近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井自燃防治技術(shù)

何 敏

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井自燃防治技術(shù)

何 敏

(天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

通過分析研究近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井自然發(fā)火的規(guī)律，提出對于近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井煤自燃的治理，宜使用以注氮為主，堵漏、灌漿、加快回采速度為輔的綜合防滅火技術(shù)。礦井的應(yīng)用實踐證明，這種技術(shù)能有效控制上部采空區(qū)的遺煤自燃，取得有效的火災(zāi)防治效果。

近距離煤層群；正壓通風(fēng)；自然發(fā)火；注氮

我國煤礦煤炭自然發(fā)火事故十分嚴重，全國煤礦中有56%的礦井存在煤層自然發(fā)火危險，其中厚煤層開采自然發(fā)火更為嚴重[1]。礦井發(fā)生火災(zāi)后，會產(chǎn)生大量的有毒、有害氣體，致使井下工作人員受到傷亡；除火災(zāi)本身的破壞性以外，還可能誘發(fā)瓦斯、煤塵爆炸，從而釀成更大的災(zāi)難[2-3]。因此，礦井火災(zāi)防治技術(shù)一直是國內(nèi)外科研人員研究的重要課題，但因絕大部分礦井采用抽出式通風(fēng)，使得對于正壓通風(fēng)礦井的火災(zāi)防治技術(shù)研究較少[4]。本文針對大同礦區(qū)近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井開采的典型特征，對其煤自然發(fā)火規(guī)律、火災(zāi)防治技術(shù)進行了研究，以期為同類礦井的火災(zāi)防治提供借鑒。

1 大同礦區(qū)煤自燃概況

大同煤礦集團公司本部礦井火區(qū)17處，火區(qū)面積約435.237×104m2，井田內(nèi)含煤地層有侏羅系大同組和石炭二疊系太原組、山西組上、下兩套煤系。開采的煤層自然發(fā)火危險性較為嚴重，特別是一些老礦井，由于開采年代長，且周邊小煤窯亂采亂挖，造成其鄰近煤層存在大量采空區(qū)，而采空區(qū)的位置、開采狀況又難以準(zhǔn)確掌握。為保障礦井的安全開采，部分礦井采用了壓入式通風(fēng)，以減少老火區(qū)的有害氣體對礦井的威脅。目前主要有大斗溝、四老溝、王村、挖金灣、雁崖等5個礦井采用正壓通風(fēng)。

這些礦井主采煤層均為14號煤層，其自然發(fā)火期為3～6個月，正常開采時本煤層采空區(qū)遺煤自燃的可能性較小，發(fā)火的主要原因是上層采空區(qū)的遺煤自燃。由于上層煤層采用的是刀柱式開采或小煤窯的亂采濫挖，采空區(qū)的遺煤比較多，再加上煤層上下頂板普遍較硬，在受到下層煤開采采動影響下，煤柱大部分已被壓垮，導(dǎo)致了遺煤與漏風(fēng)氧氣的接觸面積增大，大大增加了遺煤自燃的可能性。此外，14號煤開采時，上部11號煤層已封閉，采空區(qū)距離14號煤層較近，在采動的影響下頂板斷裂與上層采空區(qū)直接溝通，上層采空區(qū)與周邊小窯采空區(qū)又相互坍塌貫通，與地面形成漏風(fēng)通道。又由于礦井采用壓入式通風(fēng)，漏風(fēng)流向地面，從而使老采空區(qū)遺煤自燃的早期發(fā)現(xiàn)非常困難，一旦在本煤層開采區(qū)域發(fā)現(xiàn)自燃指標(biāo)氣體就標(biāo)志著老采空區(qū)自然發(fā)火已經(jīng)比較嚴重，給礦井的安全生產(chǎn)帶來重大威脅。

2 煤自燃規(guī)律

針對大同礦區(qū)近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井開采的典型特征，本文結(jié)合大斗溝礦的實際情況，對該種特征下的自然發(fā)火規(guī)律進行了研究。

2.1 采空區(qū)煤自燃特點

大斗溝礦的主采區(qū)為14號煤416盤區(qū)，其距離上部11號煤采空區(qū)只有3～20m，因此，在這種近距離煤層群開采方式下，火災(zāi)威脅的來源主要有兩個：一是本煤層采空區(qū)的遺煤自燃；二是近距離上部采空區(qū)的遺煤自燃。本煤層在正常開采時采空區(qū)自然發(fā)火的可能性較小，主要威脅來自后者，火情具有向本煤層漏風(fēng)源蔓延的趨勢，發(fā)火位置通常出現(xiàn)在本煤層工作面上方與巷道頂部。在正壓通風(fēng)條件下，本煤層發(fā)現(xiàn)火情一般具有很強的突然性，因為上部采空區(qū)自然發(fā)火已經(jīng)比較嚴重。

2.2 采空區(qū)“水平三帶”劃分

采空區(qū)的“水平三帶”劃分考察在大斗溝礦14號煤81616工作面進行。該工作面煤層厚度0.6～4.22m，平均2.28m；煤層傾角1～5°，平均3°。工作面走向長1346m，傾向長126m。該工作面與上部11號煤層層間距為3.2～17.5m，開口處層間距3.2m，切眼處層間距為17.5m。

采用在采空區(qū)內(nèi)進、回風(fēng)側(cè)及采空區(qū)埋設(shè)束管的方法測定采空區(qū)內(nèi)O2含量的變化，從而劃分采空區(qū)“三帶”的寬度。在工作面上、下隅角及采空區(qū)分別埋入φ50mm鋼管1趟，并隨著工作面的推進加長鋼管，管內(nèi)穿入束管單管，在鋼管的出口端加工1個長度為200mm，直徑為108mm的采樣頭，用變徑頭連接φ50mm埋管和采樣頭，采樣頭出口堵嚴，并加工成花管，以便氣體流入，采樣頭內(nèi)伸入束管單管。在埋設(shè)鋼管時，出口處抬高0.5m，以防管內(nèi)進水。用礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)配套的氣相色譜分析儀每天分別測埋管內(nèi)的2根束管的氣體值1次(人工取樣)；每天早班在工作面上、下隅角用二連吸氣球吸束管內(nèi)氣體，在現(xiàn)場用便攜式儀器測定束管內(nèi)的O2濃度，以便同色譜分析結(jié)果對比。歷時一個月，束管埋入采空區(qū)共計150m，O2濃度測定結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 進風(fēng)側(cè)O2含量隨采空區(qū)深度變化態(tài)勢

圖2 回風(fēng)側(cè)O2含量隨采空區(qū)深度變化態(tài)勢

通過上述考察結(jié)果，依據(jù)采空區(qū)“三帶”按O2濃度劃分的一般原則，劃分的采空區(qū)“水平三帶”的范圍為：散熱帶在工作面后方至采空區(qū)進風(fēng)側(cè)32m，回風(fēng)側(cè)25m的區(qū)域；氧化帶在工作面后方進風(fēng)側(cè)32～135m，回風(fēng)側(cè)25～130m之間；窒息帶在工作面切頂線進風(fēng)135m，回風(fēng)130m至開切眼區(qū)域。

2.3 采空區(qū)“縱三帶”劃分

近距離煤層群開采時，頂板冒落會造成下部采掘巷道、采空區(qū)與上部采空區(qū)溝通，導(dǎo)致火區(qū)連通，因此，研究工作面采動影響形成的煤自燃“縱三帶”危險區(qū)域?qū)φ莆盏V井自然發(fā)火的規(guī)律具有十分重要的意義。

采空區(qū)“縱三帶”的劃分考察在大斗溝礦14號煤81616工作面進行。鉆孔布置方法見圖3。

圖3 采空區(qū)“縱三帶”考察鉆孔布置

在該工作面回風(fēng)巷選擇一段壓力較小的區(qū)域，上部對應(yīng)區(qū)域為未采動的煤體，在其右?guī)?面對工作面)掘1個2.1m×2.1m×2.1m的鉆場，從鉆場施工5個直徑為50mm的取氣鉆孔，鉆孔參數(shù)如表1所示。

表1 鉆孔參數(shù)

此外，還利用一個距底板5m的一般穿煤層鉆孔，共6個鉆孔進行取氣樣考察。為便于取氣，在鉆孔內(nèi)插入直徑為25mm的套管，并下到終孔位置，其出口端1m加工成花管，內(nèi)部插入束管單管并用皮塞固定，便于與取氣系統(tǒng)相連，其進出口端均封嚴。鉆孔的封孔距離6m，長度為2m。當(dāng)工作面推進到離鉆場50m時，開始通過束管取氣分析，并記錄取氣數(shù)據(jù)，一直到工作面推到鉆場為止，期間每個鉆孔的平均O2濃度如圖4所示。

圖4 采空區(qū)“縱三帶”考察結(jié)果

按照采空區(qū)“水平三帶”劃分的原則，劃分采空區(qū)“縱三帶”的范圍為：散熱帶在距煤層底板8m往下區(qū)域；氧化帶在距煤層底板8～33m區(qū)域；窒息帶在距煤層底板33m往上區(qū)域。

3 煤自燃防治技術(shù)

3.1 采空區(qū)煤自燃監(jiān)測預(yù)報技術(shù)

(1)煤自燃指標(biāo)氣體檢測分析預(yù)報法 大斗溝礦配備了束管監(jiān)測系統(tǒng)并有巡檢員巡檢，通過檢測分析CO等指標(biāo)氣體的濃度、變化趨勢，對采空區(qū)煤自燃發(fā)展趨勢做出預(yù)報。

(2)測溫預(yù)報法 采用正壓通風(fēng)的大斗溝礦，當(dāng)指標(biāo)氣體生成量較小時，本煤層檢測效果不好。為了及時發(fā)現(xiàn)煤自燃，該礦通過測上部采空區(qū)下水溫度、本煤層工作面頂板和煤體溫度，根據(jù)溫度的變化特性及煤所處的環(huán)境和條件對自燃發(fā)火的可能性進行預(yù)報。

3.2 煤自燃防治技術(shù)

近距離煤層群開采方式下多層采空區(qū)間隔太小，采空區(qū)遺煤自燃非常容易相互蔓延，在本煤層保持適宜回采速度使采空區(qū)不易發(fā)火的條件下，主要的火災(zāi)威脅基本上來自上部采空區(qū)的遺煤自燃。而在正壓通風(fēng)條件下，上部采空區(qū)的O2濃度又非常容易處在導(dǎo)致煤自燃的范圍內(nèi)。因此，近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井火災(zāi)治理工作的關(guān)鍵是控制上部采空區(qū)的遺煤自燃。

根據(jù)大斗溝礦井的實踐經(jīng)驗，對上部采空區(qū)煤自燃治理，無論采用注阻化劑、注凝膠、亦或黃泥灌漿，都很難將采空區(qū)所有的浮煤包裹，這些技術(shù)方法的防滅火效果都不佳。比較有效的技術(shù)方法是通過注氮降低浮煤所處區(qū)域的O2含量來防止其產(chǎn)生自燃。通過不斷地總結(jié)經(jīng)驗得出：對于近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井火災(zāi)的治理，宜使用以注氮為主，堵漏、灌漿、加快回采速度為輔的綜合防滅火技術(shù)。

4 81610工作面煤自燃防治實踐

4.1 81610工作面發(fā)火情況

14號煤81610工作面在推進距停采線6m處時，發(fā)現(xiàn)第53號支架位置的頂板裂隙中有煙氣冒出，經(jīng)檢測，CO濃度達到150×10-6。隨即采取了往上部采空區(qū)注水、注凝膠等措施。但5d之后，火勢并未得到控制，在該裂隙處發(fā)現(xiàn)了火光，且第46號支架后方開始有煙氣冒出、回風(fēng)流中CO濃度最大值超過1500×10-6，已經(jīng)嚴重威脅到了生產(chǎn)安全。為防止事態(tài)進一步惡化，對該工作面實施了封閉。

4.2 81610工作面火區(qū)治理

(1)注氮 為防止81610工作面火區(qū)火情蔓延至416盤區(qū)其他工作面，影響礦井生產(chǎn)，在該工作面封閉后即開始進行注氮防滅火工作，注氮系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 火區(qū)注氮系統(tǒng)

經(jīng)過10個月的注氮，累計注氮量為320×104m3，在上部采空區(qū)形成了有效的惰化區(qū)。注氮一方面置換了上部采空區(qū)中的氧氣；另一方面在上部采空區(qū)形成了一個“高壓區(qū)”，從而有效減弱了14號煤層向11號煤層的漏風(fēng)量。

(2)堵漏 對14號煤層416盤區(qū)3條盤區(qū)巷進行噴漿維護，隔絕與上部11號煤層的連通通道，共噴漿1800m。在裂隙明顯位置打孔注馬力散封堵漏風(fēng)，共灌注11t馬力散。對11號煤層相應(yīng)的巷道位置進行打孔注洛克修隔離上層火區(qū)，共灌注洛克修45t。此外，還對與14號煤層81610工作面有連通的地表裂縫進行了充填。

(3)灌漿 81610工作面封閉后，因14號煤層與11號煤層煤層間距近，14號煤層其他工作面在回采的過程中，曾檢查有CO氣體，為防止采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火，影響礦井安全，對14號煤層416采空區(qū)進行灌漿，共灌漿200000m3。

4.3 火災(zāi)治理成果

經(jīng)過上述一系列措施之后，從上部采空區(qū)下到14號煤層416盤區(qū)的水溫由火災(zāi)初期的70℃以上降低到28℃，達到了正常狀態(tài)下的水溫，火區(qū)治理取得了成功。在此過程中，14號煤層416盤區(qū)81614和81616兩個工作面在保持每月102m回采速度的條件下，順利完成回采，保證了礦井的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)束語

結(jié)合礦井實踐經(jīng)驗，通過分析研究近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井自然發(fā)火的規(guī)律，提出對于近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井火災(zāi)的治理，宜使用以注氮為主，堵漏、灌漿、加快回采速度為輔的綜合防滅火技術(shù)。實踐證明，這一技術(shù)能有效控制上部采空區(qū)的遺煤自燃，取得有效的火災(zāi)防治效果。

[1]牛立東.廢棄小煤窯采空區(qū)自燃火區(qū)治理關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究[J].煤礦安全，2010(1)：92-97.

[2]王省身，張國樞.礦井火災(zāi)防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.

[3]牛會永.基于物證分析的煤礦火災(zāi)事故調(diào)查技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2010.

[4]吳 兵，郭 海，趙 燦，等.正壓通風(fēng)礦井自燃防治技術(shù)研究及救災(zāi)實踐[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2012，39(5)：69-74.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Prevention Technology of Mine Spontaneous Combustion with Positive Pressure Ventilation in Contiguous Coal Seam Group

HE Min

(1.Tiandi (Changzhou) Automation Co.，Ltd.，Changzhou 213015，China)

The prevention method of mine spontaneous combustion with positive pressure ventilation in contiguous coal seam group was put forward according analysis of mine spontaneous combustion law with positive pressure ventilation in contiguous coal seam group，nitrogen injection was the main prevention method，and lading stoppage，injection and accelerate mining speed and so on were the subsidiary methods.The practical showed that coal spontaneous combustion of upper goaf could be controlled effectively，and fire prevention and control was effectively.

contiguous coal seam group；positive pressure ventilation；spontaneous combustion；nitrogen injection

2016-08-02

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.024

常州市科技支撐計劃(工業(yè))項目(CE20150068)

何 敏(1983-)，男，湖北天門人，助理研究員，工學(xué)博士，主要從事礦井通風(fēng)防滅火與安全監(jiān)測方面的工作。

何 敏.近距離煤層群正壓通風(fēng)礦井自燃防治技術(shù)[J].煤礦開采，2017，22(1)：98-100，59.

TD75

A

1006-6225(2017)01-0098-03