小窯火區(qū)下近距離煤層開(kāi)采工作面防滅火技術(shù)

杜志鐸

(中煤平朔集團(tuán)有限公司 技術(shù)工程管理部，山西 朔州 036006)

小窯火區(qū)下近距離煤層開(kāi)采工作面防滅火技術(shù)

杜志鐸

(中煤平朔集團(tuán)有限公司 技術(shù)工程管理部，山西 朔州 036006)

為了解決自燃煤層近距離上覆小窯火區(qū)下開(kāi)采工作面CO易超限的難題，通過(guò)對(duì)平朔礦區(qū)井工二礦21110工作面開(kāi)采期間CO超限的原因分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，運(yùn)用監(jiān)測(cè)監(jiān)控、封堵漏風(fēng)、水封、注漿和配合跳采技術(shù)等綜合治理手段，有效解決了工作面CO超限問(wèn)題，確保了21110工作面安全回采。

近距離煤層；小窯火區(qū)；防滅火；封堵漏風(fēng)；水封；注漿

中煤平朔集團(tuán)有限公司井工二礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0Mt/a，是平朔礦區(qū)露井聯(lián)采千萬(wàn)噸級(jí)井工礦之一，北部與安太堡露天礦相鄰，南部與安家?guī)X露天礦相鄰，主要可采煤層為4號(hào)、9號(hào)、11號(hào)，均為自燃煤層，屬于低瓦斯礦井。目前，礦井4、9號(hào)煤層已基本采空，正在開(kāi)采11號(hào)煤層。11號(hào)煤層與9號(hào)煤層間距較近，9號(hào)煤層小窯開(kāi)采時(shí)采空區(qū)遺煤較多且發(fā)生了自燃，為防止上覆9號(hào)煤層小窯火區(qū)大量高濃度CO氣體涌入正在開(kāi)采的11號(hào)煤層工作面，研究一種解決近距離煤層上覆小窯火區(qū)下開(kāi)采工作面CO超限的防滅火技術(shù)方案顯得尤為重要。

1 工作面概況

21110工作面采用傾向長(zhǎng)臂后退式綜合機(jī)械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。工作面寬度330 m，原設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度1000 m，跳采后推進(jìn)長(zhǎng)度540 m。層厚3.7～4.0 m，平均厚度3.8 m；煤層傾角為-4.0～8.0°，平均2.0°；地板標(biāo)高1113.7～1255.0 m，地面標(biāo)高1380.0～1443.5 m。工作面所屬11號(hào)煤層與上部9號(hào)煤平均層間距約5m，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，絕對(duì)瓦斯涌出量為0.74 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.04 m3/t。采用“U”型通風(fēng)方式，全負(fù)壓通風(fēng)方法。21110工作面北邊為安太堡露天礦邊幫保護(hù)煤柱，南邊為9#煤輔運(yùn)大巷，東邊為不采區(qū)，西邊為斷層發(fā)育帶，上部為9號(hào)煤層小窯采空區(qū)。

2 CO超限經(jīng)過(guò)及原因分析

2.1 超限經(jīng)過(guò)

2015年12月11日早班，21110工作面切眼掘進(jìn)至205 m處，發(fā)現(xiàn)180 m處頂板3#長(zhǎng)探鉆孔有刺激性氣味，經(jīng)取樣化驗(yàn)分析，鉆孔內(nèi)CO濃度為600 ppm，O2濃度為2.8%，CO2濃度為5.5%，CH4濃度為0.86%，無(wú)烯烴類氣體。經(jīng)過(guò)三天連續(xù)監(jiān)測(cè)，2015年12月13日中班，21110切眼3#探孔內(nèi)CO氣體從600 ppm快速上升到17825 ppm，乙烯濃度達(dá)到685 ppm，乙烷濃度達(dá)到2159 ppm?？梢哉J(rèn)定上覆小窯采空區(qū)已經(jīng)發(fā)生自燃，若一旦繼續(xù)掘進(jìn)，CO會(huì)從導(dǎo)通上覆小窯采空區(qū)的鉆孔和裂隙中大面積涌出，必將對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的危害。

2.2 原因分析

造成21110工作面切眼CO超限的根本原因是上覆9號(hào)煤小窯采空區(qū)遺煤自燃。煤炭自燃必須具備4個(gè)條件分別是：①有自燃傾向性的煤被開(kāi)采后成破碎狀態(tài)，且一般堆積高度大于0.4m；②有良好的通風(fēng)條件，通風(fēng)能使高濃度的氧得以維持，進(jìn)而能自動(dòng)加快氧化反應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)氧氣濃度大于15%時(shí)，煤炭氧化進(jìn)行的較快；③蓄熱條件良好；④前面3個(gè)所論述的條件共存時(shí)間應(yīng)大于煤的自然發(fā)火期[1]。

經(jīng)分析，導(dǎo)致上覆小窯采空區(qū)遺煤自燃的原因?yàn)椋?/p>

1) 小窯采空區(qū)存在大量遺煤，為自燃提供了可燃物。21110工作面位于樓子溝小窯采空區(qū)下，小窯采空區(qū)遺留于上世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)小窯采煤工藝比較落后，采空區(qū)遺留了大量遺煤，為自燃提供了可燃物。

2) 井上下存在較多漏風(fēng)通道，為自燃提供了氧氣。一是21110工作面埋深較淺，受采動(dòng)影響地表形成裂隙漏風(fēng)。二是21110工作面北部緊鄰安太堡露天礦9號(hào)煤開(kāi)采區(qū)域，開(kāi)采時(shí)揭露的小窯采空區(qū)很可能與21110上覆小窯采空區(qū)聯(lián)通，形成漏風(fēng)通道。三是正在開(kāi)采的11號(hào)煤和上部9號(hào)煤層間距較近，受重復(fù)采動(dòng)的影響，上下采空區(qū)與小窯采空區(qū)之間產(chǎn)生大量裂隙形成層間漏風(fēng)，再加上近距離煤層開(kāi)采巷道布置復(fù)雜，密閉墻較多，在周期性礦壓的作用下，密閉墻容易產(chǎn)生裂隙，形成大量漏風(fēng)通道[2]。

3)蓄熱條件良好。小窯采空區(qū)的大量遺煤程破碎狀堆積，超過(guò)了氧化極限堆積高度，具有較好的熱量積聚自燃條件，在漏風(fēng)供氧的情況下，一旦超過(guò)了煤的自然發(fā)火期，遺煤就會(huì)自燃[3]。

3 綜合防滅火技術(shù)

鑒于近距離煤層群開(kāi)采、小窯采空區(qū)遺煤多和漏風(fēng)通道復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)21110工作面采取“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、封堵漏風(fēng)、隔離水封、注漿和配合跳采”等綜合治理技術(shù)。

3.1 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

1) 在21110輔運(yùn)巷、主運(yùn)巷及新切眼的不同地點(diǎn)通過(guò)煤柱向上層采空區(qū)打鉆、下套管、封孔，將取氣管至于保護(hù)套管內(nèi)，并引出孔外，每班派專人用移動(dòng)式采樣裝置進(jìn)行氣體采集，通過(guò)色譜儀進(jìn)行上覆小窯采空區(qū)氣體分析，繪制氣體變化曲線圖[4]。

2) 每班通過(guò)密閉觀測(cè)孔抽取21110主運(yùn)巷、輔運(yùn)巷密閉墻及周邊密閉墻內(nèi)氣體進(jìn)行分析，并要求瓦檢員嚴(yán)格檢測(cè)墻外氣體情況。新切眼貫通后，在工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)巷設(shè)置甲烷、氧氣和一氧化碳/溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體情況。

3) 工作面回采后同時(shí)采用JSG-7煤礦自然發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用GC950色譜儀連接氣泵、束管抽取21110工作面上隅角、工作面采空區(qū)散熱帶、工作面采空區(qū)氧化帶的氣體進(jìn)行分析化驗(yàn)，檢測(cè)其中CH4、CO、CO2、O2、C2H4、C2H2、C2H6等氣體的含量，以連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和隨時(shí)提供相關(guān)地點(diǎn)自然發(fā)火過(guò)程的動(dòng)態(tài)信息[5]。

3.2 封堵漏風(fēng)

1) 地面封堵。21110工作面CO氣體超限和回采期間，每天安排專人對(duì)地表進(jìn)行巡查，保證地表裂隙不得滯后工作面100 m，發(fā)現(xiàn)裂隙馬上回填，保證回填質(zhì)量，杜絕漏風(fēng)。同時(shí)，對(duì)北部相鄰的安太堡露天礦揭露的小窯采空區(qū)用黃土進(jìn)行充填壓實(shí)，確保不漏風(fēng)。

2) 井下封堵。一是對(duì)21110主、輔運(yùn)巷及周邊密閉墻、層間探測(cè)孔、采掘頂部探放水孔進(jìn)行專項(xiàng)檢查，發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)立即重新封堵或噴涂高分子材料，確保嚴(yán)密不漏風(fēng)。二是工作面回采期間，對(duì)進(jìn)、回風(fēng)隅角進(jìn)行封堵，封堵方法為：沿工作面切頂線，每隔30～60 m用裝滿碎煤或矸石的絲袋構(gòu)筑堵漏風(fēng)墻，墻體沿巷道走向分層垂直壘砌，封堵墻與相鄰支架尾梁和巷道煤壁的連接處必須嚴(yán)實(shí)，且墻體的頂端與巷道頂板接實(shí)，減少向采空區(qū)的漏風(fēng)量[6]。

3.3 隔離水封

分別在21110輔運(yùn)巷1285 m、1145 m處構(gòu)筑防火密閉墻各1道，由于巷道沿底板掘進(jìn)，在兩道防火密閉墻中間形成了低洼處，對(duì)2道防火密閉墻中間低洼處進(jìn)行注水處理， 21110輔運(yùn)巷水封示意圖如圖1。通過(guò)水的滲透作用，封堵頂板及煤壁裂隙CO溢出通道[7]。

圖1 21110輔運(yùn)巷水封示意圖

3.4 注漿防滅火

注漿就是將不燃性注漿原料(粘土、粉煤灰、矸石以及砂等固體材料)細(xì)?；笈c水按一定配比制成懸浮液(泥漿)，利用靜壓或動(dòng)壓，通過(guò)鉆孔或輸漿管路水力輸送至礦井防滅火區(qū)域，以阻止煤炭氧化或撲滅已自燃的煤體。注漿能有效封堵漏風(fēng)通道，起到隔絕氧氣和降低溫度的作用[8]。結(jié)合21110工作面上部小窯采空區(qū)CO氣體超限情況和新切眼位置，在21110主運(yùn)巷771m處構(gòu)筑防火密閉墻，并向防火密閉墻內(nèi)注漿，累計(jì)注漿1100 m3。

3.5 配合跳采

1) 跳采原因。21110原切眼上覆小窯采空區(qū)遺煤自燃，大量CO氣體通過(guò)層間裂隙和未封閉鉆孔涌入原切眼，導(dǎo)致原切眼CO氣體超限，已無(wú)法繼續(xù)在原切眼掘進(jìn)。為了保證21110工作面安全開(kāi)采，需要選擇在合理位置重新開(kāi)切眼回采。

2) 新切眼位置的確定。新切眼位置確定的依據(jù)是避開(kāi)超限的有害氣體。監(jiān)測(cè)期間，位于小窯采空區(qū)下的21110輔運(yùn)巷6#、7#測(cè)點(diǎn)CO濃度超限，平均值均在200 ppm以上，5#測(cè)點(diǎn)CO濃度不超限。后在21110主輔運(yùn)巷各施工3個(gè)鉆場(chǎng)，通過(guò)對(duì)鉆孔內(nèi)氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)輔運(yùn)巷820 m(主運(yùn)巷730 m)前各鉆孔內(nèi)CO濃度均為10 ppm以下，故新的21110切眼位置初步選擇在輔運(yùn)巷820 m附近。新切眼初步位置選定之后，安排鉆機(jī)隊(duì)在開(kāi)口位置補(bǔ)打一組長(zhǎng)探鉆孔，經(jīng)檢測(cè)長(zhǎng)探鉆孔內(nèi)CO濃度為0 ppm，因此，確定在輔運(yùn)巷820 m處布置新切眼可以避開(kāi)CO氣體超限，位置選擇合理、安全可靠。21110工作面新切眼位置及鉆場(chǎng)布置如圖2。

圖2 21110工作面新切眼位置及鉆場(chǎng)布置

4 效果分析

通過(guò)采取以上綜合措施，利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工監(jiān)測(cè)、分析，截止2016年4月20日，21110工作面所有鉆孔及主、輔運(yùn)巷防火密閉墻內(nèi)CO濃度均維持在10 ppm以下；在21110新切眼貫通后，工作面回采期間未出現(xiàn)上隅角及回風(fēng)流CO超限情況，保證了井工二礦21110工作面安全回采。

5 結(jié)論

1) 針對(duì)小窯火區(qū)下近距離煤層開(kāi)采工作面防滅火技術(shù)開(kāi)展研究，上覆及開(kāi)采煤層均為自燃煤層，且間距僅為5 m，開(kāi)采引起的裂隙容易與上覆小窯火區(qū)聯(lián)通，導(dǎo)致工作面CO超限。

2) 針對(duì)礦井實(shí)際，分析了CO超限原因，提出了針對(duì)性較強(qiáng)的防滅火技術(shù)方案，有效保障了工作面安全回采，對(duì)相似地質(zhì)條件下工作面防滅火具有重要借鑒意義。

[1] 張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2011:249-250.

[2] 劉華鋒.近距離煤層上下采空區(qū)自燃綜合防治技術(shù)[J].煤礦安全，2016,47(10)：56-58.

[3] 宋永津.煤礦均壓防滅火[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2002：1-3.

[4] 邢真強(qiáng)，陳洋，王偉，等.正壓通風(fēng)礦井近距離煤層群大采高工作面防滅火技術(shù)[J].煤礦安全，2016,47(7)：59-61.

[5] 郭海相，王偉，毛龍.淺埋深近距離易自然煤層群開(kāi)采工作面防滅火技術(shù)[J].煤礦安全，2016,47(2)：148-150.

[6] 賀明新.西山礦區(qū)近距離煤層組自然發(fā)火綜合防治技術(shù)[J].煤礦安全，2010,41(12)：45-48.

[7] 張世鵬.淺談各種防滅火技術(shù)在汝箕溝煤礦的綜合應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技(上旬刊),2012,(07):98.

[8] 王德明.礦井火災(zāi)學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001:178.

Fire Prevention and Extinguishing Technology on Mining Working Face in Close-distance Coal Seam Under Small Kiln Fire Zone

DU Zhi-duo

(Departmentoftechnicalengineeringmanagement,ChinaCoalPingshuoGroupCo.,Ltd,Shuozhou, 036006,China)

In order to solve the problem of CO overrunning on mining face under overlying small kiln fire zone in close-distance coal seam with spontaneous combustion, with the analysis of CO overrunning during mining period on 21110 working face in No.2 coal mine of Pingshuo mining area, combining with the actual situation, monitoring, air leakage sealing, water seal, grouting and mining technology are integrated, to effectively solve the CO overrun problem, and to ensure the safety mining of 21110 working face.

close-distance coal seam; small kiln fire zone; fire prevention and extinguishing; sealing for air leakage; water seal; grouting

2017-3-26

杜志鐸(1987-)，男，河北獻(xiàn)縣人，注冊(cè)安全工程師，中煤平朔集團(tuán)有限公司技術(shù)工程管理部工程師，從事“一通三防”技術(shù)管理工作。E-mail:723175576@qq.com

TD752.2

A

1672-7169(2017)02-0019-04