深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術(shù)

朱　良，陳　朋，李　碩

(1．礦山災(zāi)害預(yù)防控制－省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東青島266590; 2．山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島266590; 3.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))付村煤業(yè)有限公司，山東濟(jì)寧273605)

?

深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術(shù)

朱良1，2，陳朋3，李碩3

(1．礦山災(zāi)害預(yù)防控制－省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東青島266590; 2．山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東青島266590; 3.棗莊礦業(yè)(集團(tuán))付村煤業(yè)有限公司，山東濟(jì)寧273605)

［摘要］為了能夠更好地應(yīng)對(duì)深井厚煤層開采帶來的煤層自然發(fā)火的嚴(yán)峻形勢，在對(duì)現(xiàn)有礦井防滅火技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)大采深厚煤層特點(diǎn)下的綜放面回采期間防滅火技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)合工作面現(xiàn)場情況和煤氧化實(shí)驗(yàn)，提出了以采空區(qū)局部溫度、指標(biāo)氣體監(jiān)測為主，以注漿防滅火、構(gòu)筑隔離墻、采空區(qū)注氮為輔，以及斷層處施工高位防滅火鉆孔的綜合防滅火技術(shù)措施，并對(duì)各個(gè)措施進(jìn)行了合理研發(fā)設(shè)計(jì)。在煤礦現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)用后，經(jīng)測定，回風(fēng)巷及隅角CO濃度穩(wěn)定在24×10－6以下，取得了良好的效果。

［關(guān)鍵詞］深井;厚煤層;煤氧化實(shí)驗(yàn);指標(biāo)氣體;監(jiān)測;防滅火技術(shù)

［引用格式］朱良，陳朋，李碩.深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術(shù)［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 98－101.

Fire Prevention Technology of Full-mechanized Caving Mining Face in Thick Coal-seam in Deep Mine

我國煤層自然發(fā)火現(xiàn)象非常嚴(yán)重。根據(jù)國家煤監(jiān)局統(tǒng)計(jì)，我國煤礦中有56%左右的礦井存在煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)，在已開采過的200多個(gè)綜放面中，僅井下自燃火災(zāi)事故就高達(dá)182次［1］。由煤炭自燃火災(zāi)誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸事故時(shí)有發(fā)生，不僅造成企業(yè)財(cái)產(chǎn)損失，而且嚴(yán)重威脅著井下工作人員的生命安全。特別是隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，淺部資源正在日趨減少，甚至枯竭，煤礦開采正逐步向大深度方向發(fā)展。由深部開采帶來的井下溫度高、礦壓大等問題使得煤層自然發(fā)火的形勢不容樂觀，尤其在開采厚煤層過程中采空區(qū)冒落大、遺煤及漏風(fēng)嚴(yán)重等問題更加促使了煤層自然發(fā)火，給今后的煤礦安全生產(chǎn)和礦井建設(shè)帶來了許多新的挑戰(zhàn)。

為防止煤礦自燃災(zāi)害的發(fā)生，國內(nèi)外專家做了大量的研究，逐步形成了一系列相關(guān)的防滅火技術(shù)措施，如均壓防滅火、注滅火材料(凝膠、高分子材料、惰性氣體)等［2－3］，這些措施的實(shí)施對(duì)保證煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)起著重要的作用?？傮w來看，各類防滅火技術(shù)各有特點(diǎn)，適用于各類不同的環(huán)境。但是，煤層自燃火災(zāi)是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響，尤其是在大采深厚煤層條件下，井下條件復(fù)雜、煤層溫度高、礦壓大、遺煤及裂隙漏風(fēng)嚴(yán)重等問題［4］，要求建立有效的防滅火體系。為此，開展了深井開采厚煤層的防滅火技術(shù)研究，從隔絕氧氣和降低煤層溫度兩方面出發(fā)，在綜放面建立了綜合有效的防滅火體系，這對(duì)今后進(jìn)一步開發(fā)利用深部煤炭資源具有重要的意義。

1　試驗(yàn)煤礦綜放面概況

棗礦集團(tuán)付村煤礦1306綜放面開采深度為660m，煤層平均厚度8.8m，走向平均長2004.7m，傾斜寬220.11m，工作面采用運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)軌道巷回風(fēng)通風(fēng)方式，自東向西推進(jìn)，配風(fēng)量為1430m3/ min。工作面經(jīng)鑒定自然發(fā)火危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬自然發(fā)火煤層。此外，1306工作面煤層所屬3煤層，內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)，爆炸指數(shù)為37.42%。同時(shí)，1306綜放面地質(zhì)構(gòu)造以C8向斜和C8－1背斜為主，運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中揭露斷層17條，軌道巷揭露斷層14條，切眼揭露斷層2條，除EF122為逆斷層外，其余斷層均為正斷層，1305運(yùn)輸巷采空區(qū)與1306軌道巷采空區(qū)煤柱已壓垮，漏風(fēng)通道聯(lián)通2個(gè)采空區(qū)，受多種因素影響，煤層波狀起伏，產(chǎn)狀變化較大，裂隙及斷裂發(fā)育，漏風(fēng)嚴(yán)重，采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，回采過程中工作面的防滅火形勢嚴(yán)峻。

2　正?；夭善陂g防滅火體系構(gòu)建

為了解決1306工作面正?；夭善陂g防滅火問題，采用以采空區(qū)局部溫度、指標(biāo)氣體監(jiān)測為主，以注漿防滅火、構(gòu)筑隔離墻、采空區(qū)注氮為輔，以及斷層處施工高位防滅火鉆孔的綜合防滅火技術(shù)。

2.1煤炭自燃的氣體及溫度監(jiān)測

為了能夠?qū)ぷ髅婷簩幼匀话l(fā)火狀況進(jìn)行有效地預(yù)判和掌握，建立相應(yīng)的煤層自燃預(yù)報(bào)體系是十分必要的。由于煤在自燃過程中，會(huì)產(chǎn)生多種氣體，在一定程度上反映出井下狀況，因此，確定采用標(biāo)志氣體分析法與局部測溫法相結(jié)合的方法對(duì)工作面煤炭自燃進(jìn)行充分地預(yù)測與分析。

需要通過升溫條件下的煤炭氧化自燃實(shí)驗(yàn)來確定煤自燃指標(biāo)氣體。煤氧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由程序控溫爐、煤樣罐、測溫元件、氧氣分析儀和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成［5－6］。如圖1所示。

圖1　煤氧化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)過程中，將工作面采集的新鮮煤樣進(jìn)行破碎篩選，以40～80目的顆粒40g作為實(shí)驗(yàn)煤樣。由于控溫爐通氣量設(shè)定為50mL/min (即采空區(qū)風(fēng)速達(dá)到0.1m/min)時(shí)，煤炭最容易被氧化。因此，設(shè)定升溫實(shí)驗(yàn)條件為: 50mL/min通氣量，30～180℃升溫范圍，1℃/min升溫速率。測定模擬實(shí)驗(yàn)中煤樣產(chǎn)生的氣體濃度結(jié)果，如圖2所示。

圖2　煤樣中各種氣體濃度隨溫度變化曲線

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定煤自燃指標(biāo)氣體為CO，并以C2H4，C2H2作為輔助指標(biāo)氣體對(duì)煤炭自然發(fā)火情況進(jìn)行監(jiān)控。在工作面日常管理中，需要實(shí)時(shí)檢測并分析井下工作面CO，C2H4和C2H2含量及溫度的變化量，當(dāng)CO的濃度一直增大，且上升速率明顯加快，說明煤溫已經(jīng)處于90℃左右，需提高警惕，做好防滅火的防范準(zhǔn)備工作;一旦在空氣中檢測到C2H4，且濃度不斷升高，或檢測出C2H2時(shí)，說明此時(shí)1306工作面煤的溫度處于120℃甚至以上的高溫，需立即采取相應(yīng)措施，遏制煤炭自燃災(zāi)害的進(jìn)一步惡化，做好有效的防滅火工作。

在1306工作面回采過程中，在回風(fēng)隅角、軌道巷中間距其開門點(diǎn)10～15m (初期)、1305運(yùn)輸巷與一采區(qū)軌道巷7號(hào)聯(lián)交東10～15m (后期)、采空區(qū)等地安設(shè)CH4，CO，C2H4等氣體和溫度傳感器，結(jié)合礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)工作面危險(xiǎn)區(qū)域的相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，為實(shí)時(shí)可靠預(yù)測預(yù)報(bào)工作面自然發(fā)火提供技術(shù)參數(shù)。

2.2注漿防滅火技術(shù)設(shè)計(jì)

采用注漿防滅火技術(shù)措施的目的是通過吸熱降溫進(jìn)行防滅火。針對(duì)1306工作面現(xiàn)場情況，在其自燃隱患地點(diǎn)實(shí)施注漿的防火措施，開采初期實(shí)行埋管注漿，中后期改為拖管注漿，隨工作面的推進(jìn)而隨時(shí)向采煤面的推進(jìn)方向拖動(dòng)，從而使采煤面防火工作實(shí)現(xiàn)隨采隨注的目標(biāo)，使注入采煤面的漿液均勻分布，以達(dá)到較好的防火效果。

采用北風(fēng)井制漿站或礦內(nèi)制漿站集中制漿，管路靜壓注漿方式，裝備2臺(tái)NJ－12型黏土制漿機(jī)，用于破碎黃土制成泥漿，由1個(gè)8m3制漿池，1個(gè)10m3儲(chǔ)漿池組成。

注漿設(shè)備利用－530m注漿站，用于破碎黃土制成泥漿，利用QBK30/22型排沙泵及TBW－250注漿泵作為輸漿動(dòng)力，安設(shè)1臺(tái)KSB－2型礦用發(fā)泡劑定量添加泵，一是用作三相泡沫動(dòng)力，二是調(diào)節(jié)三相泡沫用量。其制備流程見圖3。

圖3　三相泡沫制備流程

注漿材料根據(jù)井下現(xiàn)場監(jiān)測情況及地上實(shí)驗(yàn)，三相泡沫的最佳配比為黃泥漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%，發(fā)泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%，其中泥漿的制備按水、黃土與阻化劑之比為4∶1∶0.05的比值進(jìn)行制備。其中加發(fā)泡劑管路見圖4。

圖4　加發(fā)泡劑管路布置

注漿時(shí)間及注漿量每天1班進(jìn)行注漿，且每班三相泡沫的灌注量不得少于30m3。在1306工作面檢測到煤炭自然發(fā)火跡象時(shí)，需增加注漿班次，并加大注漿量。

2.3構(gòu)筑隔離墻

1306綜放面兩端頭的頂煤難以回收，兩端頭各有3架支架不放煤，同時(shí)受開采煤層較厚、開采環(huán)境及煤質(zhì)的影響，在采空區(qū)容易形成較寬的遺煤帶，特別是兩端頭丟失的頂煤冒落后堆積。大量的遺煤與適量的漏風(fēng)成為工作面自燃火災(zāi)的一大隱患。

在1306綜放面正?；夭善陂g，為了消除上述隱患，決定采取構(gòu)筑隔離墻的防滅火措施。在其進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷每隔25m距離設(shè)置1道隔離墻，厚度為1.3m，并保證其接頂接底，嚴(yán)密不透風(fēng)，以封堵采空區(qū)空間的漏風(fēng)，對(duì)工作面后部采空區(qū)實(shí)行均壓，增加窒息帶長度，以降低采空區(qū)浮煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)程度。隔離墻的具體布置如圖5所示。

圖5　隔離墻的設(shè)置

2.4注氮防滅火技術(shù)設(shè)計(jì)

注氮防滅火技術(shù)措施是將N2送入危險(xiǎn)區(qū)域，盡可能降低該區(qū)域空氣中O2濃度，使其無法達(dá)到煤炭自然發(fā)火的臨界濃度，從而達(dá)到隔絕O2的目的。在1306工作面正?；夭蛇^程中，針對(duì)采空區(qū)應(yīng)采用常規(guī)注氮與發(fā)火注氮相結(jié)合，始終堅(jiān)持“預(yù)防為主，防滅兼顧”的原則，對(duì)采空區(qū)防滅火進(jìn)行有效地預(yù)防和控制。

防滅火注氮量煤礦井下工作面受采空區(qū)、氧化帶空間大小、地質(zhì)條件及氣體成分等多種因素影響，其防滅火注氮量一般很難確定，目前較為常用的計(jì)算方法分別為按采空區(qū)氧化帶氧含量、按工作面產(chǎn)量、按工作面瓦斯量計(jì)算3種［7］，為此，首先利用上述3種計(jì)算方法對(duì)1306工作面的防滅火注氮量進(jìn)行了計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合1306工作面實(shí)際情況，最終確定工作面的注氮量為2000m3/h。

表1　注氮量計(jì)算理論值

制氮設(shè)備依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，安設(shè)3臺(tái)制氮機(jī)，分別為JXZD700型2臺(tái)，800型1臺(tái)作為備用，總制氮量2000m3/h。

注氮要求適時(shí)測定制氮機(jī)制出的N2中O2濃度，發(fā)現(xiàn)O2濃度大于3%時(shí)，及時(shí)采取措施降低輸出流量，確保制出的N2濃度大于97%。每個(gè)制氮機(jī)制氮時(shí)間保證5h。

注氮工藝?yán)?306軌道巷尾巷3201運(yùn)輸巷預(yù)留的通1306開切眼的注漿管對(duì)1306切眼采空區(qū)區(qū)域進(jìn)行注氮。

2.5斷層處的防滅火處理設(shè)計(jì)

在1306綜放面正?；夭蛇^程中，一旦到達(dá)FS8斷層、FS6斷層，需加快回采速度，減少位于2個(gè)斷層帶的回采時(shí)間，將斷層破碎煤體區(qū)域甩入采空區(qū)窒息帶，以防止采空區(qū)破碎煤體再次自燃氧化。同時(shí)，處于斷層處的回采期間還需采取注膠防滅火技術(shù)。

施工設(shè)計(jì)首先在1306軌道巷FS6斷層處沿空側(cè)補(bǔ)打防火鉆孔，并打通1305運(yùn)輸巷3煤頂板，全長封25.4mm鋼管，末端帶1m花眼，并在1306軌道巷端頭頂板處向采空區(qū)方向施以同樣透過3煤頂板的防火鉆孔。如圖6所示。

圖6　FS6斷層處施工防火鉆孔

注膠工藝選用QZB－50/6型風(fēng)動(dòng)雙腔泵，用同體積2個(gè)鐵箱作配料注膠用桶，每個(gè)桶的體積為0.5m3。通過配比實(shí)驗(yàn)確定促凝劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%、水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%為最佳配比。當(dāng)混合液充分混合成膠后啟動(dòng)泥漿泵，利用泵進(jìn)行噴注工作，把膠體噴注至工作地點(diǎn)。為保證工作的連續(xù)性，2個(gè)水箱交替配料使用。圖7為壓注系統(tǒng)圖。

圖7　壓注系統(tǒng)

3　防滅火技術(shù)效果分析

1306綜放面在整個(gè)回采過程中，對(duì)工作面采取“隨采隨注”、構(gòu)建隔離墻、注氮等一系列有效的防滅火措施，未發(fā)現(xiàn)工作面溫度過高及CO異?，F(xiàn)象，并對(duì)1306工作面隅角、回風(fēng)巷內(nèi)的CO氣體濃度及溫度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)工作面CO濃度始終穩(wěn)定在24×10－6以下。實(shí)踐表明，1306綜放面采取的綜合防滅火措施是安全合理的，有效保證了1306綜放面的安全回采。工作面取樣氣體濃度及溫度變化如圖8、圖9所示。

圖8　1306綜放面回風(fēng)巷CO、溫度變化

圖9　1306綜放面隅角CO、溫度變化

4　結(jié)論

(1)工作面正?；夭蓵r(shí)期，需對(duì)采空區(qū)CO，C2H2，C2H4氣體濃度及兩巷未放煤部位溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，從而對(duì)工作面煤炭自然發(fā)火進(jìn)行充分的預(yù)測與分析，做好防范工作。

(2)針對(duì)大采深高地溫綜放面特點(diǎn)，從隔絕O2和降低煤層溫度兩方面出發(fā)，采取了注漿防滅火、構(gòu)筑隔離墻、采空區(qū)注氮以及斷層地區(qū)施工高位防滅火鉆孔進(jìn)行注膠的綜合防滅火技術(shù)措施。并最終形成了針對(duì)深井厚煤層的防滅火體系，保證了工作面的正常開采。

［參考文獻(xiàn)］

［1］王德明.礦井火災(zāi)學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［2］李金良，張友誼.淺談煤礦火源探測技術(shù)［J］.煤礦開采，2006，11 (4) : 86－87.

［3］徐永亮，時(shí)國慶，王德明，等.條帶工作面煤自燃綜合防滅火技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38 (10) : 48－51.

［4］郝相龍.天安十礦綜采工作面防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37 (1) : 85－87.

［5］鄧軍，孫寶亮，費(fèi)金彪，等.膠體防滅火技術(shù)在煤層露頭火災(zāi)治理中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35 (11) .

［6］仲曉星，王德明，尹曉丹.基于程序升溫的煤自燃臨界溫度測試方法［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35 (S) : 128－131.

［7］郝宇，劉杰，王長元，等.綜放工作面超厚煤層注氮防滅火技術(shù)應(yīng)用［J］.煤礦安全，2008 (7) : 41－44.

［責(zé)任編輯:鄒正立］

［作者簡介］朱良(1989－)，男，山東萊蕪人，在讀研究生，從事災(zāi)害監(jiān)測與控制等方面的研究。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.027

［收稿日期］2014－04－30

［中圖分類號(hào)］TD75

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0098-04