分子材料在851，853，873，II865及876機(jī)、風(fēng)巷等巷道冒高處進(jìn)行應(yīng)用，成功地消滅了冒高處自然發(fā)火隱患，取得了很好的效果。

3.2 隅角快速堵漏防火技術(shù)

利用加10%的快速壘砌材料的碎煤袋快速封堵工作面上、下隅角，從而減少采空區(qū)漏風(fēng)，減緩采空區(qū)遺煤的氧化速度，達(dá)到防滅火目的。

(1)工作面初采期間，用快壘料碎煤袋作隔離垛對(duì)上、下隅角進(jìn)行封堵。垛墻厚度在1m以上。每間隔10m封堵一道，至切眼進(jìn)入滯息帶為止;正?；厥蘸?，向上、下隅角內(nèi)灑高分子材料;對(duì)采空區(qū)不能垮實(shí)的地點(diǎn)，用艾格勞尼進(jìn)行充填。

(2)在工作面機(jī)、風(fēng)巷距停采線50m開始，加強(qiáng)工作面上、下隅角的充填堵漏，每間隔10m采用快壘料碎煤袋進(jìn)行封堵，垛墻厚度大于2m。

(3)工作面收作完成后，在工作面停采線上、下端頭用快壘料碎煤袋各施工一道5m垛墻，然后緊貼垛墻施工永久封閉，垛墻與閉墻之間用膠充填，外墻采取氣密性處理，先噴漿，再用膠噴涂，同時(shí)對(duì)預(yù)留的注漿管進(jìn)行保護(hù)，最后施工總封閉。

(4)過斷層時(shí)，工作面上、下隅角除正常的回柱充填外，在工作面機(jī)、風(fēng)巷分別距斷層10m位置開始，在跨斷層范圍內(nèi)每隔10m采用快壘料碎煤袋垛墻對(duì)上、下隅角進(jìn)行封堵，垛墻厚度大于2m。封堵范圍:下隅角由機(jī)巷下幫至第1架架尾，上隅角由風(fēng)巷上幫至最上一架架尾。見圖2所示。

圖2 垛墻布置示意

3.3 復(fù)合阻化泡沫防滅火技術(shù)

3.3.1 復(fù)合阻化泡沫的制備

復(fù)合阻化泡沫是由固態(tài)不燃物、惰性氣體(N2)和水三相防滅火介質(zhì)組成。其制備過程為:在制漿站里將水與粉煤灰按一定比例攪拌混合，通過壓力泵和定量螺桿泵將發(fā)泡劑輸送到注漿管路，漿液與發(fā)泡劑和阻化劑在混合器中混合后，再與接入的氮?dú)庀嗷プ饔卯a(chǎn)生含固體顆粒的復(fù)合阻化泡沫，復(fù)合阻化泡沫利用注漿管路注入防滅火區(qū)域。

3.3.2 復(fù)合阻化泡沫的工藝流程

根據(jù)復(fù)合阻化泡沫的制備工藝以及朱仙莊礦井下的實(shí)際情況，制定了注復(fù)合阻化泡沫的工藝流程，如圖3所示。在風(fēng)巷離停采線60m處，利用原交替埋設(shè)的2趟灌漿管對(duì)上隅角采空區(qū)灌漿，同時(shí)工作面每推進(jìn)15～20m距離再鋪設(shè)一趟灌漿管路向采空區(qū)和上隅角進(jìn)行灌漿或灌注三相泡沫。

圖3 注復(fù)合阻化泡沫的工藝流程

3.3.3 工程試驗(yàn)結(jié)果分析

在873綜放工作面采空區(qū)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)。總共向采空區(qū)注黃泥漿約 1830m3，復(fù)合阻化泡沫57000m3，漿液從采空區(qū)流出量很小。23d后，從綜放面支架后面采空區(qū)各個(gè)地方的煤體裂隙中看到了復(fù)合阻化泡沫擴(kuò)散出來(lái)。

試驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合阻化泡沫已經(jīng)均勻充滿了整個(gè)采空區(qū)，并進(jìn)入了煤體的裂隙和漏風(fēng)通道，有效地包裹了整個(gè)采空區(qū)低、高處的浮煤，封堵了采空區(qū)的煤體裂隙，對(duì)采空區(qū)內(nèi)存在的自然發(fā)火隱患進(jìn)行了有效地控制。

3.4 注氮防滅火技術(shù)

注氮防滅火的實(shí)質(zhì)是向采空區(qū)氧化帶內(nèi)或火區(qū)內(nèi)注入一定量的氮?dú)?，使其氧含量降?0%或3%以下，以達(dá)到防滅火的目的。

具體做法是在工作面停采前60m開始，從下隅角埋設(shè)一趟直徑50mm的注氮管路，然后每隔15m再預(yù)埋一趟，并從架尾向工作面上方延伸4m左右，最里端的1m處預(yù)埋管用花管并用鋼絲網(wǎng)纏繞保護(hù)，以利于氮?dú)獾囊绯黾皵U(kuò)散。同時(shí)，風(fēng)巷預(yù)接一路φ50mm注漿管，管口與發(fā)泡器相聯(lián)，做好注三相泡沫的準(zhǔn)備。如圖4所示。

圖4 注氮管路布置示意

3.5 其他輔助防滅火技術(shù)

3.5.1 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)

(1)在綜放工作面上隅角及回風(fēng)流中安裝溫度和CO傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面溫度、CO濃度變化情況。綜放工作面各傳感器安裝見圖5。

圖5 綜放工作面?zhèn)鞲衅鞑贾檬疽?/p>

(2)采煤工作面測(cè)氣員配備CO便攜儀，對(duì)工作面上隅角、束管、架尾、架間、回風(fēng)流等中CO情況隨時(shí)進(jìn)行檢查。

(3)利用上隅角埋設(shè)的束管，對(duì)采空區(qū)CO進(jìn)行檢查，并定期取樣化驗(yàn)，同時(shí)，利用CO檢測(cè)管對(duì)架尾、架間進(jìn)行檢測(cè)。

3.5.2 防火鉆孔

工作面防火收作期間，在工作面風(fēng)巷或高位鉆場(chǎng)煤層頂板處設(shè)計(jì)施工防火鉆孔，并且使鉆孔覆蓋停采線，同時(shí)，將防火鉆孔聯(lián)管向采空區(qū)內(nèi)灌注三相泡沫或灌漿。工作面停采收作期間，必要時(shí)可利用高位鉆場(chǎng)瓦斯抽排鉆孔，向工作面采空區(qū)進(jìn)行注漿 (三相泡沫)，以消除現(xiàn)存煤層自然發(fā)火隱患。

3.5.3 調(diào)整工作面風(fēng)量

適當(dāng)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，降低工作面通風(fēng)阻力。工作面回采至停采線約10m處時(shí)，在滿足需風(fēng)量要求的前提下，盡量降低工作面風(fēng)量 (由1200m3/min降至600m3/min左右)，從而減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

3.6 立體化綜合防滅火技術(shù)效果

采取立體化綜合防滅火技術(shù)，礦井Ⅱ863綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火隱患能得到有效地控制。采用綜合防滅火技術(shù)后Ⅱ863工作面采空區(qū)內(nèi)CO，O2，N2變化情況如圖6所示。

圖6 Ⅱ863工作面采空區(qū)氣體變化曲線

經(jīng)過傳統(tǒng)的防滅火技術(shù)、連續(xù)灌注復(fù)合阻化泡沫和采空區(qū)注氮，從采空區(qū)的氣體分析可看出，O2和 CO濃度持續(xù)下降，O2的濃度長(zhǎng)期保持在5%以下，實(shí)現(xiàn)了極軟易燃特厚煤層立體化綜合防滅火，有效控制了煤炭自燃的發(fā)生。

4 結(jié)論

針對(duì)自然發(fā)火期短、斷層多、煤質(zhì)極軟的特厚煤層，朱仙莊礦打破傳統(tǒng)模式，提出了立體化防滅火技術(shù)，并在礦井進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，取得了顯著效果。

(1)通過向頂部高冒區(qū)注MCA高分子材料，降低了煤的氧化放熱速度，達(dá)到隔絕漏風(fēng)，杜絕煤炭自然發(fā)火。

(2)采用加有10%的快速壘砌材料的碎煤袋等對(duì)工作面上、下隅角進(jìn)行封堵，能有效控制采空區(qū)的漏風(fēng)。

(3)通過向高瓦斯采空區(qū)灌注復(fù)合阻化泡沫，消滅了高位火源，有效控制了采空區(qū)自然發(fā)火，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)埋管－鉆孔－架間插管的全方位大流量注復(fù)合阻化泡沫防滅火。

(4)輔以其他傳統(tǒng)的防滅火技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯極軟易燃特厚煤層立體化綜合防滅火，有效控制了煤炭自燃的發(fā)生，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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